吊顶风扇最早于19世纪六七十年代在美国出现，之后在市场上经历了一系列的兴衰。随着半导体元器件的飞速发展以及电机本体制造技术和工艺的提高，如今吊顶风扇变得越来越流行。出于成本、性能和效率的考虑，外转子类型的BLDC被广泛的应用于吊顶风扇，这种风扇的扇叶与转子的外壳连接，内部静止的定子轴与天花板通过机械装置固定。

吊顶风扇的主要功用是加强空气流通。夏天将其设置为向下吹风，这样可以加快人体表皮汗液蒸发的速度，从而使人感到凉快；冬天将其设置为向上吹风并运行在一个较低的转速，这样可以加强室内空气循环，使得冷空气靠近天花板而热空气靠近地板，同时较低的转速下人体不会有寒冷的感觉。这要求风扇能够在两个方向上较宽的转速范围内运行。有些特定场合需要空气流通循环，比如大型图书馆内会安装很多个吊顶风扇，这就要求一个风扇在受到其他风扇影响而自由旋转时也能正常启动。此外，效率对于吊顶风扇是很重要的因素，因为其应用场合决定其比较长的运行时间。采用高功率密度比的BLDC以及矢量控制技术可以大幅度提升效率并减小运行噪声。采用低成本高性能的MC56F8006作为主控芯片，结合无位置传感器技术可进一步降低成本并提高系统可靠性。

MC56F8006是飞思卡尔DSC系列中一款高性价比的芯片，已被用来实现了BLDC吊顶风扇无位置传感器矢量控制系统。

由MC56F8006实现的吊顶风扇系统设计目标如下：

1.实现直轴电流Id=0的控制策略，所有电流用于产生电磁转矩，从而得到高效率，最大转速下系统功耗不超过40W。三相正弦电流波形可产生平滑的电磁转矩，从而有效减低噪声；

2.实现-190RPM~190RPM连续无极调速，符号代表转向，最低转速+/-30RPM（4对极）；

3.尽量增大转速的动态响应；

4.运行在最高转速时，若交流输入电压掉电小于2秒，系统可连续正常工作；

5.扇叶由于惯性继续旋转时或者由于微风导致其旋转时，亦可正常启动风扇至所需转速；

6.实现电机所消耗功率的实时计算，以便工作在Power-limit模式，从而不超过用户期望的最大功耗；

7.实现过压、欠压、过流以及扇叶堵转保护功能，从而提高系统的安全性。

3 原理介绍

3.1 控制策略

整体控制策略如图1所示。利用单相不控整流得到直流母线电压，接着用三相逆变桥来驱动BLDC电机。相电流采样电阻与桥臂下管串联，母线电压由电阻分压取得。三相相电流和母线电压用ADC模块采样转换，用于实现矢量控制。三相相电流通过Clarke变换得到两相静止坐标系下的两相电流，再通过Park变换得到两相旋转坐标系下的直轴电流Id和交轴电流Iq。两个电流内环用于调节Id和Iq，并得到最终得到直轴电压Ud和交轴电压Uq。Ud和Uq通过反Park变换得到两相静止坐标系下的两相电压U_alpha和U_beta。此时需要利用当前母线电压值对U_alpha和U_beta进行补偿，因为母线电压并不是恒定而是有纹波的。

图1 吊顶风扇矢量控制示意图

补偿之后的U_alpha和U_beta可直接用于SVPWM模块的输入，从而得到三相占空比。由于Iq与电磁转矩成正比，故速度控制器的输出可作为Iq的给定。转子上的永磁体已提供了励磁，故Id给定为0。产品的调试阶段可以用FreeMASTER经过SCI接口与系统连接，给出一系列指令，包括期望转速。FreeMASTER可以实现类似虚拟示波器的功能，观察程序中所有全局变量，并可以实时改变其值，详情请见www.freescale.com/freemaster。

矢量控制中需要知道转子d轴与A相绕组轴线之间的夹角，从而实现三相静止坐标系和两相旋转坐标系之间的转换。这里PWM频率为16KHz，每两个PWM周期计算一次电流环，故每125us需要更新一次转子位置。由于没有位置传感器，这里基于电机模型使用电流状态观测器（Observer）得到准同步旋转坐标系 下 轴和 轴的扩展反电动势EBEMF（Extended Back Electro-Motive force）。这个EBEMF中含有 轴和转子d轴之间的角度差 信息，如图2所示。

