風(fēng)扇電機(jī)的設(shè)計(jì)方案_判斷風(fēng)扇電機(jī)好壞的方法

　　電機(jī)風(fēng)扇是一種具有風(fēng)扇轂和葉片的電機(jī)，沿風(fēng)扇轂外圓周并有均勻分布的槽，葉片插在槽中，經(jīng)焊接、粘接等永久性聯(lián)接方法使葉片與風(fēng)扇轂成為一體。電機(jī)風(fēng)扇的整體平衡性好，可節(jié)省調(diào)整平衡所需工時(shí)，重量比螺栓聯(lián)接式風(fēng)扇減輕30%以上。采用本實(shí)用新型的電機(jī)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)和噪聲均有所降低。

　　盡管電機(jī)風(fēng)扇有很高的可靠性，但它仍然是機(jī)械器件，在長時(shí)間使用時(shí)，其速度可能會(huì)下降甚至停轉(zhuǎn)，所以最好對(duì)風(fēng)扇的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。利用報(bào)警傳感器可在風(fēng)扇速度低于某個(gè)門限值時(shí)給出報(bào)警信號(hào)，而速度信號(hào)輸出則可實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇速度的實(shí)時(shí)監(jiān)控?！娘L(fēng)扇電路輸出的報(bào)警信號(hào)有“高電平”和“低電平”兩種狀態(tài)，兩種電平所代表的意義一般按照正邏輯體制，高電平表示“故障”，“低電平”表示“正?！?。從風(fēng)扇電路輸出的轉(zhuǎn)速信號(hào)通常為脈沖形式，每個(gè)波頭表示風(fēng)扇轉(zhuǎn)過一圈，這樣的信號(hào)可直接通過數(shù)據(jù)總線提供給主機(jī)進(jìn)行顯示。某些風(fēng)扇輸出的轉(zhuǎn)速信號(hào)并不是風(fēng)扇的真實(shí)轉(zhuǎn)速，而是轉(zhuǎn)速的倍數(shù)，譬如每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生2個(gè)、4個(gè)或6個(gè)脈沖，必須經(jīng)過處理才能形成反映風(fēng)扇的真實(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)。如欲辨別風(fēng)扇轉(zhuǎn)速是真實(shí)轉(zhuǎn)速還是某個(gè)倍數(shù)，可使用轉(zhuǎn)速表測(cè)量實(shí)際轉(zhuǎn)速，然后與顯示的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。　風(fēng)扇的測(cè)速信號(hào)一般從三引線插頭輸出，三根引線中黃色和黑色分別為+12V電源和接地，另外一種顏色的線則是轉(zhuǎn)速信號(hào)輸出線。應(yīng)該注意的是，某些三引線風(fēng)扇的第三根引線并不是測(cè)速信號(hào)輸出線，而是轉(zhuǎn)速控制信號(hào)線，通過它向風(fēng)扇電機(jī)輸入調(diào)速控制信號(hào)。

　　家用風(fēng)扇電機(jī)的設(shè)計(jì)方案

　　無刷直流電機(jī)因無勵(lì)磁繞組，無換向器、無電刷、無滑環(huán)，使其結(jié)構(gòu)比一般傳統(tǒng)的交、直流電動(dòng)機(jī)來得簡單，運(yùn)行較為可靠，維護(hù)較為簡單。與鼠籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比較，其結(jié)構(gòu)的簡單程度和運(yùn)行的可靠性大體相當(dāng)。由于沒有勵(lì)磁鐵耗和銅耗，功率在300W以下時(shí)，其效率比同規(guī)格的用電流勵(lì)磁的電機(jī)高10%~20%;和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比，效率更高。

　　無刷直流電機(jī)一般采用方波驅(qū)動(dòng)，采用霍爾傳感器獲得轉(zhuǎn)子位置，通過此信號(hào)強(qiáng)制換相。這種方案控制方法簡單，成本低，在目前電動(dòng)車方案中應(yīng)用廣泛。但由于方波驅(qū)動(dòng)換相時(shí)會(huì)出現(xiàn)電流突變，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，因此噪聲指標(biāo)差，難以在家電應(yīng)用領(lǐng)域推廣。而正弦驅(qū)動(dòng)可以避免換相時(shí)的電流突變，雖然最大轉(zhuǎn)矩會(huì)降低，但在噪聲指標(biāo)上有明顯的優(yōu)勢(shì)。

