摘 要：無刷直流電動(dòng)機(jī)采用方波驅(qū)動(dòng)，由于換相時(shí)不可避免會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，導(dǎo)致噪聲較大，難以在家電應(yīng)用領(lǐng)域推廣，為減小換相噪聲，一般采用正弦波控制.但正弦驅(qū)動(dòng)控制電路和軟件算法復(fù)雜，成本較高.本文提出了一種簡(jiǎn)易正弦波驅(qū)動(dòng)方法，采用三相120度方波
霍爾傳感器作為同步信號(hào)，集成PWM發(fā)生器的MCU來控制三相全控橋，實(shí)現(xiàn)直流無刷電機(jī)的180°正弦波被動(dòng)變頻方案.實(shí)驗(yàn)證明這是一種性價(jià)比較高的正弦驅(qū)動(dòng)方法，同時(shí)內(nèi)部集成自動(dòng)霍爾相序識(shí)別功能，可以解決三相霍爾和電機(jī)相線裝配時(shí)的對(duì)應(yīng)問題.
關(guān)鍵詞：正弦驅(qū)動(dòng) 無刷電機(jī)控制 自動(dòng)霍爾相序識(shí)別
一、概述
無刷直流電機(jī)因無勵(lì)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(dòng)機(jī)來得簡(jiǎn)單，運(yùn)行較為可靠，維護(hù)較為簡(jiǎn)單。與鼠籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比較，其結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單程度和運(yùn)行的可靠性大體相當(dāng)。由于沒有勵(lì)磁鐵耗和銅耗，功率在300W以下時(shí)，其效率比同規(guī)格的用電流勵(lì)磁的電機(jī)高10%~20%；和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比，效率更高。
無刷直流電機(jī)一般采用方波驅(qū)動(dòng)，采用
霍爾傳感器獲得轉(zhuǎn)子位置，通過此信號(hào)強(qiáng)制換相.這種方案控制方法簡(jiǎn)單，成本低，在目前電動(dòng)車方案中應(yīng)用廣泛.但由于方波驅(qū)動(dòng)換相時(shí)會(huì)出現(xiàn)電流突變，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)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(dòng)可以避免換相時(shí)的電流突變，雖然最大轉(zhuǎn)矩會(huì)降低，但在噪聲指標(biāo)上有明顯的優(yōu)勢(shì).
通常永磁同步電機(jī)的控制都采用DSP，并且電機(jī)需要提供光電編碼盤來精確檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，可以實(shí)現(xiàn)高精度控制，甚至可用在伺服系統(tǒng)中，但成本會(huì)很高，家電應(yīng)用對(duì)價(jià)格非常敏感，而且有些應(yīng)用對(duì)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(dòng)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(jī)集成PWM 發(fā)生器的正弦驅(qū)動(dòng)方案有較高的市場(chǎng)價(jià)值.
一般正弦驅(qū)動(dòng)直流無刷電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)是正弦波(也稱為永磁同步電機(jī))或是正弦波注入高次諧波后的磁場(chǎng)波形，定子多采用分布繞組，因此反電動(dòng)勢(shì)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(hào)，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(jī)SH79F168，采用優(yōu)化的單機(jī)器周期8051 內(nèi)核，內(nèi)置16k Flash 存儲(chǔ)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(shí)擴(kuò)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(duì)齊模式
?? 集成故障檢測(cè)功能，可瞬時(shí)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(hù).
?? 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(chǔ)參數(shù).
主系統(tǒng)架構(gòu)采用三相全控橋，自舉升壓驅(qū)動(dòng)IC，控制地和功率地共享，采用IC內(nèi)置放大器和ADC 實(shí)現(xiàn)電流電壓采樣，節(jié)省電壓/電流互感器，同時(shí)利用IC 內(nèi)部集成的比較器和PWM 故障檢測(cè)功能實(shí)現(xiàn)過流保護(hù).
