正弦波控制无刷直流电机.doc

无刷直流风扇电机180正弦波控制目前的变频风扇一般采用无刷直流电机，因其无励磁绕组、无换向器、无电刷、无滑环，结构比一般传统的交、直流电动机简单，运行可靠，维护简单与鼠笼型感应电动机相比，其结构的简单程度和运行的可靠性大体相当，但由于没有励磁铁耗和铜耗，功率在300W以下时，其效率比同规格的交流电机高10%～20%无刷直流电机一般采用方波驱动，采用霍尔传感器采样转子位置，以此为基准信号控制绕组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，转动不平稳，噪声指标较差，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电机变频控制都采用DSP实现，还需要提供传感器精确检测转子位置，可实现高精度控制，但DSP方案开发成本和应用成本都很高，家电应用对价格非常敏感，传统的DSP电机矢量控制方案比较难推广由于某些家电应用对动态响应等性能要求不高，如风扇，可以用稍微降低性能但大幅度降低成本的方案来代替DSP方案本文提出了8位单片机的正弦波驱动方案来满足这种需求。

硬件选型1 正弦波信号产生本方案控制核心为一颗集成PWM发生器的8位单片机——中颖SH79F168，其内部框图如图1所示此MCU采用优化的单机器周期8051内核，内置16KB闪存，兼容传统8051所有硬件资源，但最高指令执行速度提高12倍，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，输出极性可单独设定，提供中心对齐和边沿对齐模式；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，例如PC指针溢出复位等；提供Flash自编程功能，可以模拟用做EEPROM，方便存储参数图1 MCU内部框图由于集成PWM发生器和电流放大/比较器，一颗SH79F168就可以完成所有控制功能，而且采用8051内核，上手容易设计原理整个系统采用SH79F168为主控MCU，MCU输出的PWM信号直接和功率模块连接，控制功率管的通断同时MCU还负责电压电流ADC检测，霍尔位置检测，速度给定输入转换，实际转速信号输出以及电机控制算法等功能，结构如图2所示。

图2 控制部分结构图功率部分采用智能功率模块，可用MCU输出信号直接控制，PCB Layout时需注意snubber电容要尽量靠近SPM，减小引线电感，同时自举升压二极管需选用高耐压快恢复二极管，结构如图3所示图3 功率部分结构图霍尔相序自动测定为了实现自动判别霍尔（Hall）输出信号与转子磁动势的位置关系，常采用的办法是给二相绕组持续通电，让转子固定在某个位置，记录下对应的Hall信号值但这种方法有缺陷，定子合成磁势的方向正好和霍尔位置重叠，这样可能导致误判本方案采用另外一种方法避开解决此问题，采用三相通电，这样定子合成磁势的方向刚好与霍尔位置错开30电角度，确保了读到的霍尔值的准确性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，可以产生正六边形的旋转磁场，如图4所示，AB相绕组通电，产生图中合成磁势Fa，由于Fa的牵引，Ff将会顺时针旋转，旋转到X位置后，换成给AC相通电，则Fa顺时针跳跃60电角度，牵引Ff顺时针旋转60，依次类推，通电顺序按照AB-AC-BC-BA-CA-CB-AB循环，则带动永磁转子顺时针旋转这就是传统的方波控制方式图4 二极三相绕组示意图由电机基础理论可知：T=K*Fa*Ff*sinθ。

式中K为常数，Ff为定子合成磁动势，Fa为转子磁动势，θ为定子磁动势和转子磁动势的夹角，显然θ=90时转矩最大方波控制以六步运行，θ在60〜120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，没有转矩脉动要想获得上述效果，需要知道转子精确位置，采用光电编码盘定位准但成本高，家电应用中负载确定，电机转速不会突变，因此本方案采用目前无刷电机标配的霍尔传感器来检测转子位置60电角度内认为转子速度恒定，转子位置采用软件模拟定位转子旋转360电角度，霍尔传感器有六种输出，在程序中作出一个360正弦波的表，每隔60分段，通过读取3路霍尔的当前值，软件取不同的段，取出的数据送入PWM发生器的占空比寄存器，就可以复现一个完整的360正弦波，取表间隔时间以上一霍尔周期实际测试时间为参考动态调整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，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软件实现很简单，只要在做正弦表时，将初始角度超前就可以，无须更改软件结构如何调速正弦波频率是根据Hall信号的变化随时调整，属于自控式被动变频，如果要调节电机速度，不能直接修改调制正弦波频率，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，电机上等效电压变化，因此转子转速变化，而正弦调制波的频率则依据转子霍尔信号被动调整。