變壓變頻控制在洗衣機(jī)中的應(yīng)用

何志明，辜小兵，徐柳春

(1．無(wú)錫艾科威科技有限公司，江蘇無(wú)錫214072;2．重慶工商學(xué)校，重慶400067)

0 引 言

隨著人們對(duì)洗衣機(jī)性能(噪聲、能耗、洗凈比)要求的不斷提高，傳統(tǒng)的非變頻電機(jī)(主要是串激電機(jī))市場(chǎng)份額開(kāi)始被專用變頻電機(jī)吞噬，變頻電機(jī)指變頻器+ 三相交流電機(jī)(感應(yīng)電機(jī)或永磁同步電機(jī))。變頻電機(jī)逐漸取代串激電機(jī)的主要原因如下:(1)串激電機(jī)由于電刷的原因存在噪聲大的不足;(2)變頻電機(jī)的效率比串激電機(jī)稍高;(3)變頻電機(jī)具有較好的稱重(慣量)和不平衡檢測(cè)性能。

洗衣機(jī)專用變頻電機(jī)的主要應(yīng)用需求如下:(1)低成本，專用變頻電機(jī)要想完全取代傳統(tǒng)的串激電機(jī)，則專用變頻電機(jī)要有與串激電機(jī)差不多的成本，因此變頻器的成本壓力較大;(2)高效率，變頻器需要盡量讓電機(jī)工作在最佳效率點(diǎn)，尤其是洗滌區(qū)，該特點(diǎn)不但降低了洗衣機(jī)的能耗，也降低電機(jī)成本;(3)低運(yùn)行噪聲，整機(jī)和電機(jī)噪聲除了與機(jī)械結(jié)構(gòu)相關(guān)外，也與電機(jī)的控制相關(guān)，因此盡量降低電機(jī)的運(yùn)行噪聲也是變頻器的一個(gè)主要任務(wù);(4)衣物重量(慣量)檢測(cè)，洗衣機(jī)整機(jī)根據(jù)重量檢測(cè)結(jié)果控制進(jìn)水量，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)進(jìn)水;(5)衣物分布不均勻檢測(cè)，即不平衡檢測(cè)，整機(jī)將根據(jù)衣物的不平衡分布情況控制最高脫水速度，防止洗衣機(jī)高速脫水時(shí)出現(xiàn)走路和噪聲大等問(wèn)題;(6)較大的起動(dòng)力矩，不管是感應(yīng)電機(jī)還是永磁同步電機(jī)，變頻電機(jī)均能實(shí)現(xiàn)大力矩重載起動(dòng)。

矢量控制［7－8］和直接轉(zhuǎn)矩技術(shù)［9－10］已日趨成熟，它們的動(dòng)靜態(tài)性能已得到業(yè)界的認(rèn)可，但算法復(fù)雜，而且依賴電機(jī)參數(shù)，尤其是矢量控制，而V/F 控制具有算法簡(jiǎn)單(易于在8 位單片機(jī)中實(shí)現(xiàn))和不依賴電機(jī)參數(shù)的優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的V/F 控制算法(恒壓頻比控制算法)不能實(shí)現(xiàn)電機(jī)工作效率最優(yōu)跟蹤，本文介紹一種基于轉(zhuǎn)差頻率控制的效率最優(yōu)控制算法。該算法通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)差頻率，實(shí)現(xiàn)全運(yùn)行速度范圍內(nèi)電機(jī)工作效率的最優(yōu)跟蹤，通過(guò)控制輸出電壓幅值，實(shí)現(xiàn)輸出力矩跟蹤(即速度跟蹤控制)。效率測(cè)試數(shù)據(jù)及其稱重和不平衡檢測(cè)結(jié)果表明了本文的控制算法在洗衣機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用的有效性。另外，本文介紹的低成本變頻控制算法和效率最優(yōu)的轉(zhuǎn)差頻率的獲取方法的有效性也已經(jīng)被某國(guó)際大公司的大批量產(chǎn)品驗(yàn)證(年產(chǎn)量超過(guò)100 萬(wàn)臺(tái))。

1 基于轉(zhuǎn)差頻率的效率最優(yōu)控制算法

1.1 基于轉(zhuǎn)差頻率的效率最優(yōu)控制算法框圖

基于轉(zhuǎn)差頻率的效率最優(yōu)控制算法框圖如圖1所示。

圖1 基于轉(zhuǎn)差頻率的效率最優(yōu)控制算法框圖

控制算法主要包括四個(gè)部分:(1)SVPWM 和功率器件(IPM 或IGBT)，把輸入的電壓角度和幅值轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的三相交流電壓輸出給電機(jī);(2)速度計(jì)算，把霍爾信號(hào)輸出的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速;(3)速度PI 控制環(huán)，它包括速度誤差計(jì)算、PI 控制器和電壓限幅，實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制;(4)電壓角度計(jì)算，它包括轉(zhuǎn)差頻率表、同步頻率計(jì)算和積分器，通過(guò)電壓角度實(shí)現(xiàn)電機(jī)工作效率最優(yōu)跟蹤，實(shí)際上是通過(guò)控制轉(zhuǎn)差頻率實(shí)現(xiàn)電機(jī)效率最優(yōu)跟蹤。