三、霍爾相序自動(dòng)測(cè)定
不論使用何種控制方式，都必須先知道 Hall 信號(hào)與轉(zhuǎn)子位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
Hall 信號(hào)每60°電角度變化一次，共有6 個(gè)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(gè)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(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，Hall信號(hào)的變化順序是101，001，011，010，110，100（MSB=Hc，LSB=Ha），每個(gè)Hall狀態(tài)保持60°電角度的時(shí)間。以轉(zhuǎn)子磁勢(shì)的位置來劃分Hall區(qū)域，如圖3所示。
圖3 Hall信號(hào)區(qū)域的劃分
可以看出Hall信號(hào)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(shí)，如AB相通電，則定子磁勢(shì)Fa的位置如圖3所示，正好在110和010區(qū)域的分界處，此時(shí)若轉(zhuǎn)子磁勢(shì)Ff在圖標(biāo)位置，則轉(zhuǎn)子將順時(shí)針轉(zhuǎn)過60°電角度，然后Hall信號(hào)的輸出變?yōu)?10，這時(shí)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(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。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(shì)位置
為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)判別Hall輸出信號(hào)與轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)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(gè)不同區(qū)域中，記錄下對(duì)應(yīng)的Hall信號(hào)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(huì)停在圖標(biāo)的位置，而Ff最終也將停在Fa的位置，而這個(gè)位置正好在兩個(gè)不同的Hall信號(hào)區(qū)域之間，這樣就無法準(zhǔn)確的測(cè)出Hall輸出信號(hào)與轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)位置的對(duì)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(dòng)勢(shì)指向一個(gè)Hall區(qū)域的正中間，這樣轉(zhuǎn)子也將停在此位置，此時(shí)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(diǎn)需要注意，最初給AB，AC通電時(shí)，若此時(shí)轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)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(dòng)強(qiáng)制定位，在給AB，AC相通電之前先給BC兩相通電，就可以避免。
圖7 Fa與Ff方向相反，無力矩
四、正弦波控制方式
得知Hall輸出信號(hào)與轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)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(dòng)方式下，此時(shí)若給BC相通電，則Ff將逆時(shí)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(shí)針旋轉(zhuǎn)，通電的順序應(yīng)該是CB-CA-BA-BC-AC-AB-CB……。
由電機(jī)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(dòng)勢(shì)， Fa為轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)， θ為定子磁動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)的夾角，明顯θ=90度時(shí)轉(zhuǎn)矩最大.方波控制以六步運(yùn)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(duì)動(dòng)態(tài)性能要求不高，電機(jī)轉(zhuǎn)速不會(huì)突變，在60度電角度內(nèi)可以認(rèn)為電機(jī)勻速運(yùn)行，因此本方案采用目前無刷電機(jī)標(biāo)配的霍爾傳感器.
圖8中，一個(gè)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(gè)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(gè)完整的360度正弦波，按上述描述，不考慮電機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)，兩次讀表的間隔時(shí)間根據(jù)以下方法確定:定時(shí)器紀(jì)錄電機(jī)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過60度電角度所花費(fèi)的時(shí)間，根據(jù)上兩次60度電角度轉(zhuǎn)子所花時(shí)間來預(yù)測(cè)下一個(gè)60度電角度需要多長(zhǎng)時(shí)間.將此時(shí)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(shí)間.
圖8 三相電流示意圖
五、超前換相角處理
上述方案實(shí)現(xiàn)的是理想狀態(tài)下的電壓驅(qū)動(dòng)波形，只是保證電壓矢量是和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)方向基本垂直，實(shí)際上由于電機(jī)是感性負(fù)載，電機(jī)定子電流矢量滯后于定子電壓矢量，因此定子磁勢(shì)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(dòng)電機(jī)，定子磁勢(shì)和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)夾角將小于90度，導(dǎo)致電機(jī)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(shì)和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)夾角盡量接近90度.
實(shí)現(xiàn)起來其實(shí)很簡(jiǎn)單，只要在做正弦表時(shí)，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(diǎn)的處理方法是給取表執(zhí)針加一個(gè)偏移量，這樣可以根據(jù)負(fù)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(hào)的變化隨時(shí)調(diào)整的，屬于自控式變頻，如果要調(diào)節(jié)電機(jī)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(huì)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(jī)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(hào)被動(dòng)調(diào)整.
七、總結(jié)
采用上述方案做成的控制器，實(shí)際運(yùn)行效果比用方波控制噪聲小，轉(zhuǎn)動(dòng)平滑， 可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，尤其適用于家用電風(fēng)扇無刷電機(jī)控制或空調(diào)風(fēng)扇控制.
附:方案原理圖:
