用于家用洗衣機(jī)的三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置

摘　要：三相異步電機(jī)是目前家用洗衣機(jī)所用電機(jī)的有效替代品，使用專用的軟件解決方案，可在低成本硬件的條件下實(shí)現(xiàn)以矢量控制技術(shù)為特征的高控制性能。本文中提出一套開發(fā)系統(tǒng)，使得非專家用戶也能使用德州儀器 (TI) 的 TMS320LF2407A 數(shù)字信號(hào)控制器來(lái)調(diào)整所有的控制參數(shù)。通過(guò)用戶友好界面，無(wú)需修改任何代碼即可完成算法的調(diào)整。

關(guān)鍵詞：三相異步電機(jī)，洗衣機(jī)，磁場(chǎng)定向控制。

1．簡(jiǎn)介

　　電動(dòng)機(jī)占工業(yè)化國(guó)家能源消耗的很大一部分。由于電動(dòng)機(jī)普遍應(yīng)用于工業(yè)與家庭，因此正在進(jìn)行的尋求創(chuàng)新解決方案以克服噪聲水平與能源效率等現(xiàn)有電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置局限性的研究非常有必要。這可以通過(guò)提高現(xiàn)有的電機(jī)技術(shù)，或更有效的是，采用更高級(jí)的控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于電力電子領(lǐng)域及可編程數(shù)字器件技術(shù)的不斷發(fā)展，目前更復(fù)雜的控制方法已應(yīng)用于消費(fèi)領(lǐng)域，帶來(lái)了在數(shù)年前聞所未聞的性能水平。

　　三相異步電機(jī)由于具有耐久性、角速度高、卓越的功率/重量比、低成本以及無(wú)滑動(dòng)接觸帶來(lái)的出色低噪聲水平等特點(diǎn)，成為工業(yè)應(yīng)用中使用最為廣泛的驅(qū)動(dòng)裝置。家庭應(yīng)用中，缺少三相驅(qū)動(dòng)裝置以及電機(jī)速度難以調(diào)整（需要高成本的電力電子設(shè)備）阻礙了三相異步電機(jī)在這一重要市場(chǎng)領(lǐng)域中的推廣。

　　在本文中，我們將描述一種新型的阿里斯頓三相控制技術(shù)，是其超靜音家用洗衣機(jī)新品牌所采用的技術(shù)。我們還將闡述該技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)家用型低成本驅(qū)動(dòng)裝置以及在低能耗水平下在洗滌及噪聲方面達(dá)到的出色性能。

　　由于典型非線性方法內(nèi)在的復(fù)雜性，我們決定設(shè)計(jì)一套開發(fā)系統(tǒng)，使得即使是非專家用戶也能夠合成并調(diào)整控制參數(shù)，使之適應(yīng)任何特殊類型的洗衣機(jī)硬件，并更普遍地適應(yīng)更多類型的電機(jī)控制應(yīng)用。

　　該 CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）系統(tǒng)由一臺(tái) PC 主機(jī)與洗衣機(jī)主控制板構(gòu)成。使用 PC 軟件通過(guò)一系列與控制硬件連接進(jìn)行通信，即可選出每個(gè)功能模塊的控制結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)參數(shù)。由于算法中的所有變量均可通過(guò)示波器直接獲取或記錄，形成隨時(shí)間迅速變化的波形，因此，不具備控制系統(tǒng)合成領(lǐng)域?qū)ｉT技能的用戶也能迅速調(diào)整其應(yīng)用的眾多控制參數(shù)。也就是說(shuō)，是在實(shí)際系統(tǒng)而非模擬模型上的反復(fù)試驗(yàn)過(guò)程中調(diào)整參數(shù)。通過(guò)使用該方法，也可為后續(xù)處理過(guò)程獲取數(shù)據(jù)并記錄下時(shí)間響應(yīng)趨勢(shì)。

2．磁場(chǎng)定向控制

　　電壓/頻率控制是在三相異步電機(jī)變速控制中使用最為廣泛的方法。為了調(diào)整電機(jī)速度，需進(jìn)行主供電電壓轉(zhuǎn)換，同時(shí)必須相應(yīng)調(diào)整電壓振幅與頻率，以保持恒定的定子磁通量與恒定的最大轉(zhuǎn)矩。該方法并不能保證最優(yōu)性能，尤其是在低速時(shí)，轉(zhuǎn)矩?fù)p耗嚴(yán)重影響了洗衣機(jī)的正常工作。而且，由于該技術(shù)建立在電機(jī)的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，因此速度調(diào)整性能差。