　　通常永磁同步電機(jī)http://bbsic.big-bit.com/的控制都采用DSP，并且電機(jī)需要提供光電編碼盤來精確檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，可以實(shí)現(xiàn)高精度控制，甚至可用在伺服系統(tǒng)中，但成本會(huì)很高，家電應(yīng)用對(duì)價(jià)格非常敏感，而且有些應(yīng)用對(duì)性能要求不高，比如電風(fēng)扇，傳統(tǒng)的DSP矢量控制正弦驅(qū)動(dòng)高成本方案也比較難推廣。因此本文提出的采用8位單片機(jī)集成PWM發(fā)生器的正弦驅(qū)動(dòng)方案有較高的市場價(jià)值。

　　一般正弦驅(qū)動(dòng)直流無刷電機(jī)的氣隙磁場是正弦波（也稱為永磁同步電機(jī)）或是正弦波注入高次諧波后的磁場波形，定子多采用分布繞組，因此反電動(dòng)勢(shì)也是正弦波。三路霍爾傳感器安裝在轉(zhuǎn)子上，每隔60°電角度輸出變化一次，以此作為正弦波的同步信號(hào)，保證沒有累積誤差。

　　硬件結(jié)構(gòu)

　　本方案的核心是一顆集成PWM發(fā)生器的8位單片機(jī)SH79F168，采用優(yōu)化的單機(jī)器周期8051內(nèi)核，內(nèi)置16k Flash存儲(chǔ)器，兼容傳統(tǒng)8051所有硬件資源，采用JTAG仿真方式，內(nèi)置16.6MHz振蕩器，同時(shí)擴(kuò)展了如下功能：

　　 雙DPTR指針。 16位 x 8乘法器和16位/8除法器。

　　 3通道12位帶死區(qū)控制PWM，6路輸出，輸出極性可設(shè)，中心和邊沿對(duì)齊模式

　　 集成故障檢測(cè)功能，可瞬時(shí)關(guān)閉PWM輸出。

　　 內(nèi)置放大器和比較器，可用作電流放大采樣和過流保護(hù)。

　　 提供硬件抗干擾措施。

　　 提供Flash自編程功能，可以模擬用做EEROM，方便存儲(chǔ)參數(shù)。

　　主系統(tǒng)架構(gòu)采用三相全控橋，自舉升壓驅(qū)動(dòng)IC，控制地和功率地共享，采用IC內(nèi)置放大器和ADC實(shí)現(xiàn)電流電壓采樣，節(jié)省電壓/電流互感器，同時(shí)利用IC內(nèi)部集成的比較器和PWM故障檢測(cè)功能實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。

　　霍爾相序自動(dòng)測(cè)定

　　不論使用何種控制方式，都必須先知道Hall信號(hào)與轉(zhuǎn)子位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系。Hall信號(hào)每60°電角度變化一次，共有6個(gè)值，以二極三相集中繞組為示意，如圖1，圖2所示。

　　圖1中可以看到三個(gè)Hall傳感器在空間中依次相差120°電角度，轉(zhuǎn)子磁極寬度為180°，設(shè)Ha安裝在圖2的A繞組處，Hb在B繞組處，Hc在C繞組處。Hall在S極下輸出1（高阻輸出，外部上拉），N極下輸出0，則轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，Hall信號(hào)的變化順序是101，001，011，010，110，100（MSB=Hc，LSB=Ha），每個(gè)Hall狀態(tài)保持60°電角度的時(shí)間。以轉(zhuǎn)子磁勢(shì)的位置來劃分Hall區(qū)域，如圖3所示。

　　圖3 Hall信號(hào)區(qū)域的劃分

　　可以看出Hall信號(hào)區(qū)域的劃分完全是由Hall傳感器的安裝位置決定的。二二方式通電時(shí)，如AB相通電，則定子磁勢(shì)Fa的位置如圖3所示，正好在110和010區(qū)域的分界處，此時(shí)若轉(zhuǎn)子磁勢(shì)Ff在圖標(biāo)位置，則轉(zhuǎn)子將順時(shí)針轉(zhuǎn)過60°電角度，然后Hall信號(hào)的輸出變?yōu)?10，這時(shí)必須立刻使AC相通電，使Fa指向圖4所示的位置，這樣就可以帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。傳統(tǒng)的方波控制就是采用這種方式。

