无刷直流风扇电机180°正弦波控制

图3 功率部分结构图

霍尔相序自动测定
为了实现自动判别霍尔（Hall）输出信号与转子磁动势的位置关系，常采用的办法是给二相绕组持续通电，让转子固定在某个位置，记录下对应的Hall信号值。但这种方法有缺陷，定子合成磁势的方向正好和霍尔位置重叠，这样可能导致误判。本方案采用另外一种方法避开解决此问题，采用三相通电，这样定子合成磁势的方向刚好与霍尔位置错开30°电角度，确保了读到的霍尔值的准确性。

正弦波控制方式
得知Hall输出信号与转子磁动势位置的关系之后，可以产生正六边形的旋转磁场，如图4所示，AB相绕组通电，产生图中合成磁势Fa，由于Fa的牵引，Ff将会顺时针旋转，旋转到X位置后，换成给AC相通电，则Fa顺时针跳跃60°电角度，牵引Ff顺时针旋转60°，依次类推，通电顺序按照AB-AC-BC-BA-CA-CB-AB循环，则带动永磁转子顺时针旋转。这就是传统的方波控制方式。

图4 二极三相绕组示意图

由电机基础理论可知：T=K*Fa*Ff*sinθ。式中K为常数，Ff为定子合成磁动势，Fa为转子磁动势，θ为定子磁动势和转子磁动势的夹角，显然θ=90°时转矩最大。方波控制以六步运行，θ在60°120°之间变化，因此不是恒定转矩，正弦波控制的目的就是控制定子磁链方向，尽量保持定子磁链方向和转子磁链方向垂直。(这也就是DSP矢量控制追求的目标――定子磁链定向控制)。这样转矩最大且恒定，没有转矩脉动。
要想获得上述效果，需要知道转子精确位置，采用光电编码盘定位准但成本高，家电应用中负载确定，电机转速不会突变，因此本方案采用目前无刷电机标配的霍尔传感器来检测转子位置。60°电角度内认为转子速度恒定，转子位置采用软件模拟定位。转子旋转360°电角度，霍尔传感器有六种输出，在程序中作出一个360°正弦波的表，每隔60°分段，通过读取3路霍尔的当前值，软件取不同的段，取出的数据送入PWM发生器的占空比寄存器，就可以复现一个完整的360°正弦波，取表间隔时间以上一霍尔周期实际测试时间为参考动态调整。

超前换相角处理
上述方案实现的是理想状态下的电压驱动波形，只是保证电压矢量是和转子磁势方向基本垂直，实际上由于电机是感性负载，电机定子电流矢量滞后于定子电压矢量，因此定子磁势也滞后于定子电压矢量，也就是说，如果按照上述SPWM波形驱动电机，定子磁势和转子磁势夹角将小于90°，电机转矩不是最大，定子电流存在直轴分量，产生去磁效应，导致控制器的功率因素不高，因此需要加入超前换相处理。以便定子磁势和转子磁势夹角尽量接近90°。软件实现很简单，只要在做正弦表时，将初始角度超前就可以，无须更改软件结构。

如何调速
正弦波频率是根据Hall信号的变化随时调整，属于自控式被动变频，如果要调节电机速度，不能直接修改调制正弦波频率，而是修改调制波幅度，因此软件中取出的正弦表值会和外部的速度给定系数相乘后再写入PWM发生器的占空比寄存器中，调制幅度修改后，电机上等效电压变化，因此转子转速变化，而正弦调制波的频率则依据转子霍尔信号被动调整。