中心議題：

• 無刷直流電機正弦波控製

解決方案：

• 霍爾相序自動測定
• 正弦波控製方式
• 超前換相角處理

目前的變頻風扇一般采用無刷直流電機
，因其無勵磁繞組
、無換向器、無電刷、無滑環，結構比一般傳統的交、直(zhi)流(liu)電(dian)動(dong)機(ji)簡(jian)單(dan)，運(yun)行(xing)可(ke)靠(kao)，維(wei)護(hu)簡(jian)單(dan)。與(yu)鼠(shu)籠(long)型(xing)感(gan)應(ying)電(dian)動(dong)機(ji)相(xiang)比(bi)
，其(qi)結(jie)構(gou)的(de)簡(jian)單(dan)程(cheng)度(du)和(he)運(yun)行(xing)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)大(da)體(ti)相(xiang)當(dang)
，但(dan)由(you)於(yu)沒(mei)有(you)勵(li)磁(ci)鐵(tie)耗(hao)和(he)銅(tong)耗(hao)

，功(gong)率(lv)在(zai)300W以下時，其效率比同規格的交流電機高10%～20%。

無刷直流電機一般采用方波驅動
，采用霍爾傳感器采cai樣yang轉zhuan子zi位wei置zhi

，以yi此ci為wei基ji準zhun信xin號hao控kong製zhi繞rao組zu強qiang製zhi換huan相xiang。這zhe種zhong方fang案an控kong製zhi方fang法fa簡jian單dan，成cheng本ben低di
，在zai目mu前qian電dian動dong車che方fang案an中zhong應ying用yong廣guang泛fan。但dan由you於yu方fang波bo驅qu動dong換huan相xiang時shi會hui出chu現xian電dian流liu突tu變bian，導dao致zhi轉zhuan矩ju脈mai動dong較jiao大da，轉zhuan動dong不bu平ping穩wen，噪zao聲sheng指zhi標biao較jiao差cha
，難nan以yi在zai家jia電dian應ying用yong領ling域yu推tui廣guang。而er正zheng弦xian驅qu動dong可ke以yi避bi免mian換huan相xiang時shi的de電dian流liu突tu變bian
，雖sui然ran最zui大da轉zhuan矩ju會hui降jiang低di，但dan在zai噪zao聲sheng指zhi標biao上shang有you明ming顯xian的de優you勢shi。

通常電機變頻控製都采用DSP實現，還需要提供傳感器精確檢測轉子位置，可實現高精度控製，但DSP方案開發成本和應用成本都很高
，家電應用對價格非常敏感，傳統的DSP電dian機ji矢shi量liang控kong製zhi方fang案an比bi較jiao難nan推tui廣guang。由you於yu某mou些xie家jia電dian應ying用yong對dui動dong態tai響xiang應ying等deng性xing能neng要yao求qiu不bu高gao
，如ru風feng扇shan
，可ke以yi用yong稍shao微wei降jiang低di性xing能neng但dan大da幅fu度du降jiang低di成cheng本ben的de方fang案an來lai代dai替tiDSP方案。本文提出了8位單片機的正弦波驅動方案來滿足這種需求。

硬件選型

1正弦波信號產生

本方案控製核心為一顆集成PWM發生器的8位單片機——中穎SH79F168，其內部框圖如圖1所示。此MCU采用優化的單機器周期8051內核
，內置16KB閃存
，兼容傳統8051所有硬件資源

，但最高指令執行速度提高12倍，采用JTAG在線仿真方式，內置16.6MHz振蕩器，同時擴展了如下功能：雙DPTR指針；16位×8乘法器和16位/8除法器；3通道12位帶死區控製PWM
，6路輸出，輸出極性可單獨設定，提供中心對齊和邊沿對齊模式；集成故障檢測功能，可瞬時關閉PWM輸出；內置放大器和比較器，可用作電流放大采樣和過流保護；提供硬件抗幹擾措施，例如PC指針溢出複位等；提供Flash自編程功能，可以模擬用做EEPROM，方便存儲參數。


圖1MCU內部框圖

由於集成PWM發生器和電流放大/比較器，一顆SH79F168就可以完成所有控製功能，而且采用8051內核，上手容易。

設計原理

整個係統采用SH79F168為主控MCU，MCU輸出的PWM信號直接和功率模塊連接
，控製功率管的通斷。同時MCU還負責電壓電流ADC檢測，霍爾位置檢測
，速度給定輸入轉換，實際轉速信號輸出以及電機控製算法等功能，結構如圖2所示。


圖2控製部分結構圖
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功率部分采用智能功率模塊
，可用MCU輸出信號直接控製，PCBLayout時需注意snubber電容要盡量靠近SPM
，減小引線電感
，同時自舉升壓二極管需選用高耐壓快恢複二極管
，結構如圖3所示。


圖3功率部分結構圖

霍爾相序自動測定

為了實現自動判別霍爾（Hall）輸出信號與轉子磁動勢的位置關係，常采用的辦法是給二相繞組持續通電，讓轉子固定在某個位置
，記錄下對應的Hallxinhaozhi。danzhezhongfangfayouquexian，dingzihechengcishidefangxiangzhenghaohehuoerweizhizhongdie，zheyangkenengdaozhiwupan。benfangancaiyonglingwaiyizhongfangfabikaijiejueciwenti，caiyongsanxiangtongdian


