王新，胡路東，徐娟，馬如民

（河南理工大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，河南 焦作 454003）

波輪洗衣機(jī)有兩種運(yùn)行工況：洗滌和脫水。在洗滌狀態(tài)時，電機(jī)的轉(zhuǎn)速較低，要求大轉(zhuǎn)矩；在脫水狀態(tài)時要求的轉(zhuǎn)速較高?；谙匆聶C(jī)兩種不同工況時對轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的要求不同，在PMSM的控制上選擇了兩種不同的電流控制方式，在洗滌時采用id＝0的控制方式，以滿足電機(jī)對低速大轉(zhuǎn)矩的要求，為了保證洗衣機(jī)在脫水時能達(dá)到脫水的轉(zhuǎn)速要求，使用弱磁的控制方式。為了減小對芯片的要求，本文在弱磁的選擇上，使用一種簡單的超前角的弱磁方式，這樣減小了對芯片的要求，降低了成本。

1 工況分析和控制策略

1.1 工況分析

洗衣機(jī)的整個洗衣工程包括稱重、洗滌和脫水。首先洗衣機(jī)通過稱重得出衣服的重量從而選擇洗滌中加入的水量，選擇洗衣的時間，接著進(jìn)入洗滌狀態(tài)，通過筒帶動衣服往復(fù)的左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，利用筒和衣服的摩擦將污漬從衣服上脫下，然后再進(jìn)入高速脫水，將衣服甩干，然后進(jìn)行洗滌和脫水的循環(huán)。對于波輪洗衣機(jī)來說，洗滌的速度一般要求為50～200r／min，脫水的速度一般要求為1000r／min。

圖1 運(yùn)行工況圖Fig.1 The operating conditions chart

1.2 控制策略

在驅(qū)動裝置的選擇上，基于永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度高、效率和功率因數(shù)高，選擇永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動器，可以建立永磁同步電機(jī)在兩相旋轉(zhuǎn)d－q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型［1-5］。

磁鏈方程：

電壓方程：

轉(zhuǎn)矩方程：

運(yùn)動方程：

式中：Ld，Lq為d，q軸電感；Te，Tl為電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩；Rs為定子電阻；ω為轉(zhuǎn)速；pn為極對數(shù)；J為轉(zhuǎn)動慣量。

令id＝0即為id＝0的控制方式，使用這種控制方式時，由于不用考慮d軸的電流分量，所以計算量較小，且沒有電機(jī)的去磁效應(yīng)，較為簡單，功率因數(shù)也較高。

使用id＝0的控制方式在電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時，電機(jī)將不能繼續(xù)升速，這時逆變器的容量達(dá)到最大，磁通和轉(zhuǎn)速的乘積不變，且磁通和轉(zhuǎn)速成反比，在最大電壓不變的情況下可以采用減弱磁通的方法來升高轉(zhuǎn)速［1，6-7］。當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時，且穩(wěn)定運(yùn)行時，di／dt＝0且Rs?ωid，ωiq，所以有：

由于電壓和電流受最大電壓和最大電流umax，imax的限制，有：

從而得出電壓和電流極限圓，如圖2所示。

由式（6）可得轉(zhuǎn)速：

可以看出，當(dāng)Id＝Ψf／Ld時轉(zhuǎn)速達(dá)到理想值。

本文中使用的弱磁方式是文獻(xiàn)［1］中提出的一種簡單的超前角弱磁，即在估算出的角度基礎(chǔ)上再加上一個超前角，相當(dāng)于將坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)一個角度，從而達(dá)到弱磁的效果，如圖3所示。

圖2 電壓和電流極限圓Fig.2 Voltage and current limit circles

圖3 超前角弱磁Fig.3 Advance angle weak magnetic

由于洗衣機(jī)洗滌和脫水對轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的要求不同，所以在永磁同步電機(jī)的控制方法上使用了兩種不同的控制方式，在基速以下電機(jī)工作在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速區(qū)，在基速以上工作在恒功率調(diào)速區(qū)，整體的設(shè)計如圖4所示。

圖4 整體設(shè)計Fig.4 The overall design

2 整體實(shí)現(xiàn)方法

通過以上分析，使用英飛凌的16位單片機(jī)xc164cs實(shí)現(xiàn)控制，整體的實(shí)現(xiàn)框圖如圖5所示。

圖5 整體設(shè)計框圖Fig.5 Block diagram of the overall design

2.1 位置檢測

在PMSM進(jìn)行矢量控制時要檢測轉(zhuǎn)子位置，從而實(shí)現(xiàn)精確的控制，由于霍耳傳感器的價格相對來說比較便宜且可以滿足洗衣機(jī)中對轉(zhuǎn)子位置精度的要求，所以本文中檢測位置使用的是3個霍耳傳感器；其中3個霍耳傳感器相差120°（電角度），3個霍耳將整個空間分成了6個扇區(qū)，每個扇區(qū)為60°（機(jī)械角度）。3個霍耳有高低電平，共組成了000～1118種組合，在這里使用其中除去000和111之外的其他6個組合。表1給出了轉(zhuǎn)子扇區(qū)對應(yīng)的角度和扇區(qū)切換時的電機(jī)正反轉(zhuǎn)方向，其中1～6對應(yīng)了扇區(qū)號，CW，CCW代表洗衣機(jī)內(nèi)筒的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。

