波輪洗衣機(jī)用永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)

黃騰云，姜淑忠，李小海

(上海交通大學(xué)，上海200030)

0引 言

現(xiàn)有的波輪洗衣機(jī)主要用單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電動(dòng)機(jī)和單相串勵(lì)換向器電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，運(yùn)行效率低，洗滌、脫水轉(zhuǎn)速不可調(diào)或調(diào)速效率低，噪聲大，不能滿足高效率、低噪聲以及不同面料衣服的洗滌需求［1］。

永磁同步電動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱PMSM)與單相異步電動(dòng)機(jī)相比具有功率密度大、效率高、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，因此PMSM越來(lái)越多地用于波輪洗衣機(jī)。由文獻(xiàn)［2］可知，為了產(chǎn)生平滑的轉(zhuǎn)矩以及減小電磁噪聲，需要使相電流與反電動(dòng)勢(shì)同相位。對(duì)傳統(tǒng)的開(kāi)環(huán)的調(diào)頻調(diào)壓 SPWM控制算法，由逆變器供給PMSM的相電壓為與反電動(dòng)勢(shì)同相位的正弦波。由于PMSM為感性負(fù)載，相電流會(huì)滯后于相電壓，無(wú)法保持定子電流綜合向量超前轉(zhuǎn)子磁極90°電角度，因而傳統(tǒng)的SPWM較難取得平滑電磁轉(zhuǎn)矩。而轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制通過(guò)矢量變換將定子電流由靜止的三相坐標(biāo)系的iA、iB、iC變換為與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)的兩相坐標(biāo)系的勵(lì)磁分量id和轉(zhuǎn)矩分量iq，這樣就可以保證定子電流的轉(zhuǎn)矩分量超前轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)90°，取得平滑的電磁轉(zhuǎn)矩。

本文針對(duì)波輪洗衣機(jī)的負(fù)載特性，設(shè)計(jì)了一種波輪洗衣機(jī)用PMSM矢量控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用3個(gè)霍爾元件作為轉(zhuǎn)子位置傳感器，采用2個(gè)下橋臂采樣電阻檢測(cè)相電流，成本低、效率高、噪聲低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以很好地滿足波輪洗衣機(jī)在洗滌和脫水狀態(tài)下的要求，具有很好的推廣價(jià)值。

1 PMSM的矢量控制

矢量控制是以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)為準(zhǔn)則，將三相坐標(biāo)系上的定子交流電流 iA、iB、iC通過(guò)Clarke變換等效成兩相靜止坐標(biāo)系上的交流電流iα和iβ，再通過(guò)Park變換等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的直流電流id和iq［3］。轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制是使同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸與轉(zhuǎn)子磁鏈ψr保持一致［4］，其中磁鏈方程:

電壓方程:

電磁轉(zhuǎn)矩方程:

對(duì)成本有嚴(yán)格要求的波輪洗衣機(jī)采用的是外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、磁鋼為表貼的永磁同步電動(dòng)機(jī)。因此式(3)可以簡(jiǎn)化:

式中:ψd、ψq、ud、uq、id、iq、Ld、Lq分別為 d-q 軸磁鏈、電壓、電流和電感;ψf為永磁體轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁鏈。

波輪洗衣機(jī)在洗滌狀態(tài)，根據(jù)不同的洗衣程序可選擇的轉(zhuǎn)速范圍為200～800 r/min，經(jīng)過(guò)減速比為6．5的機(jī)械機(jī)構(gòu)帶動(dòng)波輪旋轉(zhuǎn)。在脫水狀態(tài)有300 r/min、500 r/min、700 r/min、900 r/min 四種轉(zhuǎn)速可選擇，直接帶動(dòng)外筒旋轉(zhuǎn)。根據(jù)波輪洗衣機(jī)的運(yùn)行特性，本文采用的矢量控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 PMSM矢量控制框圖

波輪洗衣機(jī)在洗滌及脫水狀態(tài)下，PMSM的運(yùn)行轉(zhuǎn)速均小于額定轉(zhuǎn)速，可知PMSM工作在恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行區(qū)，因此可以采用id=0的矢量控制方式。由式(4)可知，在該種控制方式下，可以獲得最高的轉(zhuǎn)矩/電流的比值，電動(dòng)機(jī)的銅耗也最小。并且通過(guò)磁場(chǎng)定向，達(dá)到了類似他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)通過(guò)控制電樞電流直接控制轉(zhuǎn)矩的目的，這樣通過(guò)控制iq就可以直接控制電磁轉(zhuǎn)矩［5］。

2轉(zhuǎn)子位置估算

PMSM轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制需要有準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子磁極的位置，這樣才能將定子電流矢量變換到沿轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的d-q軸，這是磁場(chǎng)定向控制的關(guān)鍵所在［6］。為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的磁場(chǎng)定向，因此需要高分辨率的轉(zhuǎn)子位置傳感器，例如光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器等。但是這類傳感器使得系統(tǒng)成本增加，并且易受高溫、高濕等惡劣環(huán)境的影響。為此很多文獻(xiàn)提出了無(wú)傳感器的轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)方法，但這些算法在起動(dòng)和低速時(shí)容易出問(wèn)題，不適合洗衣機(jī)的負(fù)載特性要求。霍爾傳感器具有價(jià)格便宜、運(yùn)行可靠的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于PMSM控制系統(tǒng)［7］。洗衣機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)轉(zhuǎn)子位置分辨率要求不高，但對(duì)成本有苛刻要求，因此霍爾傳感器廣泛應(yīng)用于家用洗衣機(jī)中。

本系統(tǒng)采用3個(gè)鎖存型霍爾提供轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，三個(gè)霍爾元件的安裝位置兩兩互差120°電角度。當(dāng)霍爾元件在S極上時(shí)，它的輸出為高電平，否則，輸出為低電平。PMSM連續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)，三個(gè)霍爾元件的輸出信號(hào)如圖2所示。由圖2可知，霍爾信號(hào)為三相相隔120°電角度的方波，且各有180°的有效角度，這些信號(hào)把360°電角度分為6個(gè)60°電角度的霍爾扇區(qū)。也就是說(shuō)每一個(gè)電周期，三個(gè)霍爾元件的分辨率為6個(gè)脈沖，對(duì)矢量控制直接用這6個(gè)狀態(tài)來(lái)取得轉(zhuǎn)子的位置是不夠的，因此需要估算轉(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速。

圖2 三相霍爾信號(hào)

假設(shè)兩個(gè)相鄰的霍爾狀態(tài)所間隔的時(shí)間為t，微處理器可通過(guò)定時(shí)器捕捉功能來(lái)記錄下這個(gè)值，因而可知電機(jī)的平均電角速度:

Capponi根據(jù)泰勒展開(kāi)式提出了轉(zhuǎn)子位置和速度觀測(cè)的算法，有零階算法和一階算法［8］，即:

式中:θn為當(dāng)前計(jì)算得到的轉(zhuǎn)子位置角度，Ts為采樣時(shí)間即一個(gè)載波周期，a為平均加速度，即:

在通過(guò)上述算法得到PMSM的轉(zhuǎn)子角度后，單片機(jī)還需要判斷所得到的角度是否在預(yù)期的范圍之內(nèi)。例如，估算出來(lái)的轉(zhuǎn)子角度應(yīng)滿足30°≤θn+1≤90°，如果得到 θn+1＜ 30°或 θn+1＞ 90°，則將修正為θn+1=30°或θn+1=90°。并且單片機(jī)在每進(jìn)入一個(gè)新的霍爾扇區(qū)時(shí)進(jìn)行一次轉(zhuǎn)子位置校正，以消除誤差的累積。

上述算法隨著階數(shù)的增加，轉(zhuǎn)子位置的誤差必然會(huì)降低，但是會(huì)給單片機(jī)增加負(fù)擔(dān)。而在波輪洗衣機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合，系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)子位置的精度要求不是很高，因此可以采用零階算法。

3電流檢測(cè)

矢量控制的相電流檢測(cè)通常是采用霍爾電流傳感器，但該傳感器成本較高。為了節(jié)約成本，人們提出了基于采樣電阻的電流檢測(cè)方法，此類方法有以下兩種［9］。

一種為單電阻采樣方法。該方法是通過(guò)采樣直流母線上采樣電阻上的電壓，然后根據(jù)SVPWM輸出的狀態(tài)重構(gòu)出三相定子電流。由于這種方法涉及的算法較復(fù)雜，所以本系統(tǒng)采用另外一種電流檢測(cè)方法。

另外一種為雙電阻采樣方法。該方法是通過(guò)采樣逆變電路的下橋臂任意兩個(gè)電阻，再根據(jù)定子電流三相的矢量和為零，來(lái)推算出第三相的電流值，如圖3所示。在下橋臂導(dǎo)通時(shí)檢測(cè)采樣電阻壓降，也就是在SVPWM控制策略中零矢量作用時(shí)進(jìn)行采樣，這樣就可以檢測(cè)出定子相電流。該方法必須保證有足夠長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)完成這兩路電流的采樣，以及需要在零矢量作用時(shí)間的中間時(shí)刻開(kāi)始采樣，以得到準(zhǔn)確的相電流信息。

圖3 雙電阻電流采樣電路

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由整流電路、驅(qū)動(dòng)電路、逆變電路、控制電路和PMSM構(gòu)成，如圖4所示。用戶通過(guò)操作顯示面板設(shè)定洗衣程序，上位機(jī)R8C/24根據(jù)洗衣程序檢測(cè)水位、洗滌上蓋，控制排水閥、進(jìn)水閥，通過(guò)通信給下位機(jī)78K0R/Ix3發(fā)送運(yùn)轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速命令。

圖4 系統(tǒng)構(gòu)成框圖

系統(tǒng)所用電機(jī)為一臺(tái)12極、功率180 W、采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)且磁鋼為表貼的PMSM。圖5為三相霍爾信號(hào)與AB相線電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖6為在脫水狀態(tài)轉(zhuǎn)速為700 r/min時(shí)，其中一相的電流波形。圖7為在洗滌狀態(tài)下運(yùn)行1．3 s、停止1 s其中一相的電流波形，從波形可以看出，該控制系統(tǒng)在洗滌和脫水兩種狀態(tài)都能達(dá)到較好的控制效果，滿足洗衣機(jī)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高效率、低噪聲、低成本的要求。該方法可應(yīng)用到其他低成本的交流電機(jī)矢量控制的調(diào)速系統(tǒng)中。

［1］ 李福和．洗衣機(jī)變頻控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用［C］//中國(guó)家用電器技術(shù)大會(huì)論文集．2001:336-340．

［2］ Todd D Batzel，Kwang Y Lee．Commutation torque ripple minimization for permanent magnet synchronous machines with Hall effect position feedback［J］．IEEE Transactions on Energy Conversion，1998，13(3):257-262．

［3］ 陳伯時(shí)．電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003．

［4］ 謝寶昌，任永德．電機(jī)的DSP控制技術(shù)及其應(yīng)用［M］．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005．

［5］ 高靜，楊貴杰，蘇建勇．高性能低成本滾筒洗衣機(jī)用PMSM矢量控制系統(tǒng)［J］．微特電機(jī)，2010(10):34-38．

［6］ 王成元，周美文，郭慶鼎．矢量控制交流伺服驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1995．

［7］ Batzel T D，Lee K Y．Slotless permanent magnet synchronous motor operation without a high resolution rotor angle sensor［J］．IEEE Trans on Energy Conversion，2000，15(4):366-371．

［8］ Giulii Capponi F，De Donato G，Del Ferraro L．Brushless AC Drive Using An Axial Flux Synchronous Motor With Low Resolution Position Sensors［C］//Proc．of IEEE 35th Annual Power Electronics Specialists Conference．2004:2287-2292．

［9］ Parasiliti F，Petrella R，Tursini M．Low Cost Phase Current Sensing in DSP Based AC Drives［C］//ISIE．1999:1284-1289．