無刷直流風扇電機180°正弦波控制

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(huán)，結構比一般傳統(tǒng)的交、直流電動機簡單，運行可靠，維護簡單。與鼠籠型感應電動機相比，其結構的簡單程度和運行的可靠性大體相當，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動，采用霍爾傳感器采樣轉子位置，以此為基準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用廣泛。但由于方波驅動換相時會出現(xiàn)電流突變，導致轉矩脈動較大，轉動不平穩(wěn)，噪聲指標較差，難以在家電應用領域推廣。而正弦驅動可以避免換相時的電流突變，雖然最大轉矩會降低，但在噪聲指標上有明顯的優(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子位置，可實現(xiàn)高精度控制，但DSP方案開發(fā)成本和應用成本都很高，家電應用對價格非常敏感，傳統(tǒng)的DSP電機矢量控制方案比較難推廣。由于某些家電應用對動態(tài)響應等性能要求不高，如風扇，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(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制算法等功能，結構如圖2所示。

圖2 控制部分結構圖