洗衣機中無刷直流電機變頻控制系統(tǒng)設(shè)計

崔　延　陸新芳（.蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學院，江蘇　蘇州　53；.江蘇新安電器有限公司，江蘇　　蘇州　53）

洗衣機中無刷直流電機變頻控制系統(tǒng)設(shè)計

崔延1陸新芳2
（1.蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學院，江蘇蘇州215123；2.江蘇新安電器有限公司，江蘇蘇州215131）

摘要：本文研究了采用無刷直流電機作為洗衣機驅(qū)動電機，以瑞薩R8C/25系列的R5F21258SNFP作為主控芯片設(shè)計了無刷直流調(diào)速控制系統(tǒng)，本文對硬件電路和軟件設(shè)計進行了介紹。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，效果良好。

關(guān)鍵詞：無刷直流電機（BLDC）；智能功率模塊（SPM）；變頻

資助項目：江蘇省高等職業(yè)院校國內(nèi)高級訪問學者計劃資助項目（2013FX045）。

在全球關(guān)注節(jié)能的今天，洗衣機的能效也一直受關(guān)注。直流電機因為能夠改變和控制速度，可以提高效率節(jié)省能源，越來越受到重視。采用直流無刷變頻電機是洗衣機的發(fā)展趨勢。

1無刷直流電機變頻控制系統(tǒng)設(shè)計

1.1系統(tǒng)總體設(shè)計

三相無刷直流電機控制系統(tǒng)組成主要有：無刷直流電機、逆變器、位置傳感器和控制器。

圖1變頻控制系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)控制如圖1所示，主控制器用于發(fā)送控制命令和處理采集到的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)子位置通過讀取直流電機上霍爾元件信號來確定的，依據(jù)轉(zhuǎn)子的位置而改變PWM信號，從而實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向的控制。智能功率模塊（SPM）返回電流檢測信號以檢測直流電機相電流。為提高系統(tǒng)可靠性和安全性，設(shè)有故障檢測單元，當發(fā)生過壓、過流、欠壓、超重等情況時會發(fā)出故障信號，關(guān)閉功率管輸出，停止電機運轉(zhuǎn)。

1.2變頻控制方案

洗衣機在洗衣攪拌時，需要電機具有較大轉(zhuǎn)矩，在脫水時需要高速旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動控制系統(tǒng)要對電機實現(xiàn)起停、正反轉(zhuǎn)及調(diào)速控制。采用如圖2所示的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。

外環(huán)為速度環(huán)，主要實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的抗干擾調(diào)節(jié)。內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，主要實現(xiàn)電流跟隨、過流保護和抑制電壓擾動。電流反饋信號由智能功率模塊SPM輸出，速度反饋信號則是由位置傳感器輸出的位置量通過計算得到。系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)是通過對雙閉環(huán)先內(nèi)后外的控制來實現(xiàn)，即先設(shè)計電流調(diào)節(jié)，然后將電流環(huán)作為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器中的一環(huán)來設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

圖2無刷直流電機的速度控制結(jié)構(gòu)框圖

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)選用瑞薩8C/25

群產(chǎn)品，R8C為16位CISCMCU，具有高ROM效率、低噪音、低功耗和高處理性能。選用的R5F21258SNFP芯片具有52引腳LQFP封裝，擁有41個可編程輸入/輸出端口，最高工作頻率為20MHz，支持2.2 V～5.5V工作電壓，此外還具有豐富的外圍功能：UART/時鐘同步串行接口、8位多功能定時器、輸入捕捉定時器、監(jiān)視定時器、振蕩停止檢測等。

Fairchild智能功率模塊SPM（Smart PowerModule）FNB41060，提供了緊湊和高性能的三相逆變器驅(qū)動方案，在一個獨立的封裝里結(jié)合了低損耗IGBT和優(yōu)化的柵極驅(qū)動，同時集成了欠壓、過流保護輸入、溫度監(jiān)控等。SPM模塊外圍電路簡單，PCB布局方便，芯片低側(cè)IGBT三個獨立的發(fā)射極開路引腳為三路相電流檢測提供了可能。

從SPM輸出的電流檢測信號需要經(jīng)過放大處理送入微控器，這里采用運放LM258，電路如圖3所示。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計，主要包括：主程序、初始化子程序、捕捉中斷子程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、調(diào)速子程序、顯示子程序等。在電機轉(zhuǎn)速突變時常會引起積分飽和現(xiàn)象，為了消除積分飽和，采用變速積分PID算法：設(shè)法改變積分項的累加速度，使其與偏差的大小相適應(yīng)。其表達式為

式中系數(shù)f[e（k）]，它是e（k）的函數(shù)：

f值在0～1區(qū)間變化，當偏差大于A+B時，說明已進入飽和區(qū)，f＝0，不再進行積分項的累加；當｜e（k）｜≤A+B時，f隨偏差的減小而增大，累加速度加快，直至偏差小于B后，累加速度達到最大值1。實際中A，B的值可做一次性整定，當A，B的值選得越大，變速積分對積分飽和抑制作用就越弱，反之越強。一般取A＝30%[｜e（k）｜]max，B＝20% [｜e（k）｜]max。

變速積分PID控制算法流程如圖4所示。圖5是采用Matlab對變速積分PID的仿真，可看出對積分項的控制是緩慢變化的。在控制系統(tǒng)中采用變速積分PID算法，消除了一般PID算法中的積分飽和現(xiàn)象，電機調(diào)速穩(wěn)定，并具有快速跟隨性。

4實驗測試

實驗用無刷直流電機參數(shù)為：電壓范圍240V-340V，電流2.0A，額定轉(zhuǎn)矩2.4N·m，額定功率220W，額定轉(zhuǎn)速850r/min。圖6為測得電機在不同轉(zhuǎn)速下的PWM脈沖波形，圖6（a）為電機慢速運行時的脈寬，相對較窄；圖6（b）電機速度變快，脈沖寬度增大。實驗證明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，調(diào)速性能優(yōu)良，效果較好。

圖4變速積分PID程序流程圖

結(jié)語

本文分析了采用無刷直流電機作為驅(qū)動電機的變頻洗衣機控制系統(tǒng)，采用了瑞薩R8C/25系列微控制器和智能功率模塊組合。實驗結(jié)果表明，先進控制技術(shù)的綜合運用，使得變頻洗衣機比傳統(tǒng)的洗衣機更具個性化功能，其優(yōu)勢無可比擬。

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圖6測試波形

中圖分類號：TM351

文獻標識碼：A

作者簡介：崔延，副教授/高工，蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學院電子工程系。