基于XC866的直流無刷電機簡易正弦波控制

　　計算公式如下：。其中：f為電頻率，P為電機極對數(shù)

　　角度估算

　　與方波控制不同，正弦波控制中角度為連續(xù)變化，而BLDC中常見的3個霍爾傳感器僅僅能提供6個角度信息，即0°，60°，120°，180°，240°，300°，其他角度信息無法直接獲得。通常采用平均速度法，假設(shè)在一定時間內(nèi)電機速度平穩(wěn)，利用前次霍爾換相時的角度與速度信息插值得到其他角度信息，如圖8所示。

圖8 角度估算

　　，由此可見電機的轉(zhuǎn)速波動將直接影響角度計算的誤差，在方案中利用相鄰3次180°換相時間的平均值來計算轉(zhuǎn)速信息，如圖9。

圖9 多次平均法計算轉(zhuǎn)速

　　即，以此減少轉(zhuǎn)速波動引起的角度誤差。

　　轉(zhuǎn)速PI

　　轉(zhuǎn)速控制采用PI調(diào)解器，輸入為轉(zhuǎn)速給定及轉(zhuǎn)速反饋，輸出為開關(guān)損耗最小正弦PWM的幅值Modulation。公式如下：

　　其中：y為PI調(diào)解器輸出。具體實現(xiàn)時，積分環(huán)節(jié)添加抗積分飽和功能，限制積分器輸出的最大、最小值，同時對整個PI調(diào)解器的輸出值增加飽和限制，實現(xiàn)框圖如下。

圖10 PI調(diào)解器框圖

　　啟動

　　直流無刷電機啟動之前，轉(zhuǎn)子處于靜止狀態(tài)，僅僅能利用霍爾傳感器得到電機的絕對位置信息，由于不存在換相，無法得到電機轉(zhuǎn)速信息，因此無法利用平均速度法計算正弦控制所需的角度信息。所以在電機啟動階段，無法直接切入正弦控制方式，在此采用方波控制方式啟動。當電機啟動后并獲得可靠的換向信息后，即可切入正弦波控制。為了防止出現(xiàn)較大的轉(zhuǎn)速波動，需要注意切換前后電流的相位及幅值均平穩(wěn)過渡。

　　理想切換前后的電流波形圖11如下。

　　超前角調(diào)整

　　由前面內(nèi)容可知，霍爾傳感器的輸出反映轉(zhuǎn)子的反電勢信息，依據(jù)霍爾狀態(tài)生成的正弦波相電壓與轉(zhuǎn)子反電勢同相位。而由于電機為感性負載，因此電機相電流滯后于相電壓。即電機相電流滯后于反電勢。而霍爾最大轉(zhuǎn)矩輸出時，電機相電流與反電勢同步，因此需要調(diào)整電壓相位，使生成的相電壓超前于反電勢，即超前角Δ。適當調(diào)整Δ，可使相電流與反電勢同相位，提高輸出轉(zhuǎn)矩，提高系統(tǒng)效率。超前角的調(diào)整可通過實驗形式手動調(diào)整，或者采用一定的算法自動調(diào)整。

圖11 方波控制向正弦波控制的理想切換

　　實驗結(jié)果

　　本文提出的控制方法具體實現(xiàn)時采用Infineon的高性能 8位單片機XC866。XC866內(nèi)部集成專用電機控制單元CCU6E（提供專用BLDC控制模式）以及高性能ADC模塊，是控制直流無刷電機的理想選擇。電機為一臺額定功率35W的直流無刷風機，極對數(shù)：4。啟動時采用方波控制，當速度平穩(wěn)后切入正弦波控制。圖12為運行于開關(guān)損耗最小正弦PWM控制下的電機相電流。

圖12 采用開關(guān)損耗最小正弦波控制的BLDC相電流

　　小結(jié)

　　本文介紹了一種基于開關(guān)損耗最小正弦PWM的直流無刷電機正弦波控制方案，并基于InfinEON高性能8位單片機XC866進行了系統(tǒng)實現(xiàn)及驗證。與傳統(tǒng)的方波控制相比，由于采用正弦波驅(qū)動技術(shù)，電機運行噪聲低，且開關(guān)損耗較SPWM減少1/3，可以很好的滿足直流無刷風機應(yīng)用中對噪聲以及效率的要求，因此此類控制方案將有很大的應(yīng)用前景。