用于家用洗衣机的三相电机驱动装置

案例中心

\ News

了解

发布时间：2007-08-17 浏览：7935次

摘要：三相异步电机是目前家用洗衣机所用电机的有效替代品，使用专用的软件解决方案，可在低成本硬件的条件下实现以矢量控制技术为特征的高控制性能。本文中提出一套开发系统，使得非专家用户也能使用德州仪器 (TI) 的 TMS320LF2407A 数字信号控制器来调整所有的控制参数。通过用户友好界面，无需修改任何代码即可完成算法的调整。

关键词：三相异步电机，洗衣机，磁场定向控制。

1．简介

电动机占工业化国家能源消耗的很大一部分。由于电动机普遍应用于工业与家庭，因此正在进行的寻求创新解决方案以克服噪声水平与能源效率等现有电机驱动装置局限性的研究非常有必要。这可以通过提高现有的电机技术，或更有效的是，采用更高级的控制策略来实现。由于电力电子领域及可编程数字器件技术的不断发展，目前更复杂的控制方法已应用于消费领域，带来了在数年前闻所未闻的性能水平。

三相异步电机由于具有耐久性、角速度高、卓越的功率/重量比、低成本以及无滑动接触带来的出色低噪声水平等特点，成为工业应用中使用最为广泛的驱动装置。家庭应用中，缺少三相驱动装置以及电机速度难以调整（需要高成本的电力电子设备）阻碍了三相异步电机在这一重要市场领域中的推广。

在本文中，我们将描述一种新型的阿里斯顿三相控制技术，是其超静音家用洗衣机新品牌所采用的技术。我们还将阐述该技术如何实现家用型低成本驱动装置以及在低能耗水平下在洗涤及噪声方面达到的出色性能。

由于典型非线性方法内在的复杂性，我们决定设计一套开发系统，使得即使是非专家用户也能够合成并调整控制参数，使之适应任何特殊类型的洗衣机硬件，并更普遍地适应更多类型的电机控制应用。

该 CAD（计算机辅助设计）系统由一台 PC 主机与洗衣机主控制板构成。使用 PC 软件通过一系列与控制硬件连接进行通信，即可选出每个功能模块的控制结构及其相应参数。由于算法中的所有变量均可通过示波器直接获取或记录，形成随时间迅速变化的波形，因此，不具备控制系统合成领域专门技能的用户也能迅速调整其应用的众多控制参数。也就是说，是在实际系统而非模拟模型上的反复试验过程中调整参数。通过使用该方法，也可为后续处理过程获取数据并记录下时间响应趋势。

2．磁场定向控制

电压/频率控制是在三相异步电机变速控制中使用最为广泛的方法。为了调整电机速度，需进行主供电电压转换，同时必须相应调整电压振幅与频率，以保持恒定的定子磁通量与恒定的最大转矩。该方法并不能保证最优性能，尤其是在低速时，转矩损耗严重影响了洗衣机的正常工作。而且，由于该技术建立在电机的稳态数学模型基础上，因此速度调整性能差。

近年来，已开发出更多的高级控制方法，较以往电压/频率控制更具灵活性。最常用的方法是磁场定向控制法。

1972 年 Blaschke 开发的方法建立在非线性坐标变换原理基础上，将异步电机动态模型的数值转换为随转子磁通矢量旋转的参考坐标系。该坐标系即为 (d-q) 系统。

图 1、高斯平面中的 d-q 坐标系

由此，通过数学处理即可取代昂贵的硬件部件。

前述观测器的唯一参数是转子时间常量 Tr。该方法的主要缺点是，该数值的参数变化（主要由温度造成）可能会改变上述估算的可靠性。在我们的应用中，当参数正好位于指定的控制规范内时，达到的性能水平可避免这一缺点。

整体控制系统的复杂特性应更清楚些。从实施前景的角度出发，我们决定采用串级连接模块结构，下面我们给出该结构图并做简要说明。

图 2、控制参数结构图

电流控制器：为控制系统中最深处的环路，用于调节两个最高带宽的变量：转矩与磁通电流。由于采用了 Clarke & Park 逆变换，当速度一定时，这两个变量也为定值，而不是正弦波形。因此，可用两个顺向 (Straightforward) PI 控制器控制上述两个变量。设定值由最外部的环路进行设置。

磁通量控制器：磁通量控制器的目标是保证转子磁通量为恒定值（通常为最大允许值），从而保持方程式 (1) 的线性特性，实现最大的输出转矩。我们再次选择了 PI 控制器，其

此外，还可以对电压设定值进行选择，从而实现每个供电电压的最大转矩/振幅比。

直接 Clarke & Park 变换：在应用于调制算法之前，由电流控制器设置的电压电平必须在物理系统中进行复制。

3．磁场定向控制的实施

通过前文的阐述得知，尽管磁场定向控制能够确保卓越的性能并实现交流电机的高精确控制系统，但它强烈依赖于计算机运算，而且需要强大的硬件支持：

静态转换器（三相逆变器），将可变振幅与频率的对称、平衡、三相电压应用于电机。
执行控制方程的中央处理单元以及作为监控器的状态机。
与传感器及静态转换器（AD 转换器、捕获单元、6 个 PWM 端口）接口的 ALU 接口模块。
反馈信号变送器及调整模块，用于测量圆筒角速度与相电流。

实施该类型控制有多种方式，主要取决于所需的性能水平与控制电路的预算。作为"消费类"应用，本应用将优先考虑低成本的解决方案。可通过采用最少量的硬件以及能够克服电子系统局限性的软件来实现，用于成本为主要考虑因素的市场领域。

下面我们简要地关注一下控制板硬件。

三相电压电路采用逆变器构成，该逆变器实质上为 AC/AC 转换器。全波整流器将主电压转换为直流量，由静态开关适当分割，构造三个正弦波，之后应用于电机相位 (Motor phase)。三相桥简图如下所示。

图 3、三相逆变器

它采用 IGBT（绝缘栅双极晶体管）器件。对于本应用中的功率范围以及所选的开关频率，这些开关具有十分理想的性价比，而且其电压控制特性简化了在任何情况下都必须满足下列需求的电子控制电路的开发：

激活 IGBT 并驱动其进入饱与状态，栅极电压必须比发射极电压高 12－15 伏。这确保限制了集电极与发射极两端之间的电压降，从而限制了稳态损耗。
必须能使用逻辑信号控制栅极电压。这意味着这些信号的数值必须放大，对于顶部晶体管而言，需提高至其发射极电压之上。该值甚至会随时间变化至几百伏。
驱动电路必须具有适当的输出电阻，能够在不生成谐波信号前提下快速接通或切断 IGBT（最小整流损耗），因为谐波信号会影响控制板的 EMI。

在过去，上述功能通过使用分立组件来实现。由于电路的复杂性，目前一些领先的电力电子制造商正生产更加紧凑且可靠的解决方案，例如"栅极驱动器"集成电路。

这些器件采用自举型驱动器，在外部组件方面，每个上面的 IGBT 只需一个二极管与一个电容器。该电容器通过二极管进行充电，提供驱动上面的 IGBT 进入饱与状态所需的电荷，并维持足够长的时间。通常，栅极驱动器直接用接口连接至生成 6 个 PWM 引导信号的单元。在切断 IGBT 并激活相同分支电路中的另一 IGBT 之间预留停歇时间十分重要。事实上，晶体管整流延迟将造成危险的短路，会严重损坏逆变器本身。

这些驱动信号可由微控制器或专用 DSP 生成。许多数字电子产品制造商已通过添加装配有必要外围器件的逻辑单元实现了无刷电机与异步电机的三相控制，从而提高了其电机控制器件系列产品。这说明了市场对该领域的兴趣在不断增长。TI 目前正追求一个大胆的战略目标--提供仅需几美元的 DSP。依据客户需求，TI 已开发出一套完整的 DSP 控制器系列产品--TMS320C24x。所有器件均为数字控制应用提供一个理想的单芯片解决方案。

上面所讨论的器件实际上是将突出计算性能与外围器件结合的一起的混合处理器，专门为推出三相控制而设计，包括存储器（闪存或 ROM）、生成脉宽调制信号 (PWM) 的事件管理模块、模数转换器 (ADC) 以及通信端口（UART、SPI、CAN）。

TI 的 DSP 控制器： vTI 提出的解决方案包括一个 16 位、基于 40MIPS 定点 DSP 的 TMS320LF2401A 数字信号控制器（具有一个集成的单循环硬件乘法器），7 个 PWM 可变频率与停歇时间端口，5 个超高速的 10 位 ADC，一个具有 16 位定时器与异步串行通信的脉冲捕获电路。如图 4 所示。

图 4 TMS320LF2401A 结构图

TMS320LC2401A 为低成本的 ROM 配置，主要用于仪表器件领域 (appliance area)。作为仿真芯片，TMS320LF2401A 是一套出色的 TMS320LC2401A，它涵盖了后者的所有特性，由于引脚兼容、代码兼容，其闪存在开发阶段还可再编程。这是它的主要优势，可满足低成本约束条件并加快上市进程。

矢量控制需进行实时测量的反馈信号有相电流与电机转速，信号测量精度对反馈控制器的整体性能至关重要。

不幸的是，目前转换相电流最常用的技术十分昂贵，如使用与电机相位串联的霍尔效应传感器。除非采用光学隔离方式进行测量，否则使用分流电阻取代这些传感器并不可行。在我们的应用中，所选用的低成本解决方案由两个串联在三相逆变器两条分支电路上的分流器构成。

每个分流器的都有一个运算放大器，用于将电压放大使之恢复至 ADC 的工作范围内（0－3.3V）。它也被用于过滤电压，同时可添加偏置当量将上述范围减半以便进行负电流的转换。

该方法的工作原理易于理解。当分支电路的低 IGBT 被激活（或内部二极管自由轮转）时，通过分流器的电流即为相电流。通过在 PWM 中期对 AD 转换器进行采样测量，无须使用昂贵的传感器即可获得相电流的间接测量值。然而，该方法有一个缺点，即 IGBT 至少要在 AD 转换器的转换期间保持"开"的状态，而且不能在晶体管被激活后立即进行转换，这样取样才不会被整流噪声污染。

为了更加精确，电机的供电电压必须限制在与所用整流技术所能获得输出电压相匹配的范围内。

安装第三个分流器可避免上述问题。该分流器允许在足够长的 ON 期间内从两个通道进行测量，然而不利因素是电子器件成本将增加。

角速度的测量也将以较为经济的方式进行。为此，在电机上安装 AC 转速表作为速度传感器。为了使用 LF2401A 控制器脉冲捕获电路，需添加另一电路用于过滤信号，消除聚集在线缆的共模干扰。另外，还需将频率信号转换为携带有用信息的矩形波。

磁场定向算法的软件升级需要解决转速表的低分辨率问题，它对控制器的低转速性能具有重要的影响作用。为了解决该问题，我们使用一种依据一阶插补法的算法来估算角速度，可在每个时间单位获得更多的可用信息。

	‘LF2401	‘LC2401
DSP 内核	‘C2xx	‘C2xx
MIPS	40MIPS	40MIPS
快闪（16 位字）	8k x 16	－
ROM（16 位字）	－	8k x 16
RAM（16 位字）	1k x 16	1k x 16
事件管理器	有	有
－GP 定时器	2	2
－PWM	7	7
－CAP	1	1
看门狗定时器	有	有
10 位 ADC	有	有
通道数	5	5
－转换时间	500ns	500ns
SCI	有	有
数字 I/O 引脚	13	13
I/O 电压范围	3.3V±10%	3.3V±10%
内核电压范围	3.3V±10%	3.3V±10%
温度范围	-40/+85℃	-40/+85℃
封装	32LQFP	32LQFP