，zheyangdingzihechengcishidefangxiangganghaoyuhuoerweizhicuokai30°電角度，確保了讀到的霍爾值的準確性。

正弦波控製方式

得知Hall輸出信號與轉子磁動勢位置的關係之後
，可以產生正六邊形的旋轉磁場，如圖4所示，AB相繞組通電，產生圖中合成磁勢Fa，由於Fa的牽引，Ff將會順時針旋轉，旋轉到X位置後，換成給AC相通電

，則Fa順時針跳躍60°電角度，牽引Ff順時針旋轉60°
，依次類推，通電順序按照AB-AC-BC-BA-CA-CB-AB循環
，則帶動永磁轉子順時針旋轉。這就是傳統的方波控製方式。


圖4二極三相繞組示意圖

由電機基礎理論可知：T=K*Fa*Ff*sinθ。式中K為常數，Ff為定子合成磁動勢，Fa為轉子磁動勢
，θ為定子磁動勢和轉子磁動勢的夾角
，顯然θ=90°時轉矩最大。方波控製以六步運行
，θ在60°〜120°之間變化，因此不是恒定轉矩

，正弦波控製的目的就是控製定子磁鏈方向


，盡量保持定子磁鏈方向和轉子磁鏈方向垂直。(這也就是DSP矢量控製追求的目標——定子磁鏈定向控製)。這樣轉矩最大且恒定，沒有轉矩脈動。

要yao想xiang獲huo得de上shang述shu效xiao果guo，需xu要yao知zhi道dao轉zhuan子zi精jing確que位wei置zhi，采cai用yong光guang電dian編bian碼ma盤pan定ding位wei準zhun但dan成cheng本ben高gao，家jia電dian應ying用yong中zhong負fu載zai確que定ding，電dian機ji轉zhuan速su不bu會hui突tu變bian

，因yin此ci本ben方fang案an采cai用yong目mu前qian無wu刷shua電dian機ji標biao配pei的de霍huo爾er傳chuan感gan器qi來lai檢jian測ce轉zhuan子zi位wei置zhi。60°電角度內認為轉子速度恒定，轉子位置采用軟件模擬定位。轉子旋轉360°電角度，霍爾傳感器有六種輸出，在程序中作出一個360°正弦波的表，每隔60°分段，通過讀取3路霍爾的當前值

，軟件取不同的段，取出的數據送入PWM發生器的占空比寄存器
，就可以複現一個完整的360°正弦波，取表間隔時間以上一霍爾周期實際測試時間為參考動態調整。

超前換相角處理

上shang述shu方fang案an實shi現xian的de是shi理li想xiang狀zhuang態tai下xia的de電dian壓ya驅qu動dong波bo形xing
，隻zhi是shi保bao證zheng電dian壓ya矢shi量liang是shi和he轉zhuan子zi磁ci勢shi方fang向xiang基ji本ben垂chui直zhi
，實shi際ji上shang由you於yu電dian機ji是shi感gan性xing負fu載zai

，電dian機ji定ding子zi電dian流liu矢shi量liang滯zhi後hou於yu定ding子zi電dian壓ya矢shi量liang
，因yin此ci定ding子zi磁ci勢shi也ye滯zhi後hou於yu定ding子zi電dian壓ya矢shi量liang
，也ye就jiu是shi說shuo
，如ru果guo按an照zhao上shang述shuSPWM波形驅動電機，定子磁勢和轉子磁勢夾角將小於90°，dianjizhuanjubushizuida
，dingzidianliucunzaizhizhoufenliang，chanshengqucixiaoying，daozhikongzhiqidegonglvyinsubugao
，yincixuyaojiaruchaoqianhuanxiangchuli。yibiandingzicishihezhuanzicishijiajiaojinliangjiejin90°。軟件實現很簡單，隻要在做正弦表時，將初始角度超前就可以
，無須更改軟件結構。

如何調速

正弦波頻率是根據Hall信xin號hao的de變bian化hua隨sui時shi調tiao整zheng
，屬shu於yu自zi控kong式shi被bei動dong變bian頻pin

，如ru果guo要yao調tiao節jie電dian機ji速su度du，不bu能neng直zhi接jie修xiu改gai調tiao製zhi正zheng弦xian波bo頻pin率lv，而er是shi修xiu改gai調tiao製zhi波bo幅fu度du，因yin此ci軟ruan件jian中zhong取qu出chu的de正zheng弦xian表biao值zhi會hui和he外wai部bu的de速su度du給gei定ding係xi數shu相xiang乘cheng後hou再zai寫xie入ruPWM發(fa)生(sheng)器(qi)的(de)占(zhan)空(kong)比(bi)寄(ji)存(cun)器(qi)中(zhong)
，調(tiao)製(zhi)幅(fu)度(du)修(xiu)改(gai)後(hou)
，電(dian)機(ji)上(shang)等(deng)效(xiao)電(dian)壓(ya)變(bian)化(hua)，因(yin)此(ci)轉(zhuan)子(zi)轉(zhuan)速(su)變(bian)化(hua)，而(er)正(zheng)弦(xian)調(tiao)製(zhi)波(bo)的(de)頻(pin)率(lv)則(ze)依(yi)據(ju)轉(zhuan)子(zi)霍(huo)爾(er)信(xin)號(hao)被(bei)動(dong)調(tiao)整(zheng)。