　　近年來(lái)，已開發(fā)出更多的高級(jí)控制方法，較以往電壓/頻率控制更具靈活性。最常用的方法是磁場(chǎng)定向控制法。

　　1972 年 Blaschke 開發(fā)的方法建立在非線性坐標(biāo)變換原理基礎(chǔ)上，將異步電機(jī)動(dòng)態(tài)模型的數(shù)值轉(zhuǎn)換為隨轉(zhuǎn)子磁通矢量旋轉(zhuǎn)的參考坐標(biāo)系。該坐標(biāo)系即為 (d-q) 系統(tǒng)。

 
圖 1、高斯平面中的 d-q 坐標(biāo)系

　　由此，通過(guò)數(shù)學(xué)處理即可取代昂貴的硬件部件。

　　前述觀測(cè)器的唯一參數(shù)是轉(zhuǎn)子時(shí)間常量 Tr。該方法的主要缺點(diǎn)是，該數(shù)值的參數(shù)變化（主要由溫度造成）可能會(huì)改變上述估算的可靠性。在我們的應(yīng)用中，當(dāng)參數(shù)正好位于指定的控制規(guī)范內(nèi)時(shí)，達(dá)到的性能水平可避免這一缺點(diǎn)。

　　整體控制系統(tǒng)的復(fù)雜特性應(yīng)更清楚些。從實(shí)施前景的角度出發(fā)，我們決定采用串級(jí)連接模塊結(jié)構(gòu)，下面我們給出該結(jié)構(gòu)圖并做簡(jiǎn)要說(shuō)明。

 
圖 2、控制參數(shù)結(jié)構(gòu)圖

　　電流控制器：為控制系統(tǒng)中最深處的環(huán)路，用于調(diào)節(jié)兩個(gè)最高帶寬的變量：轉(zhuǎn)矩與磁通電流。由于采用了 Clarke & Park 逆變換，當(dāng)速度一定時(shí)，這兩個(gè)變量也為定值，而不是正弦波形。因此，可用兩個(gè)順向 (Straightforward) PI 控制器控制上述兩個(gè)變量。設(shè)定值由最外部的環(huán)路進(jìn)行設(shè)置。

　　磁通量控制器：磁通量控制器的目標(biāo)是保證轉(zhuǎn)子磁通量為恒定值（通常為最大允許值），從而保持方程式 (1) 的線性特性，實(shí)現(xiàn)最大的輸出轉(zhuǎn)矩。我們?cè)俅芜x擇了 PI 控制器，其

　　此外，還可以對(duì)電壓設(shè)定值進(jìn)行選擇，從而實(shí)現(xiàn)每個(gè)供電電壓的最大轉(zhuǎn)矩/振幅比。

　　直接 Clarke & Park 變換：在應(yīng)用于調(diào)制算法之前，由電流控制器設(shè)置的電壓電平必須在物理系統(tǒng)中進(jìn)行復(fù)制。

 
3． 磁場(chǎng)定向控制的實(shí)施

　　通過(guò)前文的闡述得知，盡管磁場(chǎng)定向控制能夠確保卓越的性能并實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)的高精確控制系統(tǒng)，但它強(qiáng)烈依賴于計(jì)算機(jī)運(yùn)算，而且需要強(qiáng)大的硬件支持：

　　• 靜態(tài)轉(zhuǎn)換器（三相逆變器），將可變振幅與頻率的對(duì)稱、平衡、三相電壓應(yīng)用于電機(jī)。
 
　　• 執(zhí)行控制方程的中央處理單元以及作為監(jiān)控器的狀態(tài)機(jī)。

　　• 與傳感器及靜態(tài)轉(zhuǎn)換器（AD 轉(zhuǎn)換器、捕獲單元、6 個(gè) PWM 端口）接口的 ALU 接口模塊。

　　• 反饋信號(hào)變送器及調(diào)整模塊，用于測(cè)量圓筒角速度與相電流。
 
　　實(shí)施該類型控制有多種方式，主要取決于所需的性能水平與控制電路的預(yù)算。作為"消費(fèi)類"應(yīng)用，本應(yīng)用將優(yōu)先考慮低成本的解決方案?？赏ㄟ^(guò)采用最少量的硬件以及能夠克服電子系統(tǒng)局限性的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，用于成本為主要考慮因素的市場(chǎng)領(lǐng)域。

　　下面我們簡(jiǎn)要地關(guān)注一下控制板硬件。

　　三相電壓電路采用逆變器構(gòu)成，該逆變器實(shí)質(zhì)上為 AC/AC 轉(zhuǎn)換器。全波整流器將主電壓轉(zhuǎn)換為直流量，由靜態(tài)開關(guān)適當(dāng)分割，構(gòu)造三個(gè)正弦波，之后應(yīng)用于電機(jī)相位 (Motor phase)。三相橋簡(jiǎn)圖如下所示。

