一、 概述

無刷直流電機因無勵磁繞組，無換向器、無電刷、無滑環(huán)，使其結(jié)構(gòu)比一般傳統(tǒng)的交、直流電動機來得簡單，運行較為可靠，維護較為簡單。與鼠籠型感應(yīng)電動機相比較，其結(jié)構(gòu)的簡單程度和運行的可靠性大體相當(dāng)。由于沒有勵磁鐵耗和銅耗，功率在300W以下時，其效率比同規(guī)格的用電流勵磁的電機高10%~20%;和感應(yīng)電動機相比，效率更高。

無刷直流電機一般采用方波驅(qū)動,采用霍爾傳感器獲得轉(zhuǎn)子位置,通過此信號強制換相.這種方案控制方法簡單,成本低,在目前電動車方案中應(yīng)用廣泛.但由于方波驅(qū)動換相時會出現(xiàn)電流突變,導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動較大,因此噪聲指標(biāo)差,難以在家電應(yīng)用領(lǐng)域推廣.而正弦驅(qū)動可以避免換相時的電流突變,雖然最大轉(zhuǎn)矩會降低,但在噪聲指標(biāo)上有明顯的優(yōu)勢.

通常永磁同步電機http://bbsic.big-bit.com/的控制都采用DSP,并且電機需要提供光電編碼盤來精確檢測轉(zhuǎn)子位置,可以實現(xiàn)高精度控制,甚至可用在伺服系統(tǒng)中,但成本會很高,家電應(yīng)用對價格非常敏感,而且有些應(yīng)用對性能要求不高,比如電風(fēng)扇,傳統(tǒng)的DSP矢量控制正弦驅(qū)動高成本方案也比較難推廣.因此本文提出的采用8位單片機集成PWM發(fā)生器的正弦驅(qū)動方案有較高的市場價值.

一般正弦驅(qū)動直流無刷電機的氣隙磁場是正弦波(也稱為永磁同步電機)或是正弦波注入高次諧波后的磁場波形，定子多采用分布繞組，因此反電動勢也是正弦波。三路霍爾傳感器安裝在轉(zhuǎn)子上,每隔60°電角度輸出變化一次,以此作為正弦波的同步信號,保證沒有累積誤差.

二、 硬件結(jié)構(gòu)

本方案的核心是一顆集成PWM發(fā)生器的8位單片機SH79F168,采用優(yōu)化的單機器周期8051內(nèi)核,內(nèi)置16k Flash存儲器,兼容傳統(tǒng)8051所有硬件資源,采用JTAG仿真方式,內(nèi)置16.6MHz振蕩器,同時擴展了如下功能:

 雙DPTR指針. 16位 x 8乘法器和16位/8除法器.

 3通道12位帶死區(qū)控制PWM,6路輸出,輸出極性可設(shè),中心和邊沿對齊模式

 集成故障檢測功能,可瞬時關(guān)閉PWM輸出.

 內(nèi)置放大器和比較器,可用作電流放大采樣和過流保護.

 提供硬件抗干擾措施.

 提供Flash自編程功能,可以模擬用做EEROM,方便存儲參數(shù).

主系統(tǒng)架構(gòu)采用三相全控橋,自舉升壓驅(qū)動IC,控制地和功率地共享,采用IC內(nèi)置放大器和ADC實現(xiàn)電流電壓采樣,節(jié)省電壓/電流互感器,同時利用IC內(nèi)部集成的比較器和PWM故障檢測功能實現(xiàn)過流保護.

三、 霍爾相序自動測定

不論使用何種控制方式，都必須先知道Hall信號與轉(zhuǎn)子位置的對應(yīng)關(guān)系。Hall信號每60°電角度變化一次，共有6個值，以二極三相集中繞組為示意，如圖1，圖2所示。

圖1中可以看到三個Hall傳感器在空間中依次相差120°電角度，轉(zhuǎn)子磁極寬度為180°，設(shè)Ha安裝在圖2的A繞組處，Hb在B繞組處，Hc在C繞組處。Hall在S極下輸出1(高阻輸出,外部上拉)，N極下輸出0，則轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)時，Hall信號的變化順序是101，001，011，010，110，100(MSB=Hc，LSB=Ha)，每個Hall狀態(tài)保持60°電角度的時間。以轉(zhuǎn)子磁勢的位置來劃分Hall區(qū)域，如圖3所示。

圖3 Hall信號區(qū)域的劃分

可以看出Hall信號區(qū)域的劃分完全是由Hall傳感器的安裝位置決定的。二二方式通電時，如AB相通電，則定子磁勢Fa的位置如圖3所示，正好在110和010區(qū)域的分界處，此時若轉(zhuǎn)子磁勢Ff在圖標(biāo)位置，則轉(zhuǎn)子將順時針轉(zhuǎn)過60°電角度，然后Hall信號的輸出變?yōu)?10，這時必須立刻使AC相通電，使Fa指向圖4所示的位置，這樣就可以帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。傳統(tǒng)的方波控制就是采用這種方式.