图2 估算的 坐标系和真实 旋转坐标系

构造一个Luenberger类型的状态观测器来观测 的电流可以得到EBEMF信息，如图3所示。得到 之后，用一个跟踪观测器（Tracking Observer）将 向0逼近，这样 轴和真实dq轴将无限逼近，最终可得到实际的转子位置和转速，如图4所示。

图3 用于得到位置误差信息的Luenberger类型状态观测器

图4 利用状态观测器和跟踪观测器得到转子实际位置和转速

由于观测器实际上利用了反电动势来估算转子位置和转速，那么当电机转速很低时由转子永磁体产生的反电动势将很小，这时观测器观测到的EBEMF将参杂许多噪声，导致最后估算的转子位置和转速信息并不可靠。必须通过构造一个缓慢旋转的电流矢量将转子拉至某个观测器能可靠工作的同步转速，在这个过程中，转速开环。本系统中，一个4对极的BLDC风扇在转速到达30RPM时，观测器已能可靠工作，因此当风扇被开环拉至30RPM时，用观测的位置 进行Park和反Park变换，并将转速闭环。

风扇由静止开始启动时如果不知道转子的位置，那么启动转矩可能很小或者甚至是与期望相反方向的转矩，最终导致启动时风扇叶片可能抖动或者先反转然后再回到期望的旋转方向。为了解决这个问题就必须检测转子初始位置以得到最大的启动转矩，这样还可以缩短转速开环运行的时间以便尽快进入转速闭环。

这里利用定子铁心的B-H特性，定子铁心上某相绕组中链过的转子永磁体产生的磁链大小不同，其铁心的饱和程度不同，绕组的电感值也就不同，因此定子绕组的电感值随转子位置的不同而有差异。对不同电感值的绕组通入持续时间相同，大小相同的电压脉冲，产生的电流脉冲峰值会有差异，利用这种差异可以得到转子初始位置。使用六个基础电压矢量产生六个电压脉冲，通过AD采样对应电流脉冲的峰值可以得到分辨率为30度电角度的转子初始位置^[1]。

以下几种情形启动风扇时，风扇可能在旋转：

1.       风扇安装在非封闭的空间内，在外界微风吹动下自由旋转；

2.       几个风扇同时安装在一个大厅内，风扇启动的顺序不同，后启动的风扇在先启动的风扇的影响下自由旋转；

3.       风扇高速旋转时人为将其关闭，这时风扇在惯性下自由旋转。

这里的应对策略是启动风扇时，先将逆变桥的三个下管同时打开，并检测三相电流，对其做Clarke变换以取得两相静止坐标系下电流的大小，并进一步得到电流矢量的长度。判断该电流矢量的长度，若小于某设定值则认为风扇处于静止状态，否则保持下管同时导通的状态，电机处于发电机状态，此时机械能将转换为热能消耗在定子绕组上，定子绕组上的电流将逐渐减小，直到该电流矢量的长度小于设定值，若在20秒内电流矢量的长度没有减小至预设值，说明外界风力很大，风扇将不启动且给出错误信号（外界风力大时空气已经流通了，不需要使用风扇）。图5给出了启动时令转子停下的流程图。

图5  启动时判断风扇是否静止（并使其静止）的流程

启动时可能发生以下三种情形：

1.风扇已经是静止状态；

图5中经过的状态是：“1 -> 2-> 3”

2.风扇由于外界的风力或者惯性在自由旋转，并且在20秒内无法停下；

图5中经过的状态是：“1 -> 2 -> 4 -> 5 ->7”。一个错误标志会置起，PWM输出被封锁。这种情形下风扇无法启动。

3.风扇由于外界的风力或者惯性在自由旋转，20秒内可以停下。

图5中经过的状态是：“1 -> 2 -> 4 -> 6 -> 8 -> 9”

当风扇运行在高转速时，若整流器的输入交流（AC）电压短时掉电，逆变桥母线电容上的直流电压将很快下降至无法维持系统工作的程度，若把这种情形当做母线欠压处理，比如由于AC输入掉电，母线电压低至200v时认为母线欠压，把PWM输出封锁，风扇将在惯性下慢慢停下。假设AC输入在2秒后又恢复至正常值，母线电压于是同时恢复，为了顺畅的启动风扇，会经历图5中“1 -> 2 -> 4 -> 6 -> 8 -> 9”的状态，即先把风扇强制拉停再启动。这种处理方法导致即使是短时间的AC输入掉电，风扇也会先停下再启动。

