用于家用洗衣機的三相電機驅(qū)動裝置
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摘 要：三相異步電機是目前家用洗衣機所用電機的有效替代品，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)字信號控制器來調(diào)整所有的控制參數(shù)。通過用戶友好界面，無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，洗衣機，磁場定向控制。
1．簡介
電動機占工業(yè)化國家能源消耗的很大一部分。由于電動機普遍應(yīng)用于工業(yè)與家庭，因此正在進行的尋求創(chuàng)新解決方案以克服噪聲水平與能源效率等現(xiàn)有電機驅(qū)動裝置局限性的研究非常有必要。這可以通過提高現(xiàn)有的電機技術(shù)，或更有效的是，采用更高級的控制策略來實現(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)用于消費領(lǐng)域，帶來了在數(shù)年前聞所未聞的性能水平。
三相異步電機由于具有耐久性、角速度高、卓越的功率/重量比、低成本以及無滑動接觸帶來的出色低噪聲水平等特點，成為工業(yè)應(yīng)用中使用最為廣泛的驅(qū)動裝置。家庭應(yīng)用中，缺少三相驅(qū)動裝置以及電機速度難以調(diào)整（需要高成本的電力電子設(shè)備）阻礙了三相異步電機在這一重要市場領(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新品牌所采用的技術(shù)。我們還將闡述該技術(shù)如何實現(xiàn)家用型低成本驅(qū)動裝置以及在低能耗水平下在洗滌及噪聲方面達到的出色性能。
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硬件，并更普遍地適應(yīng)更多類型的電機控制應(yīng)用。
該 CAD（計算機輔助設(shè)計）系統(tǒng)由一臺 PC 主機與洗衣機主控制板構(gòu)成。使用 PC 軟件通過一系列與控制硬件連接進行通信，即可選出每個功能模塊的控制結(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示波器直接獲取或記錄，形成隨時間迅速變化的波形，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，是在實際系統(tǒng)而非模擬模型上的反復(fù)試驗過程中調(diào)整參數(shù)。通過使用該方法，也可為后續(xù)處理過程獲取數(shù)據(jù)并記錄下時間響應(yīng)趨勢。
2．磁場定向控制
電壓/頻率控制是在三相異步電機變速控制中使用最為廣泛的方法。為了調(diào)整電機速度，需進行主供電電壓轉(zhuǎn)換，同時必須相應(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，轉(zhuǎn)矩?fù)p耗嚴(yán)重影響了洗衣機的正常工作。而且，由于該技術(shù)建立在電機的穩(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，已開發(fā)出更多的高級控制方法，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，將異步電機動態(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，通過數(shù)學(xué)處理即可取代昂貴的硬件部件。
前述觀測器的唯一參數(shù)是轉(zhuǎn)子時間常量 Tr。該方法的主要缺點是，該數(shù)值的參數(shù)變化（主要由溫度造成）可能會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，達到的性能水平可避免這一缺點。
整體控制系統(tǒng)的復(fù)雜特性應(yīng)更清楚些。從實施前景的角度出發(fā)，我們決定采用串級連接模塊結(jié)構(gòu)，下面我們給出該結(jié)構(gòu)圖并做簡要說明。
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，這兩個變量也為定值，而不是正弦波形。因此，可用兩個順向 (Straightforward) PI 控制器控制上述兩個變量。設(shè)定值由最外部的環(huán)路進行設(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，實現(xiàn)最大的輸出轉(zhuǎn)矩。我們再次選擇了 PI 控制器，其
此外，還可以對電壓設(shè)定值進行選擇，從而實現(xiàn)每個供電電壓的最大轉(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)中進行復(fù)制。
3． 磁場定向控制的實施
通過前文的闡述得知，盡管磁場定向控制能夠確保卓越的性能并實現(xiàn)交流電機的高精確控制系統(tǒng)，但它強烈依賴于計算機運算，而且需要強大的硬件支持：
• 靜態(tài)轉(zhuǎn)換器（三相逆變器），將可變振幅與頻率的對稱、平衡、三相電壓應(yīng)用于電機。
• 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。
• 與傳感器及靜態(tài)轉(zhuǎn)換器（AD 轉(zhuǎn)換器、捕獲單元、6 個 PWM 端口）接口的 ALU 接口模塊。
• 反饋信號變送器及調(diào)整模塊，用于測量圓筒角速度與相電流。
實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"消費類"應(yīng)用，本應(yīng)用將優(yōu)先考慮低成本的解決方案?？赏ㄟ^采用最少量的硬件以及能夠克服電子系統(tǒng)局限性的軟件來實現(xiàn)，用于成本為主要考慮因素的市場領(lǐng)域。
下面我們簡要地關(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)造三個正弦波，之后應(yīng)用于電機相位 (Motor phase)。三相橋簡圖如下所示。
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比，而且其電壓控制特性簡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)動其進入飽與狀態(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控制柵極電壓。這意味著這些信號的數(shù)值必須放大，對于頂部晶體管而言，需提高至其發(fā)射極電壓之上。該值甚至?xí)S時間變化至幾百伏。
• 驅(qū)動電路必須具有適當(dāng)?shù)妮敵鲭娮瑁軌蛟诓簧芍C波信號前提下快速接通或切斷 IGBT（最小整流損耗），因為諧波信號會影響控制板的 EMI。
在過去，上述功能通過使用分立組件來實現(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)動器"集成電路。
這些器件采用自舉型驅(qū)動器，在外部組件方面，每個上面的 IGBT 只需一個二極管與一個電容器。該電容器通過二極管進行充電，提供驅(qū)動上面的 IGBT 進入飽與狀態(tài)所需的電荷，并維持足夠長的時間。通常，柵極驅(qū)動器直接用接口連接至生成 6 個 PWM 引導(dǎo)信號的單元。在切斷 IGBT 并激活相同分支電路中的另一 IGBT 之間預(yù)留停歇時間十分重要。事實上，晶體管整流延遲將造成危險的短路，會嚴(yán)重?fù)p壞逆變器本身。
這些驅(qū)動信號可由微控制器或?qū)Ｓ?DSP 生成。許多數(shù)字電子產(chǎn)品制造商已通過添加裝配有必要外圍器件的邏輯單元實現(xiàn)了無刷電機與異步電機的三相控制，從而提高了其電機控制器件系列產(chǎn)品。這說明了市場對該領(lǐng)域的興趣在不斷增長。TI 目前正追求一個大膽的戰(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)用提供一個理想的單芯片解決方案。
上面所討論的器件實際上是將突出計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，包括存儲器（閃存或 ROM）、生成脈寬調(diào)制信號 (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 16 位、基于 40MIPS 定點 DSP 的 TMS320LF2401A 數(shù)字信號控制器（具有一個集成的單循環(huán)硬件乘法器），7 個 PWM 可變頻率與停歇時間端口，5 個超高速的10 位 ADC，一個具有 16 位定時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，可滿足低成本約束條件并加快上市進程。
矢量控制需進行實時測量的反饋信號有相電流與電機轉(zhuǎn)速，信號測量精度對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)隔離方式進行測量，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。
每個分流器的都有一個運算放大器，用于將電壓放大使之恢復(fù)至 ADC 的工作范圍內(nèi)（0－3.3V）。它也被用于過濾電壓，同時可添加偏置當(dāng)量將上述范圍減半以便進行負(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，通過分流器的電流即為相電流。通過在 PWM 中期對 AD 轉(zhuǎn)換器進行采樣測量，無須使用昂貴的傳感器即可獲得相電流的間接測量值。然而，該方法有一個缺點，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行轉(zhuǎn)換，這樣取樣才不會被整流噪聲污染。
為了更加精確，電機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)。
安裝第三個分流器可避免上述問題。該分流器允許在足夠長的 ON 期間內(nèi)從兩個通道進行測量，然而不利因素是電子器件成本將增加。
角速度的測量也將以較為經(jīng)濟的方式進行。為此，在電機上安裝 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濾信號，消除聚集在線纜的共模干擾。另外，還需將頻率信號轉(zhuǎn)換為攜帶有用信息的矩形波。
磁場定向算法的軟件升級需要解決轉(zhuǎn)速表的低分辨率問題，它對控制器的低轉(zhuǎn)速性能具有重要的影響作用。為了解決該問題，我們使用一種依據(jù)一階插補法的算法來估算角速度，可在每個時間單位獲得更多的可用信息。
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10 位 ADC |
有 |
有 |
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通道數(shù) |
5 |
5 |
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－轉(zhuǎn)換時間 |
500ns |
500ns |
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SCI |
有 |
有 |
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數(shù)字 I/O 引腳 |
13 |
13 |
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I/O 電壓范圍 |
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