波輪洗衣機用永磁同步電機控制系統

黃騰云，姜淑忠，李小海

(上海交通大學，上海200030)

0引 言

現有的波輪洗衣機主要用單相電容運轉異步電動機和單相串勵換向器電動機作為動力，運行效率低，洗滌、脫水轉速不可調或調速效率低，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］。

永磁同步電動機(以下簡稱PMSM)與單相異步電動機相比具有功率密度大、效率高、噪聲低等優點，因此PMSM越來越多地用于波輪洗衣機。由文獻［2］可知，為了產生平滑的轉矩以及減小電磁噪聲，需要使相電流與反電動勢同相位。對傳統的開環的調頻調壓 SPWM控制算法，由逆變器供給PMSM的相電壓為與反電動勢同相位的正弦波。由于PMSM為感性負載，相電流會滯后于相電壓，無法保持定子電流綜合向量超前轉子磁極90°電角度，因而傳統的SPWM較難取得平滑電磁轉矩。而轉子磁場定向控制通過矢量變換將定子電流由靜止的三相坐標系的iA、iB、iC變換為與轉子磁場同步旋轉的兩相坐標系的勵磁分量id和轉矩分量iq，這樣就可以保證定子電流的轉矩分量超前轉子磁場90°，取得平滑的電磁轉矩。

本文針對波輪洗衣機的負載特性，設計了一種波輪洗衣機用PMSM矢量控制系統。該系統采用3個霍爾元件作為轉子位置傳感器，采用2個下橋臂采樣電阻檢測相電流，成本低、效率高、噪聲低。實驗結果表明，該系統可以很好地滿足波輪洗衣機在洗滌和脫水狀態下的要求，具有很好的推廣價值。

1 PMSM的矢量控制

矢量控制是以產生同樣的旋轉磁動勢為準則，將三相坐標系上的定子交流電流 iA、iB、iC通過Clarke變換等效成兩相靜止坐標系上的交流電流iα和iβ，再通過Park變換等效成同步旋轉坐標系上的直流電流id和iq［3］。轉子磁場定向的矢量控制是使同步旋轉坐標系的d軸與轉子磁鏈ψr保持一致［4］，其中磁鏈方程:

電壓方程:

電磁轉矩方程:

對成本有嚴格要求的波輪洗衣機采用的是外轉子結構、磁鋼為表貼的永磁同步電動機。因此式(3)可以簡化:

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為永磁體轉子產生的磁鏈。

波輪洗衣機在洗滌狀態，根據不同的洗衣程序可選擇的轉速范圍為200～800 r/min，經過減速比為6．5的機械機構帶動波輪旋轉。在脫水狀態有300 r/min、500 r/min、700 r/min、900 r/min 四種轉速可選擇，直接帶動外筒旋轉。根據波輪洗衣機的運行特性，本文采用的矢量控制系統如圖1所示。

圖1 PMSM矢量控制框圖

波輪洗衣機在洗滌及脫水狀態下，PMSM的運行轉速均小于額定轉速，可知PMSM工作在恒轉矩運行區，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，可以獲得最高的轉矩/電流的比值，電動機的銅耗也最小。并且通過磁場定向，達到了類似他勵式直流電動機通過控制電樞電流直接控制轉矩的目的，這樣通過控制iq就可以直接控制電磁轉矩［5］。

2轉子位置估算

PMSM轉子磁場定向矢量控制需要有準確的轉子磁極的位置，這樣才能將定子電流矢量變換到沿轉子磁場定向的d-q軸，這是磁場定向控制的關鍵所在［6］。為了實現準確的磁場定向，因此需要高分辨率的轉子位置傳感器，例如光電編碼器、旋轉變壓器等。但是這類傳感器使得系統成本增加，并且易受高溫、高濕等惡劣環境的影響。為此很多文獻提出了無傳感器的轉子位置觀測方法，但這些算法在起動和低速時容易出問題，不適合洗衣機的負載特性要求。霍爾傳感器具有價格便宜、運行可靠的優點，近年來被廣泛應用于PMSM控制系統［7］。洗衣機應用場合對轉子位置分辨率要求不高，但對成本有苛刻要求，因此霍爾傳感器廣泛應用于家用洗衣機中。

