佚名 發表於 2017-08-14 19:15:34
電機風扇是一種具有風扇轂和葉片的電機，沿風扇轂外圓周並有均勻分布的槽，葉片插在槽中，經焊接、粘接等永久性聯接方法使葉片與風扇轂成為一體。電機風扇的整體平衡性好，可節省調整平衡所需工時，重量比螺栓聯接式風扇減輕30%以上。採用本實用新型的電機運行時的振動和噪聲均有所降低。
儘管電機風扇有很高的可靠性，但它仍然是機械器件，在長時間使用時，其速度可能會下降甚至停轉，所以最好對風扇的運行狀態進行實時監測，便於及時發現問題。利用報警傳感器可在風扇速度低於某個門限值時給出報警信號，而速度信號輸出則可實現風扇速度的實時監控。 從風扇電路輸出的報警信號有「高電平」和「低電平」兩種狀態，兩種電平所代表的意義一般按照正邏輯體制，高電平表示「故障」，「低電平」表示「正常」。從風扇電路輸出的轉速信號通常為脈衝形式，每個波頭表示風扇轉過一圈，這樣的信號可直接通過數據總線提供給主機進行顯示。某些風扇輸出的轉速信號並不是風扇的真實轉速，而是轉速的倍數，譬如每轉一圈產生2個、4個或6個脈衝，必須經過處理才能形成反映風扇的真實轉速信號。如欲辨別風扇轉速是真實轉速還是某個倍數，可使用轉速表測量實際轉速，然後與顯示的數據進行比較。 風扇的測速信號一般從三引線插頭輸出，三根引線中黃色和黑色分別為+12V電源和接地，另外一種顏色的線則是轉速信號輸出線。應該注意的是，某些三引線風扇的第三根引線並不是測速信號輸出線，而是轉速控制信號線，通過它向風扇電機輸入調速控制信號。
無刷直流電機因無勵磁繞組，無換向器、無電刷、無滑環，使其結構比一般傳統的交、直流電動機來得簡單，運行較為可靠，維護較為簡單。與鼠籠型感應電動機相比較，其結構的簡單程度和運行的可靠性大體相當。由於沒有勵磁鐵耗和銅耗，功率在300W以下時，其效率比同規格的用電流勵磁的電機高10%~20%;和感應電動機相比，效率更高。
無刷直流電機一般採用方波驅動，採用霍爾傳感器獲得轉子位置，通過此信號強制換相。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。但由於方波驅動換相時會出現電流突變，導致轉矩脈動較大，因此噪聲指標差，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勢。
通常永磁同步電機http://bbsic.big-bit.com/的控制都採用DSP，並且電機需要提供光電編碼盤來精確檢測轉子位置，可以實現高精度控制，甚至可用在伺服系統中，但成本會很高，家電應用對價格非常敏感，而且有些應用對性能要求不高，比如電風扇，傳統的DSP矢量控制正弦驅動高成本方案也比較難推廣。因此本文提出的採用8位單片機集成PWM發生器的正弦驅動方案有較高的市場價值。
一般正弦驅動直流無刷電機的氣隙磁場是正弦波（也稱為永磁同步電機）或是正弦波注入高次諧波後的磁場波形，定子多採用分布繞組，因此反電動勢也是正弦波。三路霍爾傳感器安裝在轉子上，每隔60°電角度輸出變化一次，以此作為正弦波的同步信號，保證沒有累積誤差。
硬體結構
本方案的核心是一顆集成PWM發生器的8位單片機SH79F168，採用優化的單機器周期8051內核，內置16k Flash存儲器，兼容傳統8051所有硬體資源，採用JTAG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 x 8乘法器和16位/8除法器。
3通道12位帶死區控制PWM，6路輸出，輸出極性可設，中心和邊沿對齊模式
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，可用作電流放大採樣和過流保護。
