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风机油烟机永磁同步电机控制器设计方案

来源：

2025-02-28

类别：工业控制

拍明芯城

一、引言

随着现代家电产品智能化的不断发展，风机和油烟机作为厨房电器中的重要部分，其使用的电机类型逐渐向高效能、低噪声、高稳定性的永磁同步电机（PMSM）过渡。永磁同步电机具有高效、稳定、噪声小、调速范围广等优势，因而越来越多地应用于风机和油烟机的驱动系统中。

为了实现对永磁同步电机的精确控制，需要设计一款高效的控制器，通常使用的是基于数字信号处理器（DSP）或微控制器（MCU）和相应驱动芯片的控制方案。本文将详细阐述基于PMSM的油烟机风机控制器设计方案。

二、控制系统设计原理

1. 系统总体框架

风机油烟机的控制系统主要包括三部分：信号采集、控制算法、电机驱动。

信号采集部分：采集电机的状态信息（如转速、位置、相电流等），常用传感器包括霍尔传感器或编码器。
控制算法部分：根据采集的数据，运用常见的控制算法（如FOC：场定向控制，或者SVM：空间矢量调制）来调节电机的运行状态。
电机驱动部分：根据控制算法的输出，驱动电机的三相电流，以实现对电机的精确控制。

2. 选择控制方式

永磁同步电机的常见控制方式有两种：FOC（Field Oriented Control）和直接转矩控制（DTC）。

FOC：它通过变换坐标系，将电机的控制转化为直流电机的控制问题，因此可以实现较为精确的控制。
DTC：它直接控制电机的转矩和磁场，从而能更快速地响应负载变化，但计算量较大。

在风机油烟机的应用中，考虑到实时性和电路复杂度，通常选用FOC控制方法。

三、系统方案及关键器件选择

1. 主控芯片（MCU/DSP）

推荐型号：STM32F407 或 TMS320F28069
作用：主控芯片负责处理传感器输入数据，运行控制算法，并输出PWM信号控制电机驱动。
为什么选择：
功能：

负责接收外部传感器（如霍尔传感器或编码器）的反馈信号。
执行FOC控制算法，实时调整电机的转速和转矩。
输出PWM信号给电机驱动部分。
STM32F407：具有高性能的ARM Cortex-M4核心，拥有丰富的外设接口，适合电机控制应用。并且其具有高频率的定时器，能够精确控制PWM输出，满足FOC控制的需求。
TMS320F28069：基于C2000系列的DSP，专为电机控制设计，内置高效的PWM、ADC等模块，能够处理复杂的电机控制算法。

2. 电流传感器

推荐型号：ACS712 或 INA226
作用：用于测量电机的相电流，反馈给主控芯片，用于调整PWM输出和实现闭环控制。
为什么选择：
功能：

反馈电机相电流，协助主控芯片实时调整电流，保持电机在稳定状态。
ACS712：采用霍尔效应传感器，能够精确测量直流电流和交流电流，且具有较好的抗干扰能力。
INA226：这是一款高精度的电流/电压传感器，具有内置的模拟数字转换器（ADC），可以实现高精度的电流采集。

3. 绝对编码器/霍尔传感器

推荐型号：AMS AS5048A 或 Honeywell SS460S
作用：用于反馈电机的转子位置，主控芯片依据此信息实现FOC控制算法中的磁场定向。
为什么选择：
功能：

通过检测转子的角度，反馈电机的位置信息，帮助主控芯片计算磁场方向。
AMS AS5048A：该编码器具有高精度，能够提供多达14位的分辨率，适合高性能电机控制。
Honeywell SS460S：霍尔传感器广泛应用于永磁同步电机，简单可靠且成本低。

4. 电机驱动芯片

推荐型号：IR2130 或 DRV8305
作用：电机驱动芯片用于将主控芯片输出的PWM信号转换为三相电流，驱动永磁同步电机。
为什么选择：
功能：

根据主控芯片输出的PWM信号，控制三相电流的开关，从而控制电机的旋转。
IR2130：具备全桥驱动功能，支持三相电机驱动，具有较高的工作电压和电流承载能力。
DRV8305：这是一个集成了保护电路和高效驱动能力的电机驱动芯片，适用于需要高精度和高效率的电机控制。

5. 功率MOSFET

推荐型号：IRLZ44N 或 STP55NF06L
作用：用于实现电机的功率转换，通过驱动芯片控制电流的流动，给电机提供所需的动力。
为什么选择：
功能：

在电机驱动芯片的控制下，切换电流，控制电机的供电状态。
IRLZ44N：这是一个高效能的N沟MOSFET，具有低导通电阻，适合高电流应用。
STP55NF06L：具有较高的电流承载能力和较低的导通电阻，适用于功率较大的电机驱动。

6. 直流电源模块

推荐型号：LM2596-5.0
作用：提供电控电路所需的稳定电源。
为什么选择：
功能：

提供电源给控制系统和传感器。
LM2596-5.0：这款DC-DC降压转换器可以提供稳定的5V电压，适合为控制电路提供电源。

四、电路框图

下图展示了基于STM32控制器的PMSM风机油烟机控制器电路框图：

+---------------------+          +--------------------+
|  电源模块           |----------|  主控芯片（STM32F407）|
|  LM2596-5.0         |          |  (FOC控制算法)      |
+---------------------+          +--------------------+
                                        |
                                        |
                                       / 
                                  +---/   ---+
                                  | 电流传感器 |
                                  | ACS712/INA226 |
                                  +-------------+
                                       |
                                  +----+----+
                                  |  编码器  |
                                  | AMS AS5048A |
                                  +-----------+
                                       |
                                       |
                              +------------------+
                              | 电机驱动芯片      |
                              | IR2130/DRV8305    |
                              +------------------+
                                       |
                             +-------------------+
                             |  电机              |
                             |  PMSM             |
                             +-------------------+