洗衣機中無刷直流電機變頻控制系統設計

崔　延　陸新芳（.蘇州工業園區職業技術學院，江蘇　蘇州　53；.江蘇新安電器有限公司，江蘇　　蘇州　53）

洗衣機中無刷直流電機變頻控制系統設計

崔延1陸新芳2
（1.蘇州工業園區職業技術學院，江蘇蘇州215123；2.江蘇新安電器有限公司，江蘇蘇州215131）

摘要：本文研究了采用無刷直流電機作為洗衣機驅動電機，以瑞薩R8C/25系列的R5F21258SNFP作為主控芯片設計了無刷直流調速控制系統，本文對硬件電路和軟件設計進行了介紹。系統結構簡單，運行可靠，效果良好。

關鍵詞：無刷直流電機（BLDC）；智能功率模塊（SPM）；變頻

資助項目：江蘇省高等職業院校國內高級訪問學者計劃資助項目（2013FX045）。

在全球關注節能的今天，洗衣機的能效也一直受關注。直流電機因為能夠改變和控制速度，可以提高效率節省能源，越來越受到重視。采用直流無刷變頻電機是洗衣機的發展趨勢。

1無刷直流電機變頻控制系統設計

1.1系統總體設計

三相無刷直流電機控制系統組成主要有：無刷直流電機、逆變器、位置傳感器和控制器。

圖1變頻控制系統框圖

系統控制如圖1所示，主控制器用于發送控制命令和處理采集到的數據，轉子位置通過讀取直流電機上霍爾元件信號來確定的，依據轉子的位置而改變PWM信號，從而實現對電機轉速和轉動方向的控制。智能功率模塊（SPM）返回電流檢測信號以檢測直流電機相電流。為提高系統可靠性和安全性，設有故障檢測單元，當發生過壓、過流、欠壓、超重等情況時會發出故障信號，關閉功率管輸出，停止電機運轉。

1.2變頻控制方案

洗衣機在洗衣攪拌時，需要電機具有較大轉矩，在脫水時需要高速旋轉。驅動控制系統要對電機實現起停、正反轉及調速控制。采用如圖2所示的轉速、電流雙閉環控制結構。

外環為速度環，主要實現轉速的抗干擾調節。內環為電流環，主要實現電流跟隨、過流保護和抑制電壓擾動。電流反饋信號由智能功率模塊SPM輸出，速度反饋信號則是由位置傳感器輸出的位置量通過計算得到。系統的穩態是通過對雙閉環先內后外的控制來實現，即先設計電流調節，然后將電流環作為轉速調節器中的一環來設計轉速調節。

圖2無刷直流電機的速度控制結構框圖

2系統硬件設計

本系統選用瑞薩8C/25

群產品，R8C為16位CISCMCU，具有高ROM效率、低噪音、低功耗和高處理性能。選用的R5F21258SNFP芯片具有52引腳LQFP封裝，擁有41個可編程輸入/輸出端口，最高工作頻率為20MHz，支持2.2 V～5.5V工作電壓，此外還具有豐富的外圍功能：UART/時鐘同步串行接口、8位多功能定時器、輸入捕捉定時器、監視定時器、振蕩停止檢測等。

Fairchild智能功率模塊SPM（Smart PowerModule）FNB41060，提供了緊湊和高性能的三相逆變器驅動方案，在一個獨立的封裝里結合了低損耗IGBT和優化的柵極驅動，同時集成了欠壓、過流保護輸入、溫度監控等。SPM模塊外圍電路簡單，PCB布局方便，芯片低側IGBT三個獨立的發射極開路引腳為三路相電流檢測提供了可能。

從SPM輸出的電流檢測信號需要經過放大處理送入微控器，這里采用運放LM258，電路如圖3所示。

3系統軟件設計

系統軟件采用模塊化設計，主要包括：主程序、初始化子程序、捕捉中斷子程序、A/D轉換子程序、調速子程序、顯示子程序等。在電機轉速突變時常會引起積分飽和現象，為了消除積分飽和，采用變速積分PID算法：設法改變積分項的累加速度，使其與偏差的大小相適應。其表達式為

式中系數f[e（k）]，它是e（k）的函數：

f值在0～1區間變化，當偏差大于A+B時，說明已進入飽和區，f＝0，不再進行積分項的累加；當｜e（k）｜≤A+B時，f隨偏差的減小而增大，累加速度加快，直至偏差小于B后，累加速度達到最大值1。實際中A，B的值可做一次性整定，當A，B的值選得越大，變速積分對積分飽和抑制作用就越弱，反之越強。一般取A＝30%[｜e（k）｜]max，B＝20% [｜e（k）｜]max。

變速積分PID控制算法流程如圖4所示。圖5是采用Matlab對變速積分PID的仿真，可看出對積分項的控制是緩慢變化的。在控制系統中采用變速積分PID算法，消除了一般PID算法中的積分飽和現象，電機調速穩定，并具有快速跟隨性。

4實驗測試

實驗用無刷直流電機參數為：電壓范圍240V-340V，電流2.0A，額定轉矩2.4N·m，額定功率220W，額定轉速850r/min。圖6為測得電機在不同轉速下的PWM脈沖波形，圖6（a）為電機慢速運行時的脈寬，相對較窄；圖6（b）電機速度變快，脈沖寬度增大。實驗證明，系統運行穩定，調速性能優良，效果較好。

圖4變速積分PID程序流程圖

結語

本文分析了采用無刷直流電機作為驅動電機的變頻洗衣機控制系統，采用了瑞薩R8C/25系列微控制器和智能功率模塊組合。實驗結果表明，先進控制技術的綜合運用，使得變頻洗衣機比傳統的洗衣機更具個性化功能，其優勢無可比擬。

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圖6測試波形

中圖分類號：TM351

文獻標識碼：A

作者簡介：崔延，副教授/高工，蘇州工業園區職業技術學院電子工程系。