下文將給出算法框圖中的轉(zhuǎn)差頻率表的獲取依據(jù)和方法，它是效率最優(yōu)控制的關(guān)鍵。

1.2 電機(jī)運(yùn)行效率與轉(zhuǎn)差頻率的關(guān)系

文獻(xiàn)［6］利用感應(yīng)電機(jī)動(dòng)態(tài)方程推導(dǎo)出了感應(yīng)電機(jī)效率與電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)差角速度(轉(zhuǎn)差頻率)和電機(jī)參數(shù)之間的關(guān)系，其關(guān)系如下:

式中:ωs、ωr分別為電機(jī)轉(zhuǎn)差角速度和電機(jī)轉(zhuǎn)子速度;p 為電機(jī)極對(duì)數(shù);Lm為互感;Ls為定子電感;L′r為折算到定子側(cè)的等效轉(zhuǎn)子電感;Rs為定子電阻;R′r為折算到定子側(cè)的等效轉(zhuǎn)子電阻。

式(1)表明在忽略電機(jī)參數(shù)變化影響情況下，電機(jī)的工作效率是電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)差頻率的函數(shù)。本文還證明了電機(jī)在某轉(zhuǎn)速下存在效率最優(yōu)的轉(zhuǎn)差頻率(轉(zhuǎn)差角速度)，并給出了其效率最優(yōu)的轉(zhuǎn)差速度(轉(zhuǎn)差頻率)的計(jì)算方法。

文獻(xiàn)［2］利用感應(yīng)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，同樣推導(dǎo)出了電機(jī)在某一轉(zhuǎn)速下存在唯一的效率最優(yōu)轉(zhuǎn)差頻率的結(jié)論，并且也給出了效率最優(yōu)的轉(zhuǎn)差頻率的計(jì)算方法。電機(jī)在同一轉(zhuǎn)速下，不管負(fù)載大小如何變化，其效率最優(yōu)的轉(zhuǎn)差頻率基本上是恒定的，不同的轉(zhuǎn)速其效率最優(yōu)的轉(zhuǎn)差頻率會(huì)有一定的差異。

1.3 效率最優(yōu)的轉(zhuǎn)差頻率的獲取方法

盡管文獻(xiàn)［2］、文獻(xiàn)［6］均給出了電機(jī)效率最優(yōu)的轉(zhuǎn)差頻率的計(jì)算方法，但計(jì)算方法都比較復(fù)雜，并且對(duì)電機(jī)參數(shù)依賴大，而電機(jī)參數(shù)的準(zhǔn)確獲取也是一個(gè)較大的問(wèn)題。因此采用一種較為簡(jiǎn)單的工程方法來(lái)獲得效率最優(yōu)的轉(zhuǎn)差頻率是比較現(xiàn)實(shí)的，下面將介紹一種簡(jiǎn)單有效的轉(zhuǎn)差頻率的獲取方法，該方法通過(guò)測(cè)功機(jī)對(duì)比測(cè)試電機(jī)在相同輸出功率(或輸出力矩)和不同轉(zhuǎn)差頻率下的效率得到。

效率最優(yōu)轉(zhuǎn)差頻率測(cè)試過(guò)程如下:

(1)按變頻電機(jī)的運(yùn)行速度范圍進(jìn)行速度分段，分段的精細(xì)程度與效率準(zhǔn)確跟蹤精度要求有關(guān)，分段越細(xì)，效率跟蹤精度越高;

(2)把電機(jī)固定在測(cè)功機(jī)上;

(3)通過(guò)變頻電源給電機(jī)提供幾組相對(duì)合適的三相電壓和頻率;

(4)通過(guò)測(cè)功機(jī)分別測(cè)試各組三相電壓和頻率下的TN曲線;

(5)對(duì)比分析上面的各組測(cè)試數(shù)據(jù)，根據(jù)輸出力矩、效率與轉(zhuǎn)差頻率的相對(duì)關(guān)系，初步找出效率最優(yōu)的轉(zhuǎn)差頻率;

(6)采用基于轉(zhuǎn)差頻率的效率最優(yōu)控制的控制器控制該電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)速控制在該段轉(zhuǎn)速的中心點(diǎn)上，用測(cè)功機(jī)固定電機(jī)輸出力矩，該力矩應(yīng)接近該速度下的最大輸出力矩;

(7)微調(diào)該速度下的轉(zhuǎn)差頻率，對(duì)比測(cè)試不同轉(zhuǎn)差頻率下的效率，找出效率最高的轉(zhuǎn)差頻率;

(8)(7)得到的轉(zhuǎn)差頻率即為該速度下的效率最優(yōu)的轉(zhuǎn)差頻率;

(9)重復(fù)(2)～(8)得到其它速度段的最優(yōu)轉(zhuǎn)差頻率。

把前面得到的轉(zhuǎn)差頻率及其對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速做成表格即得到了前面算法框圖中的轉(zhuǎn)差頻率表，如果速度分段是均勻的，可做成1 維表，如果速度分段是非均勻的，則做成2 維表。

1.4 基于轉(zhuǎn)差頻率的效率最優(yōu)控制與恒壓比變頻控制性能比較

為了說(shuō)明本文介紹的基于轉(zhuǎn)差頻率的效率最優(yōu)控制算法的優(yōu)點(diǎn)，下面把它與恒壓頻比控制進(jìn)行對(duì)比分析。

(1)基于轉(zhuǎn)差頻率的效率最優(yōu)控制，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)全速范圍內(nèi)的效率最優(yōu)跟蹤;而恒壓頻比的轉(zhuǎn)差頻率會(huì)隨著負(fù)載的變化而變化，無(wú)法實(shí)現(xiàn)效率最優(yōu)跟蹤;

(2)基于轉(zhuǎn)差頻率的效率最優(yōu)控制具有更好的系統(tǒng)穩(wěn)定性，由于在固定電機(jī)轉(zhuǎn)速下保持了恒定的轉(zhuǎn)差頻率，因此它的控制電壓隨著負(fù)載的增大而增大，輸出力矩也隨著控制電壓的增加而增加，輸出力矩與控制電壓幅值是單調(diào)增加的;而恒壓頻比控制在轉(zhuǎn)差頻率較小時(shí)輸出力矩隨著轉(zhuǎn)差頻率的增大而增大，但當(dāng)轉(zhuǎn)差頻率大于臨界轉(zhuǎn)差頻率后會(huì)隨著轉(zhuǎn)差頻率的增加而減小;

(3)基于轉(zhuǎn)差頻率的效率最優(yōu)控制更容易實(shí)現(xiàn)重負(fù)載起動(dòng)，而且不需要對(duì)低速區(qū)進(jìn)行特殊處理，即不需要進(jìn)行定子電阻壓降補(bǔ)償;而恒壓頻比控制在低速運(yùn)行時(shí)需要對(duì)定子電阻壓降進(jìn)行補(bǔ)償，以保證其最大輸出力矩;

(4)兩者的算法實(shí)現(xiàn)難度基本相當(dāng)。

正是由于上述優(yōu)點(diǎn)，國(guó)外的V/F 控制基本采用基于轉(zhuǎn)差頻率的效率優(yōu)化控制，而不采用恒壓頻比控制。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 電機(jī)工作效率測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證基于轉(zhuǎn)差頻率的效率最優(yōu)跟蹤控制算法的有效性，本文采用了基于轉(zhuǎn)差頻率的效率最優(yōu)控制器和一臺(tái)輸出功率為480 W 的2 極感應(yīng)電機(jī)，并按文中介紹的效率最優(yōu)轉(zhuǎn)差頻率測(cè)試方法，獲得各轉(zhuǎn)速下的最優(yōu)轉(zhuǎn)差頻率，其測(cè)試數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 基于轉(zhuǎn)差頻率的效率最優(yōu)控制算法實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

整機(jī)效率與電機(jī)裸機(jī)最佳效率在低速區(qū)差5 個(gè)點(diǎn)左右，這5 個(gè)點(diǎn)是控制器功率器件的損耗(15 W左右)所致，該損耗與功率器件的損耗計(jì)算結(jié)果基本一致。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文介紹的控制算法和轉(zhuǎn)差頻率獲取方法的有效性。

2.2 稱重和OOB 測(cè)試精度測(cè)試結(jié)果

稱重和OOB 測(cè)試功能是洗衣機(jī)用變頻器所必需的，而且他們的檢測(cè)精度對(duì)客戶是否選用該變頻電機(jī)影響很大，因此也對(duì)基于該控制算法的稱重和OOB 檢測(cè)性能進(jìn)行了測(cè)試，由于限于篇幅，這里不再給基于該算法的稱重和OOB 測(cè)試結(jié)果。［11－12］

3 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了一種基于轉(zhuǎn)差頻率的最優(yōu)效率控制算法及其轉(zhuǎn)差頻率的獲取方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該算法的檢測(cè)精度。該算法具有如下優(yōu)點(diǎn):

(1)實(shí)現(xiàn)電機(jī)工作效率最優(yōu)跟蹤;

(2)整個(gè)控制算法簡(jiǎn)單，易于在8 位單片機(jī)中實(shí)現(xiàn);

(3)本文介紹的最優(yōu)轉(zhuǎn)差頻率的獲得方法能夠較準(zhǔn)確獲得電機(jī)各轉(zhuǎn)速下的效率最優(yōu)轉(zhuǎn)差頻率，滿足工程應(yīng)用要求，而且實(shí)現(xiàn)方法相對(duì)簡(jiǎn)單。

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