家用风扇电机的设计方案
无刷直流电机因无励磁绕组,无换向器、无电刷、无滑环,使其结构比一般传统的交、直流电动机来得简单,运行较为可靠,维护较为简单。与鼠笼型感应电动机相比较,其结构的简单程度和运行的可靠性大体相当。由于没有励磁铁耗和铜耗,功率在300W以下时,其效率比同规格的用电流励磁的电机高10%~20%;和感应电动机相比,效率更高。
无刷直流电机一般采用方波驱动,采用霍尔传感器获得转子位置,通过此信号强制换相.这种方案控制方法简单,成本低,在目前电动车方案中应用广泛.但由于方波驱动换相时会出现电流突变,导致转矩脉动较大,因此噪声指标差,难以在家电应用领域推广.而正弦驱动可以避免换相时的电流突变,虽然最大转矩会降低,但在噪声指标上有明显的优势.
通常永磁同步电机http://bbsic.big-bit.com/的控制都采用DSP,并且电机需要提供光电编码盘来精确检测转子位置,可以实现高精度控制,甚至可用在伺服系统中,但成本会很高,家电应用对价格非常敏感,而且有些应用对性能要求不高,比如电风扇,传统的DSP矢量控制正弦驱动高成本方案也比较难推广.因此本文提出的采用8位单片机集成PWM发生器的正弦驱动方案有较高的市场价值.
一般正弦驱动直流无刷电机的气隙磁场是正弦波(也称为永磁同步电机)或是正弦波注入高次谐波后的磁场波形,定子多采用分布绕组,因此反电动势也是正弦波。三路霍尔传感器安装在转子上,每隔60°电角度输出变化一次,以此作为正弦波的同步信号,保证没有累积误差.
二、 硬件结构
本方案的核心是一颗集成PWM发生器的8位单片机SH79F168,采用优化的单机器周期8051内核,内置16k Flash存储器,兼容传统8051所有硬件资源,采用JTAG仿真方式,内置16.6MHz振荡器,同时扩展了如下功能:
? 双DPTR指针. 16位 x 8乘法器和16位/8除法器.
? 3通道12位带死区控制PWM,6路输出,输出极性可设,中心和边沿对齐模式
? 集成故障检测功能,可瞬时关闭PWM输出.
? 内置放大器和比较器,可用作电流放大采样和过流保护.
? 提供硬件抗干扰措施.
? 提供Flash自编程功能,可以模拟用做EEROM,方便存储参数.
主系统架构采用三相全控桥,自举升压驱动IC,控制地和功率地共享,采用IC内置放大器和ADC实现电流电压采样,节省电压/电流互感器,同时利用IC内部集成的比较器和PWM故障检测功能实现过流保护.
三、 霍尔相序自动测定
不论使用何种控制方式,都必须先知道Hall信号与转子位置的对应关系。Hall信号每60°电角度变化一次,共有6个值,以二极三相集中绕组为示意,如图1,图2所示。
![](../img/eep/emb/emb-67789lebvgylf5n4.jpg)
图1中可以看到三个Hall传感器在空间中依次相差120°电角度,转子磁极宽度为180°,设Ha安装在图2的A绕组处,Hb在B绕组处,Hc在C绕组处。Hall在S极下输出1(高阻输出,外部上拉),N极下输出0,则转子顺时针旋转时,Hall信号的变化顺序是101,001,011,010,110,100(MSB=Hc,LSB=Ha),每个Hall状态保持60°电角度的时间。以转子磁势的位置来划分Hall区域,如图3所示。
![](../img/eep/emb/emb-67790hzfz4utlx1m.jpg)
图3 Hall信号区域的划分
可以看出Hall信号区域的划分完全是由Hall传感器的安装位置决定的。二二方式通电时,如AB相通电,则定子磁势Fa的位置如图3所示,正好在110和010区域的分界处,此时若转子磁势Ff在图标位置,则转子将顺时针转过60°电角度,然后Hall信号的输出变为010,这时必须立刻使AC相通电,使Fa指向图4所示的位置,这样就可以带动转子转动。传统的方波控制就是采用这种方式.
![](../img/eep/emb/emb-67791q5p1f3wmucz.jpg)
图4 转子位置变化后相应定子磁势位置
为了实现自动判别Hall输出信号与转子磁动势的位置关系,常采用的办法是将转子固定在图4的6个不同区域中,记录下对应的Hall信号值。在图4中,若持续给AC相通电(电流从A流入,C流出),则Fa会停在图标的位置,而Ff最终也将停在Fa的位置,而这个位置正好在两个不同的Hall信号区域之间,这样就无法准确的测出Hall输出信号与转子磁动势位置的对应关系。
本方案采用的方法是三相通电,先给AB,AC相通电,如图5所示,定子磁动势指向一个Hall区域的正中间,这样转子也将停在此位置,此时记录下Hall的输出。然后给AC,BC相通电,如图6所示。
![](../img/eep/emb/emb-67792oyhzxrveh4s.jpg)
以此类推,接下来给BA,BC通电;BA,CA通电;CB,CA通电;AB,CB通电,分别记下相应的Hall值。有一点需要注意,最初给AB,AC通电时,若此时转子磁动势Ff的位置正好如图7所示,则转子将没有力矩,无法转到Fa的位置,出现死角,为了避免这种现象,采用正交驱动强制定位,在给AB,AC相通电之前先给BC两相通电,就可以避免。
![](../img/eep/emb/emb-67793pxd0egek34n.jpg)
四、 正弦波控制方式
得知Hall输出信号与转子磁动势位置的关系之后,图7中,Ff
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