一種BLDC電機驅動的洗衣機控制器設計方案

摘要：本文介紹了現階段洗衣機發展狀況以及基于BLDC電機驅動的洗衣機控制器設計方案。BLDC電機是一種無刷直流電機，有調速控制性能好且效率高、沒有勵磁損耗和低噪聲的特點。本電機驅動設計的控制器已經在實際生產中大量應用，并取得滿意效果，提升產品競爭力的同時也滿足了用戶更寬泛的需求。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/271652.htm

關鍵詞：洗衣機；BLDC；電機驅動；控制器設計

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2015.3.017

引言

隨著“節能減排”成了國家經濟發展“十一五”規劃綱要的指標，人們在綠色環保方面的意識也逐漸增加。對已經普及的洗衣機來說，洗衣機的能耗和洗凈率指標要求越來越高，所以現階段洗衣機技術主要強調的是變頻節能、低噪聲和高洗凈。尤其在高端洗衣機功能中，除了突出有觸摸按鍵的人機界面或帶除菌技術的健康洗之外，主要就體現在變頻控制整機性能的提升。同時，從上世紀70年代電容啟動式的單相異步電機控制技術在普通波輪洗衣機推廣以來，在實際運行過程中輸出功率低和電機噪聲大，不能滿足用戶更寬泛的需求，因此無刷直流（BLDC）電機的開發應用有非常重要的意義。本文介紹采用BLDC電機作為驅動的洗衣機控制器設計，先說明電機的基本操作原理及其主要參數，然后從控制器的軟硬件設計方面闡述了相關技術的運用。

1 BLDC電機概述

1.1 基本操作原理

近年來，無刷直流（BLDC）電機被引入到了傳統波輪洗衣機的驅動中，這種電動機系統由電動機本體加上驅動控制電路組成。BLDC電機定子與交流電機的定子結構基本相同，定子繞組通常為三相繞組（參見圖1），三相繞組沿定子鐵心對稱分布，在空間互差120度電角度，即每個相位具有120度的導通間隔。電機的轉子鐵心上粘上永磁體材料，永磁體的弧極為180度，永磁體產生的氣隙磁場呈梯形波分布，定子線圈內感應電動勢亦是交流梯形波。BLDC電機驅動使用直流電源和開關電路控制，微控制器通過IGBT驅動器控制開關電路，開關電路必須在每個繞組中使用一個高端開關和低端開關，從而產生旋轉磁場。電機轉子位置對于確定電機繞組換向所需的正確力矩非常重要，可以使用霍爾傳感器計算轉子的位置速度和轉矩。

1.2 電機主要參數

BLDC電機作為洗衣機變頻驅動電機使用時，其電機磁極對數一般為多極結構，本設計選用的電機主要參數如表1所示。通常洗衣機的轉速范圍是20r/min-1200r/min，所選用的電機調速范圍是5r/min-1500 r/min，完全滿足系統要求。

2 硬件設計

本文設計的BLDC電機驅動的洗衣機變頻控制器硬件電路部分主要包括微處理器及外圍接口、IGBT驅動器開關控制、電流信號檢測及故障保護、霍爾傳感器信號調理、UART通信及電源模塊（直流電源管理）電路?？刂破饔布δ軋D如圖2所示。

（1）微處理芯片及外圍接口

綜合考慮各種因素，本控制器選取Microchip公司的DSP PIC33FJ32MC作為本設計的MCU處理芯片。該款DSP芯片指令執行速度最高可達40MIPS，具有32KB的程序存儲器（FLASH）、6通道PWM模塊和10位ADC采樣模塊、16位通用定時器、可配置的串行通信接口（UART），并內置上電復位和低電壓中斷模塊。PIC33FJ32MC的功能符合設計時序的各項要求，可以有效地控制三相電機。利用PWM重加載SYNC信號為其他模塊（定時器、ADC）提供同步信號，該特性可實現三相逆變橋下臂電流采樣的目的，適合于家用電器控制器的設計。

（2）IGBT驅動器開關控制

電機驅動電路如圖3所示，驅動器采用大電流半橋高集成芯片L6388ED，每片驅動開關控制2路IGBT電流的導通或關斷。其中，驅動能力（包括轉換IGBT狀態所需的門驅動電壓和電流同步）和適當響應時間（如維持延遲、上升和下降時間）等算法均由微處理器控制實現。

