无刷直流风扇电机180°正弦波控制

目前的变频风扇一般采用无刷直流电机，因其无励磁绕组、无换向器、无电刷、无滑环，结构比一般传统的交、直流电动机简单，运行可靠，维护简单。与鼠笼型感应电动机相比，其结构的简单程度和运行的可靠性大体相当，但由于没有励磁铁耗和铜耗，功率在300W以下时，其效率比同规格的交流电机高10%～20%。

无刷直流电机一般采用方波驱动，采用霍尔传感器采样转子位置，以此为基准信号控制绕组强制换相。这种方案控制方法简单，成本低，在目前电动车方案中应用广泛。但由于方波驱动换相时会出现电流突变，导致转矩脉动较大，转动不平稳，噪声指标较差，难以在家电应用领域推广。而正弦驱动可以避免换相时的电流突变，虽然最大转矩会降低，但在噪声指标上有明显的优势。

通常电机变频控制都采用DSP实现，还需要提供传感器精确检测转子位置，可实现高精度控制，但DSP方案开发成本和应用成本都很高，家电应用对价格非常敏感，传统的DSP电机矢量控制方案比较难推广。由于某些家电应用对动态响应等性能要求不高，如风扇，可以用稍微降低性能但大幅度降低成本的方案来代替DSP方案。本文提出了8位单片机的正弦波驱动方案来满足这种需求。

硬件选型
1 正弦波信号产生
本方案控制核心为一颗集成PWM发生器的8位单片机――中颖SH79F168，其内部框图如图1所示。此MCU采用优化的单机器周期8051内核，内置16KB闪存，兼容传统8051所有硬件资源，但最高指令执行速度提高12倍，采用JTAG在线仿真方式，内置16.6MHz振荡器，同时扩展了如下功能：双DPTR指针；16位×8乘法器和16位/8除法器；3通道12位带死区控制PWM，6路输出，输出极性可单独设定，提供中心对齐和边沿对齐模式；集成故障检测功能，可瞬时关闭PWM输出；内置放大器和比较器，可用作电流放大采样和过流保护；提供硬件抗干扰措施，例如PC指针溢出复位等；提供Flash自编程功能，可以模拟用做EEPROM，方便存储参数。

图1 MCU内部框图

由于集成PWM发生器和电流放大/比较器，一颗SH79F168就可以完成所有控制功能，而且采用8051内核，上手容易。

设计原理
整个系统采用SH79F168为主控MCU，MCU输出的PWM信号直接和功率模块连接，控制功率管的通断。同时MCU还负责电压电流ADC检测，霍尔位置检测，速度给定输入转换，实际转速信号输出以及电机控制算法等功能，结构如图2所示。

图2 控制部分结构图