圖4 轉(zhuǎn)子位置變化后相應(yīng)定子磁勢位置

為了實現(xiàn)自動判別Hall輸出信號與轉(zhuǎn)子磁動勢的位置關(guān)系，常采用的辦法是將轉(zhuǎn)子固定在圖4的6個不同區(qū)域中，記錄下對應(yīng)的Hall信號值。在圖4中，若持續(xù)給AC相通電(電流從A流入，C流出)，則Fa會停在圖標(biāo)的位置，而Ff最終也將停在Fa的位置，而這個位置正好在兩個不同的Hall信號區(qū)域之間，這樣就無法準(zhǔn)確的測出Hall輸出信號與轉(zhuǎn)子磁動勢位置的對應(yīng)關(guān)系。

本方案采用的方法是三相通電，先給AB，AC相通電，如圖5所示，定子磁動勢指向一個Hall區(qū)域的正中間，這樣轉(zhuǎn)子也將停在此位置，此時記錄下Hall的輸出。然后給AC，BC相通電，如圖6所示。

以此類推，接下來給BA，BC通電;BA，CA通電;CB，CA通電;AB，CB通電，分別記下相應(yīng)的Hall值。有一點需要注意，最初給AB，AC通電時，若此時轉(zhuǎn)子磁動勢Ff的位置正好如圖7所示，則轉(zhuǎn)子將沒有力矩，無法轉(zhuǎn)到Fa的位置，出現(xiàn)死角,為了避免這種現(xiàn)象，采用正交驅(qū)動強制定位,在給AB，AC相通電之前先給BC兩相通電,就可以避免。

四、 正弦波控制方式

得知Hall輸出信號與轉(zhuǎn)子磁動勢位置的關(guān)系之后，圖7中，F(xiàn)f位于圖標(biāo)的位置，方波驅(qū)動方式下，此時若給BC相通電，則Ff將逆時針旋轉(zhuǎn)，為了能夠讓Ff旋轉(zhuǎn)一周，此后的通電順序是BC-AC-AB-CB-CA-BA-BC……。反之，為了讓Ff順時針旋轉(zhuǎn)，通電的順序應(yīng)該是CB-CA-BA-BC-AC-AB-CB……。

由電機基礎(chǔ)理論可知:

T = K * Fa * Ff * sinθ

式中K為常數(shù), Ff為定子磁動勢, Fa為轉(zhuǎn)子磁動勢, θ為定子磁動勢和轉(zhuǎn)子磁動勢的夾角,明顯θ=90度時轉(zhuǎn)矩最大.方波控制以六步運行, θ在60°到120度之間變化,因此不是恒定轉(zhuǎn)矩,正弦波控制的目的就是控制定子磁鏈方向, 盡量保持定子磁鏈方向和轉(zhuǎn)子磁鏈方向垂直.(這也就是DSP矢量控制追求的目標(biāo)——定子磁鏈定向控制).這樣轉(zhuǎn)矩最大且恒定.

要想獲得上述效果,必須精確知道轉(zhuǎn)子位置,一般的做法是采用光電編碼盤,但成本較高,鑒于家電應(yīng)用對動態(tài)性能要求不高,電機轉(zhuǎn)速不會突變,在60度電角度內(nèi)可以認(rèn)為電機勻速運行，因此本方案采用目前無刷電機標(biāo)配的霍爾傳感器.

圖8中，一個360°電角度周期內(nèi)電流按照t0到t6的順序變化。因此可以在程序中作出一個360度正弦波的表,每隔60度分段,通過讀取3路霍爾的當(dāng)前值,軟件取不同的段,取出的數(shù)據(jù)和外部輸入的速度給定系數(shù)(0~1之間)相乘,然后送入PWM發(fā)生器的占空比寄存器,就可以復(fù)現(xiàn)一個完整的360度正弦波,按上述描述,不考慮電機的瞬態(tài)響應(yīng),兩次讀表的間隔時間根據(jù)以下方法確定:定時器紀(jì)錄電機轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過60度電角度所花費的時間,根據(jù)上兩次60度電角度轉(zhuǎn)子所花時間來預(yù)測下一個60度電角度需要多長時間.將此時間片除以60度表的數(shù)據(jù)量,就可以得知每次取表的間隔時間.

圖8 三相電流示意圖

五、 超前換相角處理

上述方案實現(xiàn)的是理想狀態(tài)下的電壓驅(qū)動波形,只是保證電壓矢量是和轉(zhuǎn)子磁勢方向基本垂直,實際上由于電機是感性負載,電機定子電流矢量滯后于定子電壓矢量,因此定子磁勢也滯后于定子電壓矢量,也就是說,如果按照上述SPWM波形驅(qū)動電機,定子磁勢和轉(zhuǎn)子磁勢夾角將小于90度,導(dǎo)致電機轉(zhuǎn)矩不是最大,定子電流存在直軸分量,產(chǎn)生去磁效應(yīng),導(dǎo)致控制器的功率因素不高,因此需要加入超前換相處理.以便定子磁勢和轉(zhuǎn)子磁勢夾角盡量接近90度.

實現(xiàn)起來其實很簡單,只要在做正弦表時,將初始角度超前就可以了,不需要更改軟件結(jié)構(gòu).更靈活一點的處理方法是給取表執(zhí)針加一個偏移量,這樣可以根據(jù)負載狀況靈活設(shè)置超前換相角.

六、 如何調(diào)速

從上文可以看出，SPWM的調(diào)制波頻率不是隨意給出的，而是根據(jù)Hall信號的變化隨時調(diào)整的，屬于自控式變頻,如果要調(diào)節(jié)電機速度,不能更改調(diào)制正弦波頻率,而是修改調(diào)制波幅度,因此軟件中取出的正弦表值會和外部的速度給定系數(shù)相乘后再寫入PWM發(fā)生器的占空比寄存器中,調(diào)制幅度修改后,電機上的等效電壓變化,然后速度發(fā)生變化,而正弦調(diào)制波的頻率則依據(jù)轉(zhuǎn)子霍爾信號被動調(diào)整.

七、 總結(jié)

采用上述方案做成的控制器,實際運行效果比用方波控制噪聲小,轉(zhuǎn)動平滑,可實現(xiàn)無級調(diào)速,尤其適用于家用電風(fēng)扇無刷電機控制或空調(diào)風(fēng)扇控制.

附:方案原理圖: