基于單片機的無刷直流風(fēng)扇電機180°正弦波控制
目前的變頻風(fēng)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(huán),結(jié)構(gòu)比一般傳統(tǒng)的交、直流電動機簡單,運行可靠,維護簡單。與鼠籠型感應(yīng)電動機相比,其結(jié)構(gòu)的簡單程度和運行的可靠性大體相當(dāng),但由于沒有勵磁鐵耗和銅耗,功率在300W以下時,其效率比同規(guī)格的交流電機高10%~20%。
無刷直流電機一般采用方波驅(qū)動,采用霍爾傳感器采樣轉(zhuǎn)子位置,以此為基準(zhǔn)信號控制繞組強制換相。這種方案控制方法簡單,成本低,在目前電動車方案中應(yīng)用廣泛。但由于方波驅(qū)動換相時會出現(xiàn)電流突變,導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動較大,轉(zhuǎn)動不平穩(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)動可以避免換相時的電流突變,雖然最大轉(zhuǎn)矩會降低,但在噪聲指標(biāo)上有明顯的優(yōu)勢。
通常電機變頻控制都采用DSP實現(xiàn),還需要提供傳感器精確檢測轉(zhuǎn)子位置,可實現(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)用對價格非常敏感,傳統(tǒng)的DSP電機矢量控制方案比較難推廣。由于某些家電應(yīng)用對動態(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代替DSP方案。本文提出了8位單片機的正弦波驅(qū)動方案來滿足這種需求。
硬件選型
1 正弦波信號產(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——中穎SH79F168,其內(nèi)部框圖如圖1所示。此MCU采用優(yōu)化的單機器周期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(qū)控制PWM,6路輸出,輸出極性可單獨設(shè)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(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;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)計原理
整個系統(tǒng)采用SH79F168為主控MCU,MCU輸出的PWM信號直接和功率模塊連接,控制功率管的通斷。同時MCU還負責(zé)電壓電流ADC檢測,霍爾位置檢測,速度給定輸入轉(zhuǎn)換,實際轉(zhuǎn)速信號輸出以及電機控制算法等功能,結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 控制部分結(jié)構(gòu)圖
功率部分采用智能功率模塊,可用MCU輸出信號直接控制,PCB Layout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復(fù)二極管,結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 功率部分結(jié)構(gòu)圖
霍爾相序自動測定
為了實現(xiàn)自動判別霍爾(Hall)輸出信號與轉(zhuǎn)子磁動勢的位置關(guān)系,常采用的辦法是給二相繞組持續(xù)通電,讓轉(zhuǎn)子固定在某個位置,記錄下對應(yīng)的Hall信號值。但這種方法有缺陷,定子合成磁勢的方向正好和霍爾位置重疊,這樣可能導(dǎo)致誤判。本方案采用另外一種方法避開解決此問題,采用三相通電,這樣定子合成磁勢的方向剛好與霍爾位置錯開30°電角度,確保了讀到的霍爾值的準(zhǔn)確性。
正弦波控制方式
得知Hall輸出信號與轉(zhuǎn)子磁動勢位置的關(guān)系之后,可以產(chǎn)生正六邊形的旋轉(zhuǎn)磁場,如圖4所示,AB相繞組通電,產(chǎn)生圖中合成磁勢Fa,由于Fa的牽引,F(xiàn)f將會順時針旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)到X位置后,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(zhuǎn)60°,依次類推,通電順序按照AB-AC-BC-BA-CA-CB-AB循環(huán),則帶動永磁轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)。這就是傳統(tǒng)的方波控制方式。
圖4 二極三相繞組示意圖
由電機基礎(chǔ)理論可知:T=K*Fa*Ff*sinθ。式中K為常數(shù),F(xiàn)f為定子合成磁動勢,F(xiàn)a為轉(zhuǎn)子磁動勢,θ為定子磁動勢和轉(zhuǎn)子磁動勢的夾角,顯然θ=90°時轉(zhuǎn)矩最大。方波控制以六步運行,θ在60°?120°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,沒有轉(zhuǎn)矩脈動。
要想獲得上述效果,需要知道轉(zhuǎn)子精確位置,采用光電編碼盤定位準(zhǔn)但成本高,家電應(yīng)用中負載確定,電機轉(zhuǎn)速不會突變,因此本方案采用目前無刷電機標(biāo)配的霍爾傳感器來檢測轉(zhuǎn)子位置。60°電角度內(nèi)認為轉(zhuǎn)子速度恒定,轉(zhuǎn)子位置采用軟件模擬定位。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)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(dāng)前值,軟件取不同的段,取出的數(shù)據(jù)送入PWM發(fā)生器的占空比寄存器,就可以復(fù)現(xiàn)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(tài)調(diào)整。
超前換相角處理
上述方案實現(xiàn)的是理想狀態(tài)下的電壓驅(qū)動波形,只是保證電壓矢量是和轉(zhuǎn)子磁勢方向基本垂直,實際上由于電機是感性負載,電機定子電流矢量滯后于定子電壓矢量,因此定子磁勢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)動電機,定子磁勢和轉(zhuǎn)子磁勢夾角將小于90°,電機轉(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。以便定子磁勢和轉(zhuǎn)子磁勢夾角盡量接近90°。軟件實現(xiàn)很簡單,只要在做正弦表時,將初始角度超前就可以,無須更改軟件結(jié)構(gòu)。
如何調(diào)速
正弦波頻率是根據(jù)Hall信號的變化隨時調(diào)整,屬于自控式被動變頻,如果要調(diào)節(jié)電機速度,不能直接修改調(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,電機上等效電壓變化,因此轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化,而正弦調(diào)制波的頻率則依據(jù)轉(zhuǎn)子霍爾信號被動調(diào)整。
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