提供硬體抗幹擾措施。
提供Flash自編程功能，可以模擬用做EEROM，方便存儲參數。
主系統架構採用三相全控橋，自舉升壓驅動IC，控制地和功率地共享，採用IC內置放大器和ADC實現電流電壓採樣，節省電壓/電流互感器，同時利用IC內部集成的比較器和PWM故障檢測功能實現過流保護。
霍爾相序自動測定
不論使用何種控制方式，都必須先知道Hall信號與轉子位置的對應關係。Hall信號每60°電角度變化一次，共有6個值，以二極三相集中繞組為示意，如圖1，圖2所示。
圖1中可以看到三個Hall傳感器在空間中依次相差120°電角度，轉子磁極寬度為180°，設Ha安裝在圖2的A繞組處，Hb在B繞組處，Hc在C繞組處。Hall在S極下輸出1（高阻輸出，外部上拉），N極下輸出0，則轉子順時針旋轉時，Hall信號的變化順序是101，001，011，010，110，100（MSB=Hc，LSB=Ha），每個Hall狀態保持60°電角度的時間。以轉子磁勢的位置來劃分Hall區域，如圖3所示。
圖3 Hall信號區域的劃分
可以看出Hall信號區域的劃分完全是由Hall傳感器的安裝位置決定的。二二方式通電時，如AB相通電，則定子磁勢Fa的位置如圖3所示，正好在110和010區域的分界處，此時若轉子磁勢Ff在圖標位置，則轉子將順時針轉過60°電角度，然後Hall信號的輸出變為010，這時必須立刻使AC相通電，使Fa指向圖4所示的位置，這樣就可以帶動轉子轉動。傳統的方波控制就是採用這種方式。
圖4 轉子位置變化後相應定子磁勢位置
為了實現自動判別Hall輸出信號與轉子磁動勢的位置關係，常採用的辦法是將轉子固定在圖4的6個不同區域中，記錄下對應的Hall信號值。在圖4中，若持續給AC相通電（電流從A流入，C流出），則Fa會停在圖標的位置，而Ff最終也將停在Fa的位置，而這個位置正好在兩個不同的Hall信號區域之間，這樣就無法準確的測出Hall輸出信號與轉子磁動勢位置的對應關係。
本方案採用的方法是三相通電，先給AB，AC相通電，如圖5所示，定子磁動勢指向一個Hall區域的正中間，這樣轉子也將停在此位置，此時記錄下Hall的輸出。然後給AC，BC相通電，如圖6所示。
以此類推，接下來給BA，BC通電;BA，CA通電;CB，CA通電;AB，CB通電，分別記下相應的Hall值。有一點需要注意，最初給AB，AC通電時，若此時轉子磁動勢Ff的位置正好如圖7所示，則轉子將沒有力矩，無法轉到Fa的位置，出現死角，為了避免這種現象，採用正交驅動強制定位，在給AB，AC相通電之前先給BC兩相通電，就可以避免。
正弦波控制方式
得知Hall輸出信號與轉子磁動勢位置的關係之後，圖7中，Ff位於圖標的位置，方波驅動方式下，此時若給BC相通電，則Ff將逆時針旋轉，為了能夠讓Ff旋轉一周，此後的通電順序是BC-AC-AB-CB-CA-BA-BC……。反之，為了讓Ff順時針旋轉，通電的順序應該是CB-CA-BA-BC-AC-AB-CB……。
由電機基礎理論可知：
T = K * Fa * Ff * sinθ
式中K為常數， Ff為定子磁動勢， Fa為轉子磁動勢， θ為定子磁動勢和轉子磁動勢的夾角，明顯θ=90度時轉矩最大。方波控制以六步運行， θ在60°到120度之間變化，因此不是恆定轉矩，正弦波控制的目的就是控制定子磁鏈方向， 儘量保持定子磁鏈方向和轉子磁鏈方向垂直。（這也就是DSP矢量控制追求的目標——定子磁鏈定向控制）。這樣轉矩最大且恆定。
