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鵬程電子

簡析弱磁電機控制技術(shù)在洗衣機中的運用

2018-02-25下載文件：暫時沒有下載文件

隨著家電行業(yè)內(nèi)競爭的越發(fā)激烈，如何做到在降低成本的同時提高產(chǎn)品的運行效率是當(dāng)今企業(yè)制勝磁瓦生產(chǎn)廠家的關(guān)鍵。控制洗衣機滾筒的轉(zhuǎn)速、采用極數(shù)最少的低成本電機以及低成本控制電路是企業(yè)實現(xiàn)成本控制目標(biāo)的關(guān)鍵所在。

借助弱磁控制技術(shù)，在不增加額外費用的情況下可跑步機磁瓦實現(xiàn)滾筒洗衣機成本控制的目標(biāo)。本文將從電機、滾筒的制動系統(tǒng)、無傳感器控制技術(shù)等方面探討弱磁控制的概念、應(yīng)用方法，以及對洗衣機運行帶來的益處。

電機

現(xiàn)在許多新設(shè)計的產(chǎn)品已采用前置式洗衣機的方案以減少電機磁瓦廠家耗水量，并采用永磁同步電機(PMSM)以增大轉(zhuǎn)矩。此外，這些新產(chǎn)品還常采用無傳感器的三相旋轉(zhuǎn)磁場定向控制技術(shù)(FOC)以提高電機的效率，并削減采用傳感器控制方式帶來的成本。

一種常見的設(shè)計方法是借助于一比一的傳動裝置將扁平型、低高度、大直徑的電機與滾筒背面直接相連，但這樣會增加電機的成本和重量。另一種常見的方法是使電機橫置，通過皮帶驅(qū)動不同直徑的皮帶輪或變速裝置來實現(xiàn)提高滾筒轉(zhuǎn)速的目的，甚至可以采用四極永磁同步電機以降低生產(chǎn)成本。

弱磁

弱磁是一種無需額外增加傳動裝置或増大電機外形尺寸所帶來的成本就可實現(xiàn)提高脫水轉(zhuǎn)速的電機控制技術(shù)。其軟件控制運算需要選用由具有數(shù)字信號處理功能的高速16位處理構(gòu)成的數(shù)字信號控制器(DSC)。采用這種技術(shù)的電機可在高于其額定轉(zhuǎn)速的條件下運行，而且轉(zhuǎn)速可以高達其額定轉(zhuǎn)速1.5倍，若采用埋入式磁鐵轉(zhuǎn)子設(shè)計，其轉(zhuǎn)速可以達到更快的程度。

電機在其額定轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)與其運行在“恒定轉(zhuǎn)矩區(qū)間”相關(guān)。這個區(qū)間是指：當(dāng)電機的轉(zhuǎn)速變化時，其依然可以保持在恒定的轉(zhuǎn)矩。在更快的轉(zhuǎn)速下，將使電機運行在“恒定功率區(qū)間”中。在該區(qū)間中電機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速之間呈反比關(guān)系。當(dāng)洗衣機在脫水運行時，由于動量的緣故，需要以較低轉(zhuǎn)矩來保持或提高滾筒的轉(zhuǎn)速。

為了使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來，電機的定子線圈要稍早于轉(zhuǎn)子磁場通電，使得定子磁場拉動轉(zhuǎn)子隨其一起轉(zhuǎn)動。對應(yīng)于調(diào)節(jié)后的電機輸入功率值，通過增加或減少脈寬調(diào)制(PWM)的頻次來控制電機的轉(zhuǎn)速。當(dāng)電流換向的相位比霍爾傳感器接收到的信號的時間相位超前60°時，電機轉(zhuǎn)子可以獲得更高的轉(zhuǎn)速，這一過程被稱為相位超前。

在磁場定向控制中，電機的全部定子線圈都通以平滑的正弦基波電流，三相通電的相位彼此相差120°。三個比例積分控制回路分別用于調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和磁通量。轉(zhuǎn)子位置取決于感知電機的一個或多個相電流和與之對應(yīng)的電流測量值。通過調(diào)整施加在電機線圈上的電壓矢量控制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。

弱磁是相位超前的最佳方式。弱磁也能在定子磁場中產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子磁場相反的磁場分量，該磁場分量降低了定子線圈中的反電動勢，從而減小了對轉(zhuǎn)子的制動力。在磁場定向控制技術(shù)中為了控制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，當(dāng)Iq(轉(zhuǎn)矩)設(shè)定為所需的參數(shù)時，Id(磁通量)的值被調(diào)整為負數(shù)。

無傳感器的磁場定向控制的優(yōu)點

采用磁場定向控制技術(shù)后，改為直接測量電機的相電流，其主要優(yōu)點之一是成本較低，另一個是能夠提高電機的能效。其原因是：以一種精確的方式對定子線圈施加勵磁電流，從而確保產(chǎn)生所需的轉(zhuǎn)矩。此外，采用平滑的脈寬調(diào)制進行正弦勵磁還可以實現(xiàn)靜音控制。

為了嚴(yán)格、精確地實施磁場定向控制，必須配置A/D轉(zhuǎn)換器和脈寬調(diào)制模塊。而該A/D轉(zhuǎn)換器必須具有多個采樣-同步通道。通過采集兩相或三相繞組的瞬態(tài)電流值，即可消除時間延遲造成的測量誤差。磁場定向控制的另一重要特性是：具有同步進行A/D轉(zhuǎn)換器采樣和脈寬調(diào)制的能力。如果A/D轉(zhuǎn)換器采樣時間太晚，控制回路就會獲得錯誤的數(shù)據(jù)。正因為其具備了在每個脈寬調(diào)制中確定每個A/D轉(zhuǎn)換采樣時間的能力，能夠向控制回路提供最佳數(shù)據(jù)。

滾筒制動系統(tǒng)和磁力制動系統(tǒng)

出于安全考慮，當(dāng)打開蓋子或門時，滾筒必須迅速停止轉(zhuǎn)動以避免潛在的傷害。為了實現(xiàn)快速降低滾筒轉(zhuǎn)速的目標(biāo),除了可以采用附加機械式制動裝置外，還可以采用外接大型制動電阻器來降低電機的轉(zhuǎn)速。對于后者而言，是將電阻器切換到電路中，通過限制從電機繞組到接地極之間的電流來強制降低電機的轉(zhuǎn)速，但使用制動電阻器和轉(zhuǎn)換開關(guān)仍使洗衣機的成本明顯增加。一個成本更低的方法是采用磁力制動系統(tǒng)。

磁力制動系統(tǒng)的工作原理是通過控制定子線圈的磁通量來進行制動的。為了使電機從高速脫水運轉(zhuǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)入制動狀態(tài)，需要使磁場定向控制的變量Id逐步從負值上升至零。同時，速度控制回路的比例積分參數(shù)值必須設(shè)定為零。Iq轉(zhuǎn)矩參數(shù)也應(yīng)被調(diào)整為負值。這種通過磁場定向控制技術(shù)改變磁通量的方法能夠更為有效地降低電機和滾筒脫水的轉(zhuǎn)速。

結(jié)論

為了降低洗衣機的制造成本，未來將采用無傳感器的磁場定向控制技術(shù)。弱磁制動控制技術(shù)通過提供更高的脫水速度，在不額外增加部件成本的前提下更快地完成脫水工作。

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