基于XC866的直流无刷电机简易正弦波控制

　　计算公式如下：。其中：f为电频率，P为电机极对数

　　角度估算

　　与方波控制不同，正弦波控制中角度为连续变化，而BLDC中常见的3个霍尔传感器仅仅能提供6个角度信息，即0°，60°，120°，180°，240°，300°，其他角度信息无法直接获得。通常采用平均速度法，假设在一定时间内电机速度平稳，利用前次霍尔换相时的角度与速度信息插值得到其他角度信息，如图8所示。

图8 角度估算

　　，由此可见电机的转速波动将直接影响角度计算的误差，在方案中利用相邻3次180°换相时间的平均值来计算转速信息，如图9。

图9 多次平均法计算转速

　　即，以此减少转速波动引起的角度误差。

　　转速PI

　　转速控制采用PI调解器，输入为转速给定及转速反馈，输出为开关损耗最小正弦PWM的幅值Modulation。公式如下：

　　其中：y为PI调解器输出。具体实现时，积分环节添加抗积分饱和功能，限制积分器输出的最大、最小值，同时对整个PI调解器的输出值增加饱和限制，实现框图如下。

图10 PI调解器框图

　　启动

　　直流无刷电机启动之前，转子处于静止状态，仅仅能利用霍尔传感器得到电机的绝对位置信息，由于不存在换相，无法得到电机转速信息，因此无法利用平均速度法计算正弦控制所需的角度信息。所以在电机启动阶段，无法直接切入正弦控制方式，在此采用方波控制方式启动。当电机启动后并获得可靠的换向信息后，即可切入正弦波控制。为了防止出现较大的转速波动，需要注意切换前后电流的相位及幅值均平稳过渡。

　　理想切换前后的电流波形图11如下。

　　超前角调整

　　由前面内容可知，霍尔传感器的输出反映转子的反电势信息，依据霍尔状态生成的正弦波相电压与转子反电势同相位。而由于电机为感性负载，因此电机相电流滞后于相电压。即电机相电流滞后于反电势。而霍尔最大转矩输出时，电机相电流与反电势同步，因此需要调整电压相位，使生成的相电压超前于反电势，即超前角Δ。适当调整Δ，可使相电流与反电势同相位，提高输出转矩，提高系统效率。超前角的调整可通过实验形式手动调整，或者采用一定的算法自动调整。

图11 方波控制向正弦波控制的理想切换

　　实验结果

　　本文提出的控制方法具体实现时采用Infineon的高性能 8位单片机XC866。XC866内部集成专用电机控制单元CCU6E（提供专用BLDC控制模式）以及高性能ADC模块，是控制直流无刷电机的理想选择。电机为一台额定功率35W的直流无刷风机，极对数：4。启动时采用方波控制，当速度平稳后切入正弦波控制。图12为运行于开关损耗最小正弦PWM控制下的电机相电流。

图12 采用开关损耗最小正弦波控制的BLDC相电流

　　小结

　　本文介绍了一种基于开关损耗最小正弦PWM的直流无刷电机正弦波控制方案，并基于InfinEON高性能8位单片机XC866进行了系统实现及验证。与传统的方波控制相比，由于采用正弦波驱动技术，电机运行噪声低，且开关损耗较SPWM减少1/3，可以很好的满足直流无刷风机应用中对噪声以及效率的要求，因此此类控制方案将有很大的应用前景。