家用风扇电机的设计方案-u球体育app下载

　　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。

　　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。

　　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.

　　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。

　　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。

　　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位于图标的位置，方波驱动方式下，此时若给bc相通电，则ff将逆时针旋转，为了能够让ff旋转一周，此后的通电顺序是bc-ac-ab-cb-ca-ba-bc……。反之，为了让ff顺时针旋转，通电的顺序应该是cb-ca-ba-bc-ac-ab-cb……。

　　由电机基础理论可知:

　　t = k * fa * ff * sinθ

　　式中k为常数, ff为定子磁动势, fa为转子磁动势, θ为定子磁动势和转子磁动势的夹角,明显θ=90度时转矩最大.方波控制以六步运行, θ在60°到120度之间变化,因此不是恒定转矩,正弦波控制的目的就是控制定子磁链方向, 尽量保持定子磁链方向和转子磁链方向垂直.(这也就是dsp矢量控制追求的目标——定子磁链定向控制).这样转矩最大且恒定.

　　要想获得上述效果,必须精确知道转子位置,一般的做法是采用光电编码盘,但成本较高,鉴于家电应用对动态性能要求不高,电机转速不会突变,在60度电角度内可以认为电机匀速运行，因此本方案采用目前无刷电机标配的霍尔传感器.

　　图8中，一个360°电角度周期内电流按照t0到t6的顺序变化。因此可以在程序中作出一个360度正弦波的表,每隔60度分段,通过读取3路霍尔的当前值,软件取不同的段,取出的数据和外部输入的速度给定系数(0~1之间)相乘,然后送入pwm发生器的占空比寄存器,就可以复现一个完整的360度正弦波,按上述描述,不考虑电机的瞬态响应,两次读表的间隔时间根据以下方法确定:定时器纪录电机转子每转过60度电角度所花费的时间,根据上两次60度电角度转子所花时间来预测下一个60度电角度需要多长时间.将此时间片除以60度表的数据量,就可以得知每次取表的间隔时间.

　　图8 三相电流示意图

　　五、 超前换相角处理

　　上述方案实现的是理想状态下的电压驱动波形,只是保证电压矢量是和转子磁势方向基本垂直,实际上由于电机是感性负载,电机定子电流矢量滞后于定子电压矢量,因此定子磁势也滞后于定子电压矢量,也就是说,如果按照上述spwm波形驱动电机,定子磁势和转子磁势夹角将小于90度,导致电机转矩不是最大,定子电流存在直轴分量,产生去磁效应,导致控制器的功率因素不高,因此需要加入超前换相处理.以便定子磁势和转子磁势夹角尽量接近90度.

　　实现起来其实很简单,只要在做正弦表时,将初始角度超前就可以了,不需要更改软件结构.更灵活一点的处理方法是给取表执针加一个偏移量,这样可以根据负载状况灵活设置超前换相角.

　　六、 如何调速

　　从上文可以看出，spwm的调制波频率不是随意给出的，而是根据hall信号的变化随时调整的，属于自控式变频,如果要调节电机速度,不能更改调制正弦波频率,而是修改调制波幅度,因此软件中取出的正弦表值会和外部的速度给定系数相乘后再写入pwm发生器的占空比寄存器中,调制幅度修改后,电机上的等效电压变化,然后速度发生变化,而正弦调制波的频率则依据转子霍尔信号被动调整.

　　七、 总结

　　采用上述方案做成的控制器,实际运行效果比用方波控制噪声小,转动平滑,可实现无级调速,尤其适用于家用电风扇无刷电机控制或空调风扇控制.

　　附:方案原理图: