在洗衣機(jī)中運(yùn)用弱磁電機(jī)控制技術(shù)

　　隨著家電行業(yè)內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)的越發(fā)激烈，如何做到在降低成本的同時(shí)提高產(chǎn)品的運(yùn)行效率是當(dāng)今企業(yè)制勝的關(guān)鍵。控制洗衣機(jī)滾筒的轉(zhuǎn)速、采用極數(shù)最少的低成本電機(jī)以及低成本控制電路是企業(yè)實(shí)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(fèi)用的情況下可實(shí)現(xiàn)滾筒洗衣機(jī)成本控制的目標(biāo)。本文將從電機(jī)、滾筒的制動(dòng)系統(tǒng)、無(wú)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(duì)洗衣機(jī)運(yùn)行帶來(lái)的益處。

　　電機(jī)

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

　　一種常見(jiàn)的設(shè)計(jì)方法是借助于一比一的傳動(dòng)裝置將扁平型、低高度、大直徑的電機(jī)與滾筒背面直接相連，但這樣會(huì)增加電機(jī)的成本和重量。另一種常見(jiàn)的方法是使電機(jī)橫置，通過(guò)皮帶驅(qū)動(dòng)不同直徑的皮帶輪或變速裝置來(lái)實(shí)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(jī)以降低生產(chǎn)成本。

　　弱磁

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

　　電機(jī)在其額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)與其運(yùn)行在“恒定轉(zhuǎn)矩區(qū)間”相關(guān)。這個(gè)區(qū)間是指：當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化時(shí)，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(jī)運(yùn)行在“恒定功率區(qū)間”中。在該區(qū)間中電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速之間呈反比關(guān)系。當(dāng)洗衣機(jī)在脫水運(yùn)行時(shí)，由于動(dòng)量的緣故，需要以較低轉(zhuǎn)矩來(lái)保持或提高滾筒的轉(zhuǎn)速。

　　為了使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來(lái)，電機(jī)的定子線圈要稍早于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)通電，使得定子磁場(chǎng)拉動(dòng)轉(zhuǎn)子隨其一起轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)應(yīng)于調(diào)節(jié)后的電機(jī)輸入功率值，通過(guò)增加或減少脈寬調(diào)制PWM的頻次來(lái)控制電機(jī)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(hào)的時(shí)間相位超前60°時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子可以獲得更高的轉(zhuǎn)速，這一過(guò)程被稱為相位超前。

　　在磁場(chǎng)定向控制中，電機(jī)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(gè)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(jī)的一個(gè)或多個(gè)相電流和與之對(duì)應(yīng)的電流測(cè)量值。通過(guò)調(diào)整施加在電機(jī)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(chǎng)中產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相反的磁場(chǎng)分量，該磁場(chǎng)分量降低了定子線圈中的反電動(dòng)勢(shì)，從而減小了對(duì)轉(zhuǎn)子的制動(dòng)力。在磁場(chǎng)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(shí)，Id磁通量的值被調(diào)整為負(fù)數(shù)。

　　無(wú)傳感器的磁場(chǎng)定向控制的優(yōu)點(diǎn)

　　采用磁場(chǎng)定向控制技術(shù)后，改為直接測(cè)量電機(jī)的相電流，其主要優(yōu)點(diǎn)之一是成本較低，另一個(gè)是能夠提高電機(jī)的能效。其原因是：以一種精確的方式對(duì)定子線圈施加勵(lì)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(jìn)行正弦勵(lì)磁還可以實(shí)現(xiàn)靜音控制。

　　為了嚴(yán)格、精確地實(shí)施磁場(chǎng)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(gè)采樣-同步通道。通過(guò)采集兩相或三相繞組的瞬態(tài)電流值，即可消除時(shí)間延遲造成的測(cè)量誤差。磁場(chǎng)定向控制的另一重要特性是：具有同步進(jìn)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(shí)間太晚，控制回路就會(huì)獲得錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。正因?yàn)槠渚邆淞嗽诿總€(gè)脈寬調(diào)制中確定每個(gè)A/D轉(zhuǎn)換采樣時(shí)間的能力，能夠向控制回路提供最佳數(shù)據(jù)。

　　滾筒制動(dòng)系統(tǒng)和磁力制動(dòng)系統(tǒng)

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

　　磁力制動(dòng)系統(tǒng)的工作原理是通過(guò)控制定子線圈的磁通量來(lái)進(jìn)行制動(dòng)的。為了使電機(jī)從高速脫水運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)入制動(dòng)狀態(tài)，需要使磁場(chǎng)定向控制的變量Id逐步從負(fù)值上升至零。同時(shí)，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(fù)值。這種通過(guò)磁場(chǎng)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(jī)和滾筒脫水的轉(zhuǎn)速。

　　結(jié)論

　　為了降低洗衣機(jī)的制造成本，未來(lái)將采用無(wú)傳感器的磁場(chǎng)定向控制技術(shù)。弱磁制動(dòng)控制技術(shù)通過(guò)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。

來(lái)源：家電科技　　

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