本系统采用另一种方法，可以保证AC输入短时间掉电时风扇不会停下再启动，而是掉电时减速，AC输入恢复时直接由速度环控制转速恢复至设定值。具体做法是在AC掉电时令电机运行在发电机模式，并断开速度环，这样母线电容可以被充电，母线电压不会在短时间内掉太多，代价是风扇会减速；AC输入恢复时接上速度环，这样电机可以自动恢复至电动机模式。若AC输入不恢复，那么母线电压还是会降低至欠压值，此时系统会报欠压故障。

吊顶风扇的硬件平台非常简洁，如图6所示。

图6 BLDC吊顶风扇硬件模块

电源部分，使用220v交流电压供电，由不控整流桥和母线电容得到约311v的母线电压。该电压再通过DC/DC变换器得到15v给逆变桥驱动器使用，15v通过regulator得到3.3v，给56F8006芯片和电流信号放大电路使用。信号调理部分，母线电压直接由电阻分压接入56F8006的ADC1通道，电流信号经采样电阻转换为电压再由差分放大电路引入偏置并放大，接入ADC0与ADC1的通道。逆变桥采用IPM，故只需将PWM模块的六个输出端与其连接，并将IPM的故障输出信号与PWM模块的Fault0引脚连接以便从硬件上直接响应过流故障而无需cpu干预。在系统的调试阶段，使用PC与硬件平台通过隔离的串口通信，在FreeMASTER的辅助下可以实现虚拟示波器的功能，并可实时改变任意全局变量的值，从而极大的提高调试效率并检测系统的运行状态，系统调试完毕后，量产时这部分可以省去。

图7和图8是系统硬件平台的实照，使用的是飞思卡尔高压电机通用调速平台。

图7 五叶片BLDC吊顶风扇

图8 控制硬件平台

5 软件介绍

5.1 状态机

本系统采用16KHz的PWM，每两个PWM周期执行一次电流环，每1ms执行一次速度环。PWM模块触发ADC进行相电流和母线电压采样，电流环以及速度环都在ADC的中断函数内执行。结合CodeWarrior开发环境和专门为DSC系列使用的Quick Start插件可以快速高效的构建一个基于DSC的矢量控制软件架构^[2]。

整个控制策略由一个状态机实现，这样容易实现功能的增减并提高易读性。图9展示了状态机的组成。一共有7个状态：

图9 系统状态机

Fault：错误状态，过压过流以及欠压时进入这个状态。系统上电后即进入这个状态，判断是否过流，若没有则进入“Init”状态；

Init:：初始化状态。在这个状态里初始化所有必要的全局变量的值。这个状态结束后进入“Calib”状态；

Calib：ADC通道校正状态。这个状态里PWM输出关闭，相电流采样电阻上电流为零，所有电流采样通道都会转换多次以得到可靠的偏置值；

Stop：停止状态。当控制变量“pwmEnable”为DISABLE时系统停留在这个状态，PWM输出被封锁。当“pwmEnable”设置为ENABLE时，会在风扇真正停止后进入“PosDet”状态；

PosDet：转子初始位置检测状态。

Start：这是“PosDet”这“Run”之间的一个过渡状态，目前只是仅仅delay 6.25ms，用户可以灵活的增加其他功能；

Run：运行状态。

上电后程序流程如图10所示：

图10 程序初始化以及while(1)循环

状态机在ADC中断内实现，流程如图11所示：

图11 ADC中断流程

请参见图1和图6。

请参见图7和图8。

启动时三相电流波形如图12所示。

图12 启动时三相电流波形

顺时针旋转190RPM时三相电流波形如图13所示。

图13 三相电流波形@190RPM，顺时针

逆时针旋转190RPM时三相电流波形如图14所示。

图14 三相电流波形@190RPM，逆时针

使用BLDC作为吊顶风扇的驱动电机，同时采用飞思卡尔高性价比的56F8006控制芯片实现无位置传感器的矢量控制算法可以取得低成本、高效率、宽调速范围以及灵活的控制目的。56F8006是飞思卡尔数字信号控制器（DSC）系列中一款低成本的产品，其使用了56800E的CPU核，结合了MCU和DSP的优势，具有强大的计算能力和控制能力，非常适用于对成本有要求的电机控制场合。

1.pdf

2.pdf

硬件平台原理图见 

参考文献：

[1]. Wook-Jin Lee, Student Member, IEEE, and Seung-Ki Sul, Fellow, IEEE, “A New Starting Method of BLDC Motors Without Position Sensor”

[2]. Xuwei Zhou, Application Engineer,Freescale, ”How to Build an FOC Code Structure Based on the 56F8006 Using a Quick-Start Tool” , AN4490