圖 3、三相逆變器
　　
　　它采用 IGBT（絕緣柵雙極晶體管）器件。對(duì)于本應(yīng)用中的功率范圍以及所選的開關(guān)頻率，這些開關(guān)具有十分理想的性價(jià)比，而且其電壓控制特性簡(jiǎn)化了在任何情況下都必須滿足下列需求的電子控制電路的開發(fā)：

　　• 激活 IGBT 并驅(qū)動(dòng)其進(jìn)入飽與狀態(tài)，柵極電壓必須比發(fā)射極電壓高 12－15 伏。這確保限制了集電極與發(fā)射極兩端之間的電壓降，從而限制了穩(wěn)態(tài)損耗。
 
　　• 必須能使用邏輯信號(hào)控制柵極電壓。這意味著這些信號(hào)的數(shù)值必須放大，對(duì)于頂部晶體管而言，需提高至其發(fā)射極電壓之上。該值甚至?xí)S時(shí)間變化至幾百伏。

　　• 驅(qū)動(dòng)電路必須具有適當(dāng)?shù)妮敵鲭娮?，能夠在不生成諧波信號(hào)前提下快速接通或切斷 IGBT（最小整流損耗），因?yàn)橹C波信號(hào)會(huì)影響控制板的 EMI。
在過(guò)去，上述功能通過(guò)使用分立組件來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于電路的復(fù)雜性，目前一些領(lǐng)先的電力電子制造商正生產(chǎn)更加緊湊且可靠的解決方案，例如"柵極驅(qū)動(dòng)器"集成電路。

　　這些器件采用自舉型驅(qū)動(dòng)器，在外部組件方面，每個(gè)上面的 IGBT 只需一個(gè)二極管與一個(gè)電容器。該電容器通過(guò)二極管進(jìn)行充電，提供驅(qū)動(dòng)上面的 IGBT 進(jìn)入飽與狀態(tài)所需的電荷，并維持足夠長(zhǎng)的時(shí)間。通常，柵極驅(qū)動(dòng)器直接用接口連接至生成 6 個(gè) PWM 引導(dǎo)信號(hào)的單元。在切斷 IGBT 并激活相同分支電路中的另一 IGBT 之間預(yù)留停歇時(shí)間十分重要。事實(shí)上，晶體管整流延遲將造成危險(xiǎn)的短路，會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞逆變器本身。

　　這些驅(qū)動(dòng)信號(hào)可由微控制器或?qū)Ｓ?DSP 生成。許多數(shù)字電子產(chǎn)品制造商已通過(guò)添加裝配有必要外圍器件的邏輯單元實(shí)現(xiàn)了無(wú)刷電機(jī)與異步電機(jī)的三相控制，從而提高了其電機(jī)控制器件系列產(chǎn)品。這說(shuō)明了市場(chǎng)對(duì)該領(lǐng)域的興趣在不斷增長(zhǎng)。TI 目前正追求一個(gè)大膽的戰(zhàn)略目標(biāo)--提供僅需幾美元的 DSP。依據(jù)客戶需求，TI 已開發(fā)出一套完整的 DSP 控制器系列產(chǎn)品--TMS320C24x。所有器件均為數(shù)字控制應(yīng)用提供一個(gè)理想的單芯片解決方案。

　　上面所討論的器件實(shí)際上是將突出計(jì)算性能與外圍器件結(jié)合的一起的混合處理器，專門為推出三相控制而設(shè)計(jì)，包括存儲(chǔ)器（閃存或 ROM）、生成脈寬調(diào)制信號(hào) (PWM) 的事件管理模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 以及通信端口（UART、SPI、CAN）。

　　TI 的 DSP 控制器： vTI 提出的解決方案包括一個(gè) 16 位、基于 40MIPS 定點(diǎn) DSP 的 TMS320LF2401A 數(shù)字信號(hào)控制器（具有一個(gè)集成的單循環(huán)硬件乘法器），7 個(gè) PWM 可變頻率與停歇時(shí)間端口，5 個(gè)超高速的10 位 ADC，一個(gè)具有 16 位定時(shí)器與異步串行通信的脈沖捕獲電路。如圖 4 所示。

 
圖 4 TMS320LF2401A 結(jié)構(gòu)圖

　　TMS320LC2401A 為低成本的 ROM 配置，主要用于儀表器件領(lǐng)域 (appliance area)。作為仿真芯片，TMS320LF2401A 是一套出色的 TMS320LC2401A，它涵蓋了后者的所有特性，由于引腳兼容、代碼兼容，其閃存在開發(fā)階段還可再編程。這是它的主要優(yōu)勢(shì)，可滿足低成本約束條件并加快上市進(jìn)程。

