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、直流电动机来得简略，运转较为牢靠，维护较为简略。与鼠笼型感应电动机比较较，其结构的简略程度和运转的牢靠性大体相当。因为没有励磁铁耗和铜耗，功率在300W以下时，其功率比同标准的用电流励磁的电机高10%~20%;和感应电动机比较，功率更高。
无刷直流电机一般选用方波驱动,选用霍尔传感器取得转子方位,经过此信号强制换相.这种计划操控办法简略,本钱低,在现在电动车计划中运用广泛.但因为方波驱动换相时会呈现电流骤变,导致转矩脉动较大,因而噪声方针差,难以在家电运用领域推行.而正弦驱动能够防止换相时的电流骤变,尽管最大转矩会下降,但在噪声方针上有显着的优势.
一般永磁同步电机http://bbsic.big-bit.com/的操控都选用DSP,并且电机需求供给光电编码盘来准确检测转子方位,能够完成高精度操控,乃至可用在伺服体系中,但本钱会很高,家电运用对价格十分灵敏,并且有些运用对功用要求不高,比方电电扇,传统的DSP矢量操控正弦驱动高本钱计划也比较难推行.因而本文提出的选用8位单片机集成PWM发生器的正弦驱动计划有较高的商场价值.
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，定子多选用散布绕组，因而反电动势也是正弦波。三路霍尔传感器装置在转子上,每隔60°电视点输出改变一次,以此作为正弦波的同步信号,确保没有累积差错.
二、 硬件结构
本计划的中心是一颗集成PWM发生器的8位单片机SH79F168,选用优化的单机器周期8051内核,内置16k Flash存储器,兼容传统8051一切硬件资源,选用JTAG仿真办法,内置16.6MHz振荡器,一起扩展了如下功用:
双DPTR指针. 16位 x 8乘法器和16位/8除法器.
3通道12位带死区操控PWM,6路输出,输出极性可设,中心和边缘对齐形式
集成毛病检测功用,可瞬时封闭PWM输出.
内置扩大器和比较器,可用作电流扩大采样和过流维护.
供给硬件抗干扰办法.
供给Flash自编程功用,能够模仿用做EEROM,便利存储参数.
主体系架构选用三相全控桥,自举升压驱动IC,操控地和功率地同享,选用IC内置扩大器和ADC完成电流电压采样,节约电压/电流互感器,一起运用IC内部集成的比较器和PWM毛病检测功用完成过流维护.
三、 霍尔相序主动测定
不管运用何种操控办法，都有必要先知道Hall信号与转子方位的对应联系。Hall信号每60°电视点改变一次，共有6个值，以二极三相会集绕组为暗示，如图1，图2所示。
图1中能够看到三个Hall传感器在空间中顺次相差120°电视点，转子磁极宽度为180°，设Ha装置在图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信号的改变次序是101，001，011，010，110，100(MSB=Hc，LSB=Ha)，每个Hall情况坚持60°电视点的时刻。以转子磁势的方位来区分Hall区域，如图3所示。
图3 Hall信号区域的区分
能够看出Hall信号区域的区分完全是由Hall传感器的装置方位决议的。二二办法通电时，如AB相通电，则定子磁势Fa的方位如图3所示，正好在110和010区域的分界处，此刻若转子磁势Ff在图标方位，则转子将顺时针转过60°电视点，然后Hall信号的输出变为010，这时有必要马上使AC相通电，使Fa指向图4所示的方位，这样就能够带动转子滚动。传统的方波操控便是选用这种办法.
图4 转子方位改变后相应定子磁势方位
为了完成主动判别Hall输出信号与转子磁动势的方位联系，常选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，若继续给AC相通电(电流从A流入，C流出)，则Fa会停在图标的方位，而Ff终究也将停在Fa的方位，而这个方位正好在两个不同的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方位的对应联系。
本计划选用的办法是三相通电，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方位，此刻记录下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，别离记下相应的Hall值。有一点需求留意，开始给AB，AC通电时，若此刻转子磁动势Ff的方位正好如图7所示，则转子将没有力矩，无法转到Fa的方位，呈现死角,为了防止这种现象，选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,就能够防止。
四、 正弦波操控办法
得知Hall输出信号与转子磁动势方位的联系之后，图7中，Ff坐落图标的方位，方波驱动办法下，此刻若给BC相通电，则Ff将逆时针旋转，为了能够让Ff旋转一周，尔后的通电次序是BC-AC-AB-CB-CA-BA-BC……。反之，为了让Ff顺时针旋转，通电的次序应该是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,显着θ=90度时转矩最大.方波操控以六步运转, θ在60°到120度之间改变,因而不是稳定转矩,正弦波操控的意图便是操控定子磁链方向, 尽量坚持定子磁链方向和转子磁链方向笔直.(这也便是DSP矢量操控寻求的方针——定子磁链定向操控).这样转矩最大且稳定.
要想取得上述作用,有必要准确知道转子方位,一般的做法是选用光电编码盘,但本钱较高,鉴于家电运用对动态功用要求不高,电机转速不会骤变,在60度电视点内能够以为电机匀速运转，因而本计划选用现在无刷电机标配的霍尔传感器.
图8中，一个360°电视点周期内电流依照t0到t6的次序改变。因而能够在程序中作出一个360度正弦波的表,每隔60度分段,经过读取3路霍尔的当时值,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,就能够复现一个完好的360度正弦波,按上述描绘,不考虑电机的瞬态呼应,两次读表的间隔时刻根据以下办法确认:定时器纪录电机转子每转过60度电视点所花费的时刻,根据上两次60度电视点转子所花时刻来猜测下一个60度电视点需求多长时刻.将此刻刻片除以60度表的数据量,就能够得知每次取表的间隔时刻.
图8 三相电流暗示图
五、 超前换相角处理
上述计划完成的是抱负情况下的电压驱动波形,仅仅确保电压矢量是和转子磁势方向根本笔直,实践上因为电机是理性负载,电机定子电流矢量滞后于定子电压矢量,因而定子磁势也滞后于定子电压矢量,也便是说,假如依照上述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,定子电流存在直轴重量,发生去磁效应,导致操控器的功率要素不高,因而需求参加超前换相处理.以便定子磁势和转子磁势夹角尽量挨近90度.
完成起来其实很简略,只需在做正弦表时,将初始视点超前就能够了,不需求更改软件结构.更灵敏一点的处理办法是给取表执针加一个偏移量,这样能够根据负载情况灵敏设置超前换相角.
六、 怎么调速
从上文能够看出，SPWM的调制波频率不是随意给出的，而是根据Hall信号的改变随时调整的，归于自控式变频,假如要调理电机速度,不能更改调制正弦波频率,而是修正调制波起伏,因而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,调制起伏修正后,电机上的等效电压改变,然后速度发生改变,而正弦调制波的频率则根据转子霍尔信号被迫调整.
七、 总结
选用上述计划做成的操控器,实践运转作用比用方波操控噪声小,滚动滑润,可完成无级调速,特别适用于家用电电扇无刷电机操控或空调电扇操控.
附:计划原理图:
