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。