　　矢量控制需進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量的反饋信號(hào)有相電流與電機(jī)轉(zhuǎn)速，信號(hào)測(cè)量精度對(duì)反饋控制器的整體性能至關(guān)重要。

　　不幸的是，目前轉(zhuǎn)換相電流最常用的技術(shù)十分昂貴，如使用與電機(jī)相位串聯(lián)的霍爾效應(yīng)傳感器。除非采用光學(xué)隔離方式進(jìn)行測(cè)量，否則使用分流電阻取代這些傳感器并不可行。在我們的應(yīng)用中，所選用的低成本解決方案由兩個(gè)串聯(lián)在三相逆變器兩條分支電路上的分流器構(gòu)成。

　　每個(gè)分流器的都有一個(gè)運(yùn)算放大器，用于將電壓放大使之恢復(fù)至 ADC 的工作范圍內(nèi)（0－3.3V）。它也被用于過(guò)濾電壓，同時(shí)可添加偏置當(dāng)量將上述范圍減半以便進(jìn)行負(fù)電流的轉(zhuǎn)換。

　　該方法的工作原理易于理解。當(dāng)分支電路的低 IGBT 被激活（或內(nèi)部二極管自由輪轉(zhuǎn)）時(shí)，通過(guò)分流器的電流即為相電流。通過(guò)在 PWM 中期對(duì) AD 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣測(cè)量，無(wú)須使用昂貴的傳感器即可獲得相電流的間接測(cè)量值。然而，該方法有一個(gè)缺點(diǎn)，即 IGBT 至少要在 AD 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換期間保持"開"的狀態(tài)，而且不能在晶體管被激活后立即進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這樣取樣才不會(huì)被整流噪聲污染。

　　為了更加精確，電機(jī)的供電電壓必須限制在與所用整流技術(shù)所能獲得輸出電壓相匹配的范圍內(nèi)。

　　安裝第三個(gè)分流器可避免上述問(wèn)題。該分流器允許在足夠長(zhǎng)的 ON 期間內(nèi)從兩個(gè)通道進(jìn)行測(cè)量，然而不利因素是電子器件成本將增加。

　　角速度的測(cè)量也將以較為經(jīng)濟(jì)的方式進(jìn)行。為此，在電機(jī)上安裝 AC 轉(zhuǎn)速表作為速度傳感器。為了使用 LF2401A 控制器脈沖捕獲電路，需添加另一電路用于過(guò)濾信號(hào)，消除聚集在線纜的共模干擾。另外，還需將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為攜帶有用信息的矩形波。

　　磁場(chǎng)定向算法的軟件升級(jí)需要解決轉(zhuǎn)速表的低分辨率問(wèn)題，它對(duì)控制器的低轉(zhuǎn)速性能具有重要的影響作用。為了解決該問(wèn)題，我們使用一種依據(jù)一階插補(bǔ)法的算法來(lái)估算角速度，可在每個(gè)時(shí)間單位獲得更多的可用信息。

