無(wú)刷直流風(fēng)扇電機(jī)180°正弦波控制

目前的變頻風(fēng)扇一般采用無(wú)刷直流電機(jī)，因其無(wú)勵(lì)磁繞組、無(wú)換向器、無(wú)電刷、無(wú)滑環(huán)，結(jié)構(gòu)比一般傳統(tǒng)的交、直流電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，維護(hù)簡(jiǎn)單。與鼠籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比，其結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單程度和運(yùn)行的可靠性大體相當(dāng)，但由于沒有勵(lì)磁鐵耗和銅耗，功率在300W以下時(shí)，其效率比同規(guī)格的交流電機(jī)高10%～20%。

無(wú)刷直流電機(jī)一般采用方波驅(qū)動(dòng)，采用霍爾傳感器采樣轉(zhuǎn)子位置，以此為基準(zhǔn)信號(hào)控制繞組強(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，轉(zhuǎn)動(dòng)不平穩(wěn)，噪聲指標(biāo)較差，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)。

通常電機(jī)變頻控制都采用DSP實(shí)現(xiàn)，還需要提供傳感器精確檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，可實(shí)現(xiàn)高精度控制，但DSP方案開發(fā)成本和應(yīng)用成本都很高，家電應(yīng)用對(duì)價(jià)格非常敏感，傳統(tǒng)的DSP電機(jī)矢量控制方案比較難推廣。由于某些家電應(yīng)用對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)等性能要求不高，如風(fēng)扇，可以用稍微降低性能但大幅度降低成本的方案來(lái)代替DSP方案。本文提出了8位單片機(jī)的正弦波驅(qū)動(dòng)方案來(lái)滿足這種需求。

硬件選型
1 正弦波信號(hào)產(chǎn)生
本方案控制核心為一顆集成PWM發(fā)生器的8位單片機(jī)――中穎SH79F168，其內(nèi)部框圖如圖1所示。此MCU采用優(yōu)化的單機(jī)器周期8051內(nèi)核，內(nèi)置16KB閃存，兼容傳統(tǒng)8051所有硬件資源，但最高指令執(zhí)行速度提高12倍，采用JTAG在線仿真方式，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×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，輸出極性可單獨(dú)設(shè)定，提供中心對(duì)齊和邊沿對(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(guò)流保護(hù)；提供硬件抗干擾措施，例如PC指針溢出復(fù)位等；提供Flash自編程功能，可以模擬用做EEPROM，方便存儲(chǔ)參數(shù)。

圖1 MCU內(nèi)部框圖

由于集成PWM發(fā)生器和電流放大/比較器，一顆SH79F168就可以完成所有控制功能，而且采用8051內(nèi)核，上手容易。

設(shè)計(jì)原理
整個(gè)系統(tǒng)采用SH79F168為主控MCU，MCU輸出的PWM信號(hào)直接和功率模塊連接，控制功率管的通斷。同時(shí)MCU還負(fù)責(zé)電壓電流ADC檢測(cè)，霍爾位置檢測(cè)，速度給定輸入轉(zhuǎn)換，實(shí)際轉(zhuǎn)速信號(hào)輸出以及電機(jī)控制算法等功能，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制部分結(jié)構(gòu)圖