一、 概述
     目前家电领域节能概念越来越重视，比如空调提出了能效比国家强制标准，虽然空调能耗主要在压缩机部分，风扇消耗很小，但在成本提高有限的基础上采用正弦波变频控制来提高室内风扇和室外风扇的运行效率，许多空调厂家乐意接受，更重要的是，采用正弦波控制谐波小，运行平稳，可无极调速，噪声低，这些原因都导致变频风扇逐渐成为未来发展趋势.
     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，使其结构比一般传统的交、直流电动机来得简单，运行可靠，维护简单。与鼠笼型感应电动机相比较，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，其效率比同规格的用交流电机高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，比如风扇，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.

 二、 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--SH79F168，此MCU采用优化的单机器周期8051内核，内置16k Flash存储器，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 x 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，比如PC指针溢出复位等.
 提供Flash自编程功能，可以模拟用做EEROM，方便存储参数.
 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.

 2. 功率电路器件选型
 功率电路采用Fairchild智能功率模块FSBS15CH60，优点如下:
 集成六IGBT功率管体积小，节省pcb面积;
 集成IGBT驱动电路，mcu可直接和SPM相连，无需光耦，而且可以直接采用MCU内置的放大器和ADC实现电流电压采样，无需隔离，节省电压/电流互感器.
 只需外接二级管即可实现自举升压，因此6个IGBT功率管驱动可共用一路电源，比传统方案节省3路隔离电源.
 

  三、 原理框图
 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.

 
图2 控制部分结构图

 率部分采用智能功率模块，可用MCU输出信号直接控制，PCB Layout时需注意snubber电容要尽量靠近SPM，减小引线电感，同时自举升压二极管需选用高耐压快恢复二极管.

 
图3  功率部分结构图

 四、 霍尔相序自动测定
 了实现自动判别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度电角度，保证保证读到的霍尔值的准确性。
五、 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，图5中，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度电角度，牵引Ff顺时针旋转60度，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

 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，明显θ=90度时转矩最大.方波控制以六步运行， θ在60°到120度之间变化，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度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度电角度，霍尔传感器有六种输出，在程式中作出一个360度正弦波的表，每隔60度分段，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度正弦波，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.
六、 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度，导致电机转矩不是最大，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度.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，不需要更改软件结构.
七、 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，电机上的等效电压变化，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.
八、 总结
采用上述方案做成的控制器，实际运行效果比用方波控制噪声小，转动平滑，
可实现无级调速，测试最高转速，空载电流，额定负载电流，电流谐波失真，功率因素等.均达到设计要求.
本方案采用很低的成本实现永磁同步电机的正弦波变频控制，价格优势明显，缺点在于无法根据负载动态变化实现快速调整，但对于家电小功率应用，如空调室内外风机控制，家用电风扇无刷电机控制等，此缺点可以忽略.