表1 轉(zhuǎn)子角度表Tab.1 The rotor angle of the table

通過霍耳傳感器可以測出電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度ω，轉(zhuǎn)子的角度可以通過以下公式求出：

在扇區(qū)切換時角度進(jìn)行一次修正，從而減小了測量的誤差。

2.2 稱重

對于高性能的全自動波輪洗衣機(jī)來說，加水是自動進(jìn)行的，洗衣機(jī)加入的水量是由加入的衣服的重量決定的，洗滌的時間也是由洗滌的衣服的重量決定的，所以在洗滌之前的稱重是很重要的，本文提出了一種全新的方法進(jìn)行稱重。首先選定洗衣機(jī)稱重的轉(zhuǎn)速范圍，本文中使用的速度范圍為n1～n2，采用的具體方法是，檢測出電機(jī)在轉(zhuǎn)速從0到n1和由n1加速到n2時的逆變器的母線電壓和電流，因?yàn)樵诓煌囊路亓織l件下，電機(jī)在同一轉(zhuǎn)速時逆變器的電壓和電流值是不同的，利用這樣方法可以得出返回的不同值，利用在加速時的電壓和電流乘積加上低速的電壓和電流的乘積，通過返回值可以得出當(dāng)前衣服的重量。具體在采樣時，如圖6所示，在轉(zhuǎn)速從零到n1時，每隔固定的時間t采集一個點(diǎn)的電壓和電流，求出對應(yīng)電壓和電流的乘積，求出所有點(diǎn)的功率總和P0，在速度為n1時運(yùn)行一段時間，并采集n個點(diǎn)，算出平均值P1，然后在n1到n2加速的過程中每隔一個固定的時間t采一個點(diǎn)，設(shè)由t2到t3采集了m個點(diǎn)，這m個點(diǎn)對應(yīng)的能量為P2，這時的返回值為

圖6 稱重原理圖Fig.6 Schematic of weighing

通過這種方法可以得出此時的衣服重量返回值，然后決定洗滌時的加水量和洗滌時間。在實(shí)際的稱重運(yùn)行中，每一臺洗衣機(jī)的自然條件不同，可能受到的干擾不同，所以每一臺洗衣機(jī)稱出的重量值可能有所差異，另外當(dāng)重量不同時得出的數(shù)據(jù)可能會有交叉，所以需要加入一個濾波，此濾波通過軟件來實(shí)現(xiàn)。在數(shù)字濾波中，常用的濾波方法有限幅濾波法、中值濾波法、算術(shù)平均值濾波法、限幅平均濾波法等，本文使用的是限幅平均濾波法。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文中使用的永磁同步電機(jī)的參數(shù)為：極對數(shù)p＝12，定子電阻Rs＝2.875Ω，直軸電感L＝84mH，交軸電感＝84mH。

圖7給出了通過上述方法稱重得出的結(jié)果，其中曲線0～7分別代表了在洗衣機(jī)內(nèi)物體為0～7 kg對應(yīng)的經(jīng)過放大修正的功率返回值。從結(jié)果可以看出，使用這種方法得出的結(jié)果基本可以區(qū)分出1kg對應(yīng)的值，所以這種方法是可行的。

圖7 稱重對應(yīng)的圖表Fig.7 Corresponds chart of the weigh

使用矢量控制的方法配合軟件和硬件，最終得出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖8～圖10所示。其中圖8為洗衣機(jī)由正常運(yùn)行到剎車時的電流波形；圖9為洗衣機(jī)洗滌狀態(tài)下正反轉(zhuǎn)的電流波形；圖10為電機(jī)在高速脫水時的電流波形。

圖8 洗衣機(jī)剎車時的波形Fig.8 The waveform of washing machine braking

圖9 洗衣機(jī)洗滌時的波形Fig.9 The waveform of washing machine washing

圖10 洗衣機(jī)高速脫水時的波形Fig.10 The waveform of washing machine high－speed dehydration

4 結(jié)論

通過兩種不同的電流控制方法可以實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的各個速度階段的控制，在選用英飛凌公司的xc164cs型號的16位單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)上述的控制，在兩種控制方法的切換中是通過軟件來實(shí)現(xiàn)的。這種控制方法的實(shí)現(xiàn)成本較低，控制的精度相對較高，因此具有相當(dāng)大的市場。

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