（3）霍爾傳感器信號調理

如圖4所示為此設計的霍爾傳感器信號檢測電路，用于對輸入的霍爾脈沖信號進行濾波和幅值調整，霍爾信號驅動芯片采用英飛凌公司的TLE4961（鎖相開關），該芯片可在寬電壓范圍內工作，無需額外的電平轉換。

（4）電流信號檢測及故障保護

為了防止電機電流過大損壞控制器及電機等，需要對輸入到電機定子的三相電流幅值進行監控，如圖5所示的電流信號檢測及故障保護電路用于過流檢測電路故障的硬件保護。由于運算放大器為采樣到有極性電流，將采樣得到的電流信號加上一個偏置電壓+3.3V后送入下一級運算放大電路。

（5） UART通信

控制器與顯示面板之間采用UART通信方式（參見圖6），通信波特率最高為4800bps，可采用普通光耦TLP521作為隔離器件，其傳輸速率大致在20kb/S左右，能夠滿足UART通信速率的要求。

（6）電源模塊

BLDC電機在工作過程中的母線HVDC電壓也需要工作在穩定范圍內，采用直流電源管理來監測HVDC數值是否處于異常電壓下，可以及時關斷電壓供電的電路，保證提供穩定的+15V和+3.3V兩組電壓輸出。另外，采用電源模塊（直流電源管理）方案，具有電路輸出電壓穩定且所用元器件較少的特點。

3 軟件設計

隨著技術進步以及系統復雜度的不斷增加，軟件設計成為控制系統中的核心，在開發過程中所占的比重也越來越大。同時，由于電子器件的能力、系統開發成本等原因，系統的硬件電路不可能完全實現設計者所期望的全部性能指標，許多功能必須通過軟件設計來實現。通過軟硬件結合的開發過程，各種控制命令由微處理器控制電路完成，如與用戶顯示面板進行通信并接收來自用戶I/O口發來的指令，根據接收到的指令對電機轉速及轉矩進行控制，并實時檢測反饋電機狀態或上報故障信息等。因此，軟件設計的重點在于主程序設計，主程序流程主要包括系統初始化程序、UART通信程序、電機狀態管理程序、PID控制調速程序、故障保護處理程序、中斷服務程序，為提高系統的開發效率及維護的方便，控制系統軟件采用模塊化的設計思想。

3.1 主程序的設計流程圖

主程序像是個循環體，循環體內調用相應的子應用層程序來完成操作，運行的任務調度過程中使用了時間片輪詢的機理機制，與時間相關性強的操作都在此處理。發生中斷請求時，保存當前程序執行狀態，然后轉去執行相應的中斷服務程序，執行完中斷服務程序后再返回到主循環中，繼續循環程序中斷主要采用定時器中斷處理。主程序設計流程圖如圖7所示。

3.2 PID調速控制

洗滌和脫水動作的速度是隨時間逐步變化的，需要有電機加速、電機減速的處理以及爬坡率的設置等處理，同時為了降低扭矩變化速率小和根據的速度變化聯系，也需要對電機的輸出和反饋進行PID調節運算。因此BLDC電機的PID調速控制模塊是本系統的重點，以常規PID控制為基礎，采用模糊推理思想根據不同的e和ec對PID參數進行自整定，按這種思想構成的控制系統由兩部分組成，即常規PID控制部分和模糊推理的參數校正部分，結構圖如圖8所示。

通過大量的實驗數據，根據Kp、Ki、Kd對系統輸出特性的影響情況，輸入變量仍選取速度反饋值和給定轉速值的誤差e、誤差的變化ec。在軟件處理時，將不同狀態下電機的目標速度、加速度，加權平均量化后計算入PID參數調節時間間隔，做成對應的表固化在Flash中，電機管理程序調用不同速度的索引值，就可以在不同應用中轉速輸出不同。

4 結語

現階段的洗衣機技術主要是強調節能技術和變頻技術的運用，本文介紹了一種基于BLDC電機驅動控制的洗衣機控制器的應用設計方案，包括電機驅動的軟硬件的實現方法。通過在關鍵任務子系統中使用BLDC電機，采用霍爾傳感器檢測和自適應PID調節器，更易于高速地控制電機的扭矩和轉速。實驗證明，本文設計的控制器實用性強，可控性好，能準確快速地控制電機運轉。本文的方案已經過實踐檢驗，并已量產。當然，本方案只起到拋磚引玉的作用，因為隨著技術的進步，如今市面上還有很多性能更優的微控制器，例如，恩智浦ARM微控制器產品線。