风扇电机的设计方案_判断风扇电机好坏的方法

　　电机风扇是一种具有风扇毂和叶片的电机，沿风扇毂外圆周并有均匀分布的槽，叶片插在槽中，经焊接、粘接等永久性联接方法使叶片与风扇毂成为一体。电机风扇的整体平衡性好，可节省调整平衡所需工时，重量比螺栓联接式风扇减轻30%以上。采用本实用新型的电机运行时的振动和噪声均有所降低。

　　尽管电机风扇有很高的可靠性，但它仍然是机械器件，在长时间使用时，其速度可能会下降甚至停转，所以最好对风扇的运行状态进行实时监测，便于及时发现问题。利用报警传感器可在风扇速度低于某个门限值时给出报警信号，而速度信号输出则可实现风扇速度的实时监控。　从风扇电路输出的报警信号有“高电平”和“低电平”两种状态，两种电平所代表的意义一般按照正逻辑体制，高电平表示“故障”，“低电平”表示“正常”。从风扇电路输出的转速信号通常为脉冲形式，每个波头表示风扇转过一圈，这样的信号可直接通过数据总线提供给主机进行显示。某些风扇输出的转速信号并不是风扇的真实转速，而是转速的倍数，譬如每转一圈产生2个、4个或6个脉冲，必须经过处理才能形成反映风扇的真实转速信号。如欲辨别风扇转速是真实转速还是某个倍数，可使用转速表测量实际转速，然后与显示的数据进行比较。　风扇的测速信号一般从三引线插头输出，三根引线中黄色和黑色分别为+12V电源和接地，另外一种颜色的线则是转速信号输出线。应该注意的是，某些三引线风扇的第三根引线并不是测速信号输出线，而是转速控制信号线，通过它向风扇电机输入调速控制信号。

　　家用风扇电机的设计方案

　　无刷直流电机因无励磁绕组，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，运行较为可靠，维护较为简单。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。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电流励磁的电机高10%~20%;和感应电动机相比，效率更高。

　　无刷直流电机一般采用方波驱动，采用霍尔传感器获得转子位置，通过此信号强制换相。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，因此噪声指标差，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。

　　通常永磁同步电机http://bbsic.big-bit.com/的控制都采用DSP，并且电机需要提供光电编码盘来精确检测转子位置，可以实现高精度控制，甚至可用在伺服系统中，但成本会很高，家电应用对价格非常敏感，而且有些应用对性能要求不高，比如电风扇，传统的DSP矢量控制正弦驱动高成本方案也比较难推广。因此本文提出的采用8位单片机集成PWM发生器的正弦驱动方案有较高的市场价值。

　　一般正弦驱动直流无刷电机的气隙磁场是正弦波（也称为永磁同步电机）或是正弦波注入高次谐波后的磁场波形，定子多采用分布绕组，因此反电动势也是正弦波。三路霍尔传感器安装在转子上，每隔60°电角度输出变化一次，以此作为正弦波的同步信号，保证没有累积误差。

　　硬件结构

　　本方案的核心是一颗集成PWM发生器的8位单片机SH79F168，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，采用JTAG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，输出极性可设，中心和边沿对齐模式

　　 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。

　　 提供Flash自编程功能，可以模拟用做EEROM，方便存储参数。

　　主系统架构采用三相全控桥，自举升压驱动IC，控制地和功率地共享，采用IC内置放大器和ADC实现电流电压采样，节省电压/电流互感器，同时利用IC内部集成的比较器和PWM故障检测功能实现过流保护。

　　霍尔相序自动测定

　　不论使用何种控制方式，都必须先知道Hall信号与转子位置的对应关系。Hall信号每60°电角度变化一次，共有6个值，以二极三相集中绕组为示意，如图1，图2所示。

　　图1中可以看到三个Hall传感器在空间中依次相差120°电角度，转子磁极宽度为180°，设Ha安装在图2的A绕组处，Hb在B绕组处，Hc在C绕组处。Hall在S极下输出1（高阻输出，外部上拉），N极下输出0，则转子顺时针旋转时，Hall信号的变化顺序是101，001，011，010，110，100（MSB=Hc，LSB=Ha），每个Hall状态保持60°电角度的时间。以转子磁势的位置来划分Hall区域，如图3所示。

　　图3 Hall信号区域的划分

　　可以看出Hall信号区域的划分完全是由Hall传感器的安装位置决定的。二二方式通电时，如AB相通电，则定子磁势Fa的位置如图3所示，正好在110和010区域的分界处，此时若转子磁势Ff在图标位置，则转子将顺时针转过60°电角度，然后Hall信号的输出变为010，这时必须立刻使AC相通电，使Fa指向图4所示的位置，这样就可以带动转子转动。传统的方波控制就是采用这种方式。