要想獲得上述效果，必須精確知道轉子位置，一般的做法是採用光電編碼盤，但成本較高，鑑於家電應用對動態性能要求不高，電機轉速不會突變，在60度電角度內可以認為電機勻速運行，因此本方案採用目前無刷電機標配的霍爾傳感器。
圖8中，一個360°電角度周期內電流按照t0到t6的順序變化。因此可以在程序中作出一個360度正弦波的表，每隔60度分段，通過讀取3路霍爾的當前值，軟體取不同的段，取出的數據和外部輸入的速度給定係數（0~1之間）相乘，然後送入PWM發生器的佔空比寄存器，就可以復現一個完整的360度正弦波，按上述描述，不考慮電機的瞬態響應，兩次讀表的間隔時間根據以下方法確定：定時器紀錄電機轉子每轉過60度電角度所花費的時間，根據上兩次60度電角度轉子所花時間來預測下一個60度電角度需要多長時間。將此時間片除以60度表的數據量，就可以得知每次取表的間隔時間。
圖8 三相電流示意圖
超前換相角處理
上述方案實現的是理想狀態下的電壓驅動波形，只是保證電壓矢量是和轉子磁勢方向基本垂直，實際上由於電機是感性負載，電機定子電流矢量滯後於定子電壓矢量，因此定子磁勢也滯後於定子電壓矢量，也就是說，如果按照上述SPWM波形驅動電機，定子磁勢和轉子磁勢夾角將小於90度，導致電機轉矩不是最大，定子電流存在直軸分量，產生去磁效應，導致控制器的功率因素不高，因此需要加入超前換相處理。以便定子磁勢和轉子磁勢夾角儘量接近90度。
實現起來其實很簡單，只要在做正弦表時，將初始角度超前就可以了，不需要更改軟體結構。更靈活一點的處理方法是給取表執針加一個偏移量，這樣可以根據負載狀況靈活設置超前換相角。
如何調速
從上文可以看出，SPWM的調製波頻率不是隨意給出的，而是根據Hall信號的變化隨時調整的，屬於自控式變頻，如果要調節電機速度，不能更改調製正弦波頻率，而是修改調製波幅度，因此軟體中取出的正弦表值會和外部的速度給定係數相乘後再寫入PWM發生器的佔空比寄存器中，調製幅度修改後，電機上的等效電壓變化，然後速度發生變化，而正弦調製波的頻率則依據轉子霍爾信號被動調整。
總結
採用上述方案做成的控制器，實際運行效果比用方波控制噪聲小，轉動平滑，可實現無級調速，尤其適用於家用電風扇無刷電機控制或空調風扇控制。
附：方案原理圖：
五根線是三檔調速電機，很難測，五根線兩兩一對分別測，首先保證都是通路，並且五根線也不對地短路，找出最大阻值的兩根，這兩根分別是啟動和運轉，然後在這兩根之間接上一個電容，再從這兩根線裡面任意選一根和剩下三根裡面的任意一根，通上電，看轉向，如果轉向對了，那麼證明接電容同時接電的那根是運轉，轉向不對，就是另一根是運轉。這時已經知道啟動和運轉是哪根了，剩下三根都是公共端，分別對應不同檔位，接著通電試吧。
理論上說，公共端和運轉之間的電阻加上公共端和啟動的電阻等於啟動和運轉之間的電阻。運轉和公共端電阻大於啟動和公共端電阻。
紅-黑為主組，紅白藍黃合併為副繞組，（串聯L型抽頭式調速）
阻值：紅黑略小於紅黃，黑黃=紅黑+紅黃，紅黃=紅白+白藍+藍黃，紅白=白藍。
如何檢測電風扇電機好壞：
1.你先檢查電源線是否通電。（更換電源線）
2.用手擰一下電機轉子軸是否活動。（加點潤滑油）
3.用萬用表測量一下定時器及檔位開關是否通電，有些是裝有保險管的。（更換這些零件）
4.用萬用表測量一下電機的引入主線和檔位線是否相通。（重新繞組或更換電機）
5.檢查一下線圈是否變色。燒壞。（重新繞組或更換電機）補充一點，是不是電容壞了。要想知道電容是否壞了，可以在電扇通電的情況下，撥動扇葉（要注意安全，安全起見用根筷子就行），如果能轉起來，電容肯定壞了，可以去家電維修部配一個同型號的換上。
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