家用风扇无刷直流电机控制方案

基于中颖SH79F168的家用风扇无刷直流电机

180°正弦波控制

摘要:无刷直流电动机采用方波驱动,由于换相时不可避免会产生转矩脉动,导致噪声较大,难以在家电应用领域推广,为减小换相噪声,一般采用正弦波控制.但正弦驱动控制电路和软件算法复杂,成本较高.本文提出了一种简易正弦波驱动方法,采用三相120度方波霍尔传感器作为同步信号,集成PWM发生器的MCU来控制三相全控桥,实现直流无刷电机的180°正弦波被动变频方案.实验证明这是一种性价比较高的正弦驱动方法,同时内部集成自动霍尔相序识别功能,可以解决三相霍尔和电机相线装配时的对应问题.

关键词: 正弦驱动无刷电机控制自动霍尔相序识别

一、 概述

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:

9双DPTR指针. 16位x 8乘法器和16位/8除法器.

93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9集成故障检测功能,可瞬时关闭PWM输出.

9内置放大器和比较器,可用作电流放大采样和过流保护.

9提供硬件抗干扰措施.

9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。

s

H A

H C

321H R

A

X

f

图1 霍尔传感器安装示意图 图2 二极三相绕组示意图 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F a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F f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F a 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.

Z

B

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F a会停在图标的位置，而

F f最终也将停在F a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。

A

Z

B

Y

Z

C

B

图5 AB ，AC 相通电

图6 AC ，BC 相通电

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F f的位置正好如图7所示，则转子将没有力矩，无法转到F a 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。

F

f

图7 F a与F f方向相反，无力矩

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，F f位于图标的位置，方波驱动方式下，此时若给BC相通电，则F f将逆时针旋转，为了能够让F f旋转一周，此后的通电顺序是BC-AC-AB-CB-CA-BA-BC……。反之，为了让F f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 * F a * F f * sinθ