　　图4 转子位置变化后相应定子磁势位置

　　为了实现自动判别Hall输出信号与转子磁动势的位置关系，常采用的办法是将转子固定在图4的6个不同区域中，记录下对应的Hall信号值。在图4中，若持续给AC相通电（电流从A流入，C流出），则Fa会停在图标的位置，而Ff最终也将停在Fa的位置，而这个位置正好在两个不同的Hall信号区域之间，这样就无法准确的测出Hall输出信号与转子磁动势位置的对应关系。

　　本方案采用的方法是三相通电，先给AB，AC相通电，如图5所示，定子磁动势指向一个Hall区域的正中间，这样转子也将停在此位置，此时记录下Hall的输出。然后给AC，BC相通电，如图6所示。

　　以此类推，接下来给BA，BC通电;BA，CA通电;CB，CA通电;AB，CB通电，分别记下相应的Hall值。有一点需要注意，最初给AB，AC通电时，若此时转子磁动势Ff的位置正好如图7所示，则转子将没有力矩，无法转到Fa的位置，出现死角，为了避免这种现象，采用正交驱动强制定位，在给AB，AC相通电之前先给BC两相通电，就可以避免。

　　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，图7中，Ff位于图标的位置，方波驱动方式下，此时若给BC相通电，则Ff将逆时针旋转，为了能够让Ff旋转一周，此后的通电顺序是BC-AC-AB-CB-CA-BA-BC……。反之，为了让Ff顺时针旋转，通电的顺序应该是CB-CA-BA-BC-AC-AB-CB……。

　　由电机基础理论可知：

　　T = K * Fa * Ff * sinθ

　　式中K为常数， Ff为定子磁动势， 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。

　　要想获得上述效果，必须精确知道转子位置，一般的做法是采用光电编码盘，但成本较高，鉴于家电应用对动态性能要求不高，电机转速不会突变，在60度电角度内可以认为电机匀速运行，因此本方案采用目前无刷电机标配的霍尔传感器。

　　图8中，一个360°电角度周期内电流按照t0到t6的顺序变化。因此可以在程序中作出一个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，取出的数据和外部输入的速度给定系数（0~1之间）相乘，然后送入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，按上述描述，不考虑电机的瞬态响应，两次读表的间隔时间根据以下方法确定：定时器纪录电机转子每转过60度电角度所花费的时间，根据上两次60度电角度转子所花时间来预测下一个60度电角度需要多长时间。将此时间片除以60度表的数据量，就可以得知每次取表的间隔时间。

　　图8 三相电流示意图

　　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。

　　实现起来其实很简单，只要在做正弦表时，将初始角度超前就可以了，不需要更改软件结构。更灵活一点的处理方法是给取表执针加一个偏移量，这样可以根据负载状况灵活设置超前换相角。

　　如何调速

　　从上文可以看出，SPWM的调制波频率不是随意给出的，而是根据Hall信号的变化随时调整的，属于自控式变频，如果要调节电机速度，不能更改调制正弦波频率，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，然后速度发生变化，而正弦调制波的频率则依据转子霍尔信号被动调整。

　　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，尤其适用于家用电风扇无刷电机控制或空调风扇控制。

　　附：方案原理图：

　　电风扇电机好坏判断方法

　　五根线是三档调速电机，很难测，五根线两两一对分别测，首先保证都是通路，并且五根线也不对地短路，找出最大阻值的两根，这两根分别是启动和运转，然后在这两根之间接上一个电容，再从这两根线里面任意选一根和剩下三根里面的任意一根，通上电，看转向，如果转向对了，那么证明接电容同时接电的那根是运转，转向不对，就是另一根是运转。这时已经知道启动和运转是哪根了，剩下三根都是公共端，分别对应不同档位，接着通电试吧。

　　理论上说，公共端和运转之间的电阻加上公共端和启动的电阻等于启动和运转之间的电阻。运转和公共端电阻大于启动和公共端电阻。

　　红-黑为主组，红白蓝黄合并为副绕组，（串联L型抽头式调速）

　　阻值：红黑略小于红黄，黑黄=红黑+红黄，红黄=红白+白蓝+蓝黄，红白=白蓝。

　　如何检测电风扇电机好坏：

　　1.你先检查电源线是否通电。（更换电源线）

　　2.用手拧一下电机转子轴是否活动。（加点润滑油）

　　3.用万用表测量一下定时器及档位开关是否通电，有些是装有保险管的。（更换这些零件）

　　4.用万用表测量一下电机的引入主线和档位线是否相通。（重新绕组或更换电机）

　　5.检查一下线圈是否变色。烧坏。（重新绕组或更换电机）补充一点，是不是电容坏了。要想知道电容是否坏了，可以在电扇通电的情况下，拨动扇叶（要注意安全，安全起见用根筷子就行），如果能转起来，电容肯定坏了，可以去家电维修部配一个同型号的换上。