图 5 TMS320LF2401A 与 TMS320LC2401A 配置

4． CAD 开发系统

调整磁场定向控制系统使之适用于特定的洗衣机硬件与特定的电机并非易事。必须合成控制及状态观察器参数、选择主要洗涤参数与策略、并在多种不同的负载下验证其性能。为此，设计人员还需定义并牢记各种控制器内部变量所使用的数据格式。实际上，使用定点处理器意味着数字信号控制器中的每个数值都需正确标定刻度，确保其变动范围以绝对数值项形式位于相应的 16 位数字信号控制器中。也就是说，通常只有控制器设计工程师才能够调整如此复杂的控制器参数，使之满足特定的用户需求。

这就是我们在算法实施的早期阶段就决定提供一套 CAD 工具用来简化，同时能直观地更新、修改控制器每个独立参数的原因。因此，在编写固化软件时需要加倍努力。在对方程式进行运算时，所有参数列于 RAM 表中，使其能进行外部编辑。

最终成果是一套在整个控制合成与实施过程中对设计工程师有帮助的全面开发系统。在硬件方面，系统由上述安装了 LF2407A 等控制器的控制板组成。系统还有一条外部总线，能够通过高带宽 DAC 显示所有内部控制变量。实际上，参数合成过程还应包括需控制的信号波形有效性验证。举例来说，这可基于信号上升时间以及控制环路阶跃过冲的测量。在软件方面，我们设计了一套能与控制板进行实时异步串行通信的工具，因此可在控制板上执行各种操作，包括设置每个控制器的设定值、修改所有算法参数、电机运行期间显示变量值以及记录与设定值变化相关的速度分布图。

图 6、三相开发系统界面图 (screenshot)

在各种情况下控制器实施均采用国际单位制计量单位，而不是费尽周折地换算内部使用的定点格式。另外，通过 GPIB 总线通信的方式，可用同一软件控制制动装置与功率计，二者分别用于设置电机转矩值与速度值，使该算法可在各种不同运行条件下进行测试。三相功率表通过上述同一 GPIB 总线进行通信完成试验性安装。

下图为所述开发系统各组件的实例：

图 7、开发系统组件

由于有了该类型的工具，极大简化了控制器合成。首先最重要的是，可定义控制器内核参数，如具有最高带宽的参数；在本应用中的电流环路中，阶跃可通过 PC 应用于电流以及可用示波器测量的相对输出量，从而调整参数确保信号上升时间与过冲位于设计规范内，同时适当限制整体信号干扰。电流控制器参数建立后，即可假定环路为瞬态系统，以类似的方法 (similar line) 设置外部环路参数。

非平衡负载虚拟传感器等其它多种应用的专用算法也可用同样的方法处理。数字信号控制器输出非常精确估算值的高处理性能对机器旋转周期的在线自适应至关重要。

无须修改任何控制器代码即可实现所有上述性能。

5．结论

本文提出了一种用于三相异步电机驱动装置矢量控制参数合成的开发系统，它采用 TI 的 LF2407A。该工具为 Merloni Elettrodomestici 超静音洗衣机控制系统设计项目的一部分。

它所实现的最主要优点是显著降低洗衣机的噪声。

由于采用三相电机以及具有特殊隔音材料、用于吸收所有应力（任何碰撞）的悬浮系统 (suspension system)，因此静音得以保证。在夜晚减小 10 分贝的效果尤为理想。

与普通电机相比，交流电机固有的高效性使得用户能够体验到工作成本降低的效果，如洗涤时间缩短 30％，更不用说考虑磁场定向算法还能使设计者在负载变化的情况下灵活实施高效优化算法 [5]。Merloni 目前在较大价格范围将此技术应用于更多的洗衣机中。

由于此技术方法的内在复杂性，我们决定制作一种更通用的工具，以尽可能最简单的方式更改控制使之适用于我们的应用。最终结果是采用一套软硬件解决方案，使我们能够十分迅速地调整特定电机或洗衣机的算法。这些参数可保存于永久性存储器中，并在生产工厂机器测试阶段编写入洗衣机内。因此仅采用一个版本的固件就有可能控制无数的电机和三相洗衣机。