本系統采用3個鎖存型霍爾提供轉子位置信號，三個霍爾元件的安裝位置兩兩互差120°電角度。當霍爾元件在S極上時，它的輸出為高電平，否則，輸出為低電平。PMSM連續旋轉時，三個霍爾元件的輸出信號如圖2所示。由圖2可知，霍爾信號為三相相隔120°電角度的方波，且各有180°的有效角度，這些信號把360°電角度分為6個60°電角度的霍爾扇區。也就是說每一個電周期，三個霍爾元件的分辨率為6個脈沖，對矢量控制直接用這6個狀態來取得轉子的位置是不夠的，因此需要估算轉子的位置和轉速。

圖2 三相霍爾信號

假設兩個相鄰的霍爾狀態所間隔的時間為t，微處理器可通過定時器捕捉功能來記錄下這個值，因而可知電機的平均電角速度:

Capponi根據泰勒展開式提出了轉子位置和速度觀測的算法，有零階算法和一階算法［8］，即:

式中:θn為當前計算得到的轉子位置角度，Ts為采樣時間即一個載波周期，a為平均加速度，即:

在通過上述算法得到PMSM的轉子角度后，單片機還需要判斷所得到的角度是否在預期的范圍之內。例如，估算出來的轉子角度應滿足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°。并且單片機在每進入一個新的霍爾扇區時進行一次轉子位置校正，以消除誤差的累積。

上述算法隨著階數的增加，轉子位置的誤差必然會降低，但是會給單片機增加負擔。而在波輪洗衣機應用場合，系統對轉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

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

一種為單電阻采樣方法。該方法是通過采樣直流母線上采樣電阻上的電壓，然后根據SVPWM輸出的狀態重構出三相定子電流。由于這種方法涉及的算法較復雜，所以本系統采用另外一種電流檢測方法。

另外一種為雙電阻采樣方法。該方法是通過采樣逆變電路的下橋臂任意兩個電阻，再根據定子電流三相的矢量和為零，來推算出第三相的電流值，如圖3所示。在下橋臂導通時檢測采樣電阻壓降，也就是在SVPWM控制策略中零矢量作用時進行采樣，這樣就可以檢測出定子相電流。該方法必須保證有足夠長的時間來完成這兩路電流的采樣，以及需要在零矢量作用時間的中間時刻開始采樣，以得到準確的相電流信息。

圖3 雙電阻電流采樣電路

4實驗結果及結論

控制驅動系統由整流電路、驅動電路、逆變電路、控制電路和PMSM構成，如圖4所示。用戶通過操作顯示面板設定洗衣程序，上位機R8C/24根據洗衣程序檢測水位、洗滌上蓋，控制排水閥、進水閥，通過通信給下位機78K0R/Ix3發送運轉及轉速命令。

圖4 系統構成框圖

系統所用電機為一臺12極、功率180 W、采用外轉子結構且磁鋼為表貼的PMSM。圖5為三相霍爾信號與AB相線電壓的對應關系。圖6為在脫水狀態轉速為700 r/min時，其中一相的電流波形。圖7為在洗滌狀態下運行1．3 s、停止1 s其中一相的電流波形，從波形可以看出，該控制系統在洗滌和脫水兩種狀態都能達到較好的控制效果，滿足洗衣機控制驅動系統高效率、低噪聲、低成本的要求。該方法可應用到其他低成本的交流電機矢量控制的調速系統中。

［1］ 李福和．洗衣機變頻控制系統的開發應用［C］//中國家用電器技術大會論文集．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．電力拖動自動控制系統［M］．北京:機械工業出版社，2003．

［4］ 謝寶昌，任永德．電機的DSP控制技術及其應用［M］．北京:北京航空航天大學出版社，2005．

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

［6］ 王成元，周美文，郭慶鼎．矢量控制交流伺服驅動電動機［M］．北京:機械工業出版社，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．