10 位 ADC	有	有
通道數(shù)	5	5
－轉(zhuǎn)換時(shí)間	500ns	500ns
SCI	有	有
數(shù)字 I/O 引腳	13	13
I/O 電壓范圍	3.3V 關(guān)鍵詞： 消費(fèi)電子 其他IC 制程 消費(fèi)電子 評(píng)論 我來(lái)說(shuō)兩句…… 驗(yàn)證碼： 相關(guān)推薦 CES 2010：海信周厚健在CES高峰論壇發(fā)表主題演講 視頻 CES 消費(fèi)電子 | 2010-01-18 什么是AI筆記本電腦 - 你需要一個(gè)嗎？ 消費(fèi)電子 AI 消費(fèi)電子 | 2024-05-13 USB 設(shè)計(jì)方案 移動(dòng) 消費(fèi)電子 | 2014-12-31 瞄準(zhǔn)AI需求：臺(tái)積電在美第二座晶圓廠制程升級(jí)至2nm AI 臺(tái)積電 晶圓 制程 2nm 3nm | 2024-04-30 需求增大 臺(tái)積電等0.13微米制程產(chǎn)能吃緊 hpnet | 2003-08-14 臺(tái)積電產(chǎn)能供不應(yīng)求，將針對(duì)先進(jìn)制程和先進(jìn)封裝漲價(jià) EDA/PCB 臺(tái)積電 制程 封裝 3nm 5nm 英偉達(dá) CoWoS | 2024-06-18 晶圓代工市場(chǎng)冷熱分明，部分特定制程價(jià)格補(bǔ)漲、先進(jìn)制程正醞釀漲價(jià) EDA/PCB 晶圓代工 制程 先進(jìn)制程 TrendForce | 2024-06-20 高功能型環(huán)氧樹脂在印刷電路板貫孔制程上應(yīng)用的研究 informationspy | 2007-08-03 能滿足更小尺寸需求的制程技術(shù) star800 | 2007-09-06 AMD-ATI新制程工藝進(jìn)展迅速 推55nm informationspy | 2007-08-03 曝臺(tái)積電3nm瘋狂漲價(jià)：6nm/7nm制程卻降價(jià)了 EDA/PCB 臺(tái)積電 3nm 漲價(jià) 6nm/7nm 制程 | 2024-07-09 游戲設(shè)備 設(shè)計(jì)方案 游戲設(shè)備 消費(fèi)電子 | 2014-12-31 嵌入式Linux在消費(fèi)電子領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用 下 視頻 嵌入式 Linux 消費(fèi)電子 汽車電子 | 2009-10-26 EEPW 2006年精選實(shí)用電子設(shè)計(jì)100例第三部分-消費(fèi)電子 資源下載 EEPW 2006年 實(shí)用電子設(shè)計(jì) 消費(fèi)電子 | 2007-03-15 揭秘Intel 3：助力新一代產(chǎn)品性能、能效雙飛躍！ EDA/PCB Intel 3 制程 | 2024-06-14 ESD保護(hù)、終端和濾波 資源下載 周立功單片機(jī) 個(gè)人電腦 消費(fèi)電子 多媒體人機(jī)接口 AN070203 | 2007-03-30 CES 2010：XSTREAMHD 展位的演示視頻 視頻 CES 消費(fèi)電子 | 2010-01-18 字節(jié)跳動(dòng)與博通合作開發(fā)先進(jìn)AI芯片 智能計(jì)算 AI 消費(fèi)電子 字節(jié)跳動(dòng) | 2024-06-24 CES 2010 宣傳片 視頻 CES 消費(fèi)電子 | 2010-01-18 臺(tái)積電試產(chǎn)2nm制程工藝，三星還追的上嗎？ 臺(tái)積 三星 2nm 3nm 制程 | 2024-07-11 DVD 設(shè)計(jì)方案 DVD 消費(fèi)電子 | 2014-12-31 layout中電源和地的處理方法 資源下載 PCB 制程 layout 電源、地的處理 | 2007-12-20 imec 宣布牽頭建設(shè)亞 2nm 制程 NanoIC 中試線，項(xiàng)目將獲 25 億歐元資金支持 EDA/PCB 半導(dǎo)體 2nm SoC 制程 | 2024-05-21 印刷電路板制程簡(jiǎn)介 資源下載 印刷電路板 制程 簡(jiǎn)介 | 2007-03-23 1nm制程集成電路新賽道準(zhǔn)備就緒！ EDA/PCB 1nm 制程 集成電路 | 2024-07-19 數(shù)碼相機(jī) 設(shè)計(jì)方案 消費(fèi)電子 數(shù)碼相機(jī) | 2014-12-31 PCB供應(yīng)商部分制程關(guān)鍵參數(shù)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn) 資源下載 PCB 制程 參數(shù)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn) | 2007-12-19 機(jī)頂盒 設(shè)計(jì)方案 機(jī)頂盒 消費(fèi)電子 | 2014-12-31 飛思卡爾展望智能本市場(chǎng) 視頻 freescale 消費(fèi)電子 智能本 | 2010-02-10 PCB制作工藝流程概述 skywonderful | 2007-08-08 上一篇：可擴(kuò)展的多相解決方案提供前所未有的靈活性 下一篇：IR217x線性電流傳感器IC的使用 技術(shù)專區(qū) FPGA DSP MCU 示波器 步進(jìn)電機(jī) Zigbee LabVIEW Arduino RFID NFC STM32 Protel GPS MSP430 Multisim 濾波器 CAN總線 開關(guān)電源 單片機(jī) PCB USB ARM CPLD 連接器 MEMS CMOS MIPS EMC EDA ROM 陀螺儀 VHDL 比較器 Verilog 穩(wěn)壓電源 RAM AVR 傳感器 可控硅 IGBT 嵌入式開發(fā) 逆變器 Quartus RS-232 Cyclone 電位器 電機(jī)控制 藍(lán)牙 PLC PWM 汽車電子 轉(zhuǎn)換器 電源管理 信號(hào)放大器 關(guān)閉