　　圖4 轉(zhuǎn)子位置變化后相應(yīng)定子磁勢(shì)位置

　　為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)判別Hall輸出信號(hào)與轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)的位置關(guān)系，常采用的辦法是將轉(zhuǎn)子固定在圖4的6個(gè)不同區(qū)域中，記錄下對(duì)應(yīng)的Hall信號(hào)值。在圖4中，若持續(xù)給AC相通電（電流從A流入，C流出），則Fa會(huì)停在圖標(biāo)的位置，而Ff最終也將停在Fa的位置，而這個(gè)位置正好在兩個(gè)不同的Hall信號(hào)區(qū)域之間，這樣就無法準(zhǔn)確的測(cè)出Hall輸出信號(hào)與轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

　　本方案采用的方法是三相通電，先給AB，AC相通電，如圖5所示，定子磁動(dòng)勢(shì)指向一個(gè)Hall區(qū)域的正中間，這樣轉(zhuǎn)子也將停在此位置，此時(shí)記錄下Hall的輸出。然后給AC，BC相通電，如圖6所示。

　　以此類推，接下來給BA，BC通電;BA，CA通電;CB，CA通電;AB，CB通電，分別記下相應(yīng)的Hall值。有一點(diǎn)需要注意，最初給AB，AC通電時(shí)，若此時(shí)轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)Ff的位置正好如圖7所示，則轉(zhuǎn)子將沒有力矩，無法轉(zhuǎn)到Fa的位置，出現(xiàn)死角，為了避免這種現(xiàn)象，采用正交驅(qū)動(dòng)強(qiáng)制定位，在給AB，AC相通電之前先給BC兩相通電，就可以避免。

　　正弦波控制方式

　　得知Hall輸出信號(hào)與轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)位置的關(guān)系之后，圖7中，F(xiàn)f位于圖標(biāo)的位置，方波驅(qū)動(dòng)方式下，此時(shí)若給BC相通電，則Ff將逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，為了能夠讓Ff旋轉(zhuǎn)一周，此后的通電順序是BC-AC-AB-CB-CA-BA-BC……。反之，為了讓Ff順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，通電的順序應(yīng)該是CB-CA-BA-BC-AC-AB-CB……。

　　由電機(jī)基礎(chǔ)理論可知：

　　T = K * Fa * Ff * sinθ

　　式中K為常數(shù)， Ff為定子磁動(dòng)勢(shì)， Fa為轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)， θ為定子磁動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)的夾角，明顯θ=90度時(shí)轉(zhuǎn)矩最大。方波控制以六步運(yùn)行， θ在60°到120度之間變化，因此不是恒定轉(zhuǎn)矩，正弦波控制的目的就是控制定子磁鏈方向， 盡量保持定子磁鏈方向和轉(zhuǎn)子磁鏈方向垂直。（這也就是DSP矢量控制追求的目標(biāo)——定子磁鏈定向控制）。這樣轉(zhuǎn)矩最大且恒定。

　　要想獲得上述效果，必須精確知道轉(zhuǎn)子位置，一般的做法是采用光電編碼盤，但成本較高，鑒于家電應(yīng)用對(duì)動(dòng)態(tài)性能要求不高，電機(jī)轉(zhuǎn)速不會(huì)突變，在60度電角度內(nèi)可以認(rèn)為電機(jī)勻速運(yùn)行，因此本方案采用目前無刷電機(jī)標(biāo)配的霍爾傳感器。

　　圖8中，一個(gè)360°電角度周期內(nèi)電流按照t0到t6的順序變化。因此可以在程序中作出一個(gè)360度正弦波的表，每隔60度分段，通過讀取3路霍爾的當(dāng)前值，軟件取不同的段，取出的數(shù)據(jù)和外部輸入的速度給定系數(shù)（0~1之間）相乘，然后送入PWM發(fā)生器的占空比寄存器，就可以復(fù)現(xiàn)一個(gè)完整的360度正弦波，按上述描述，不考慮電機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)，兩次讀表的間隔時(shí)間根據(jù)以下方法確定：定時(shí)器紀(jì)錄電機(jī)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過60度電角度所花費(fèi)的時(shí)間，根據(jù)上兩次60度電角度轉(zhuǎn)子所花時(shí)間來預(yù)測(cè)下一個(gè)60度電角度需要多長時(shí)間。將此時(shí)間片除以60度表的數(shù)據(jù)量，就可以得知每次取表的間隔時(shí)間。

　　圖8 三相電流示意圖

　　超前換相角處理

　　上述方案實(shí)現(xiàn)的是理想狀態(tài)下的電壓驅(qū)動(dòng)波形，只是保證電壓矢量是和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)方向基本垂直，實(shí)際上由于電機(jī)是感性負(fù)載，電機(jī)定子電流矢量滯后于定子電壓矢量，因此定子磁勢(shì)也滯后于定子電壓矢量，也就是說，如果按照上述SPWM波形驅(qū)動(dòng)電機(jī)，定子磁勢(shì)和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)夾角將小于90度，導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)矩不是最大，定子電流存在直軸分量，產(chǎn)生去磁效應(yīng)，導(dǎo)致控制器的功率因素不高，因此需要加入超前換相處理。以便定子磁勢(shì)和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)夾角盡量接近90度。

　　實(shí)現(xiàn)起來其實(shí)很簡單，只要在做正弦表時(shí)，將初始角度超前就可以了，不需要更改軟件結(jié)構(gòu)。更靈活一點(diǎn)的處理方法是給取表執(zhí)針加一個(gè)偏移量，這樣可以根據(jù)負(fù)載狀況靈活設(shè)置超前換相角。

　　如何調(diào)速

　　從上文可以看出，SPWM的調(diào)制波頻率不是隨意給出的，而是根據(jù)Hall信號(hào)的變化隨時(shí)調(diào)整的，屬于自控式變頻，如果要調(diào)節(jié)電機(jī)速度，不能更改調(diào)制正弦波頻率，而是修改調(diào)制波幅度，因此軟件中取出的正弦表值會(huì)和外部的速度給定系數(shù)相乘后再寫入PWM發(fā)生器的占空比寄存器中，調(diào)制幅度修改后，電機(jī)上的等效電壓變化，然后速度發(fā)生變化，而正弦調(diào)制波的頻率則依據(jù)轉(zhuǎn)子霍爾信號(hào)被動(dòng)調(diào)整。

　　總結(jié)

　　采用上述方案做成的控制器，實(shí)際運(yùn)行效果比用方波控制噪聲小，轉(zhuǎn)動(dòng)平滑，可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，尤其適用于家用電風(fēng)扇無刷電機(jī)控制或空調(diào)風(fēng)扇控制。

　　附：方案原理圖：

　　電風(fēng)扇電機(jī)好壞判斷方法

　　五根線是三檔調(diào)速電機(jī)，很難測(cè)，五根線兩兩一對(duì)分別測(cè)，首先保證都是通路，并且五根線也不對(duì)地短路，找出最大阻值的兩根，這兩根分別是啟動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)，然后在這兩根之間接上一個(gè)電容，再從這兩根線里面任意選一根和剩下三根里面的任意一根，通上電，看轉(zhuǎn)向，如果轉(zhuǎn)向?qū)α?，那么證明接電容同時(shí)接電的那根是運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向不對(duì)，就是另一根是運(yùn)轉(zhuǎn)。這時(shí)已經(jīng)知道啟動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)是哪根了，剩下三根都是公共端，分別對(duì)應(yīng)不同檔位，接著通電試吧。

　　理論上說，公共端和運(yùn)轉(zhuǎn)之間的電阻加上公共端和啟動(dòng)的電阻等于啟動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)之間的電阻。運(yùn)轉(zhuǎn)和公共端電阻大于啟動(dòng)和公共端電阻。

　　紅-黑為主組，紅白藍(lán)黃合并為副繞組，（串聯(lián)L型抽頭式調(diào)速）

　　阻值：紅黑略小于紅黃，黑黃=紅黑+紅黃，紅黃=紅白+白藍(lán)+藍(lán)黃，紅白=白藍(lán)。

　　如何檢測(cè)電風(fēng)扇電機(jī)好壞：

　　1.你先檢查電源線是否通電。（更換電源線）

　　2.用手?jǐn)Q一下電機(jī)轉(zhuǎn)子軸是否活動(dòng)。（加點(diǎn)潤滑油）

　　3.用萬用表測(cè)量一下定時(shí)器及檔位開關(guān)是否通電，有些是裝有保險(xiǎn)管的。（更換這些零件）

　　4.用萬用表測(cè)量一下電機(jī)的引入主線和檔位線是否相通。（重新繞組或更換電機(jī)）

　　5.檢查一下線圈是否變色。燒壞。（重新繞組或更換電機(jī)）補(bǔ)充一點(diǎn)，是不是電容壞了。要想知道電容是否壞了，可以在電扇通電的情況下，撥動(dòng)扇葉（要注意安全，安全起見用根筷子就行），如果能轉(zhuǎn)起來，電容肯定壞了，可以去家電維修部配一個(gè)同型號(hào)的換上。