波輪變頻洗衣機用電流檢知電路標準化設計

1 引言

近年來，為了適應日益增長的節能減排家電發展的市場發展需求，結合用戶的消費等級，各洗衣機生產商需要開發具有階梯價格的變頻洗衣機來滿足不同的客戶群體。

目前市場上，變頻波輪洗衣機根據其電機主要分為兩類：三相感應電機、永磁直流無刷電機；根據其轉速反饋方式分為：帶霍爾傳感器的和不帶霍爾傳感器的反饋方式；根據其控制方式又分為：V/f控制、矢量控制。以上控制方式都需要配以專用的電流檢知方式來滿足其需求。

以往，不同馬達的電流檢知的手法不一，每次都需要設計人員針對電流檢知電路進行重復設計，浪費開發工時；同時，一旦采用專用的集成的電流檢知芯片，因受其使用量的限制，成本會很高。由此可見，針對變頻控制中的電流檢知電路，如果采用分立器件實現標準化設計，對于提升變頻洗衣機的開發效率和削減成本是有重要意義的。

2 電流檢知電路的標準化設計

以市場上現在販賣的某波輪變頻洗衣機為例，主要分為A系列、B系列、C系列（以某公司8kg容量的變頻洗衣機為例，構成圖如圖1所示）。變頻馬達主要應用在以下三個模塊上，起洗滌攪拌、脫水作用的主馬達；起抽水或者排水作用的泵馬達；烘干時起到循環送風作用的風扇馬達。電路上分別以霍爾傳感器、電流檢知電路形成馬達的閉環反饋電路，配合驅動電路實現變頻馬達的控制。

主馬達主要應用了永磁同步無刷直流電機、三相感應電機。泵馬達、烘干風扇主要應用了永磁同步無刷直流電機。以往，為了控制不同的馬達，電流檢知方面因檢知的手法不一，每次都需要設計人員進行重復設計，浪費開發工時；同時，因沿用專用的集成的電流檢知芯片，受其使用量的限制，成本會很高。下面將針對現行的電流檢知手法進行說明，明確電流檢知電路標準化存在的課題，然后進行電流檢知電路的標準化設計。

2.1 現行馬達控制及電流檢知方法

2.1.1 永磁同步無刷直流電機

永磁同步無刷直流電機中，主要應用了以下兩種方式進行控制：

（1）帶有霍爾傳感器的電壓控制

如圖2所示，適用范圍為A系列，反饋構成：3個霍爾傳感器實現轉數以及轉子位置檢知；1-shunt電流檢知電路實現布量、振動、過電流檢知。電流檢知電路構成為1-shunt電流檢知電路（如圖3）。當前主IC可以根據其反饋檢知各處電流的綜合值，但無法實現回轉數以及馬達轉子位置的檢知。

（2）無霍爾傳感器矢量控制

如圖4所示，適用范圍為A系列、B系列泵馬達、風扇馬達。反饋構成為3-shunt電流檢知電路。通過三相電流檢知實現馬達回轉數以及轉子位置檢知，同時實現布量、振動和過電流檢知。電流檢知電路構成為3-shunt電流檢知電路，3相電流檢知其中的一相檢知電路如圖5所示。

同時，對三相電流Iu、Iv、Iw實時檢知并進行計算，不僅可以取得回轉數以及馬達轉子位置信息，而且可同時實現過電流、欠相、堵轉等異常現象判定。

2.1.2 三相感應電機

（1）帶有霍爾傳感器的電壓控制

如圖6所示，適用范圍為C系列，反饋構成為1個霍爾傳感器用于轉數檢知，3-shunt電流檢知電路實現布量、振動、過電流檢知。電流檢知電路構成為3-shunt電流檢知電路，電路構成同圖5。通過3相電流檢知電路實現每相電流的實時檢知，然后通過其中最大相的電流值實現布量、振動、過電流等檢知。

綜上所述，因每次制品的電流檢知手法不同，導致所需電流檢知電路構成、精度各不相同，這就增加了新制品在開發時的復雜度及開發工時。因此，為了提高開發效率，實現電流檢知電路的標準化設計顯得十分重要。

2.2 電流檢知電路的標準化設計

為了統一以上三個電路，存在如何選擇shunt電阻的個數以及如何實現閉環控制等課題。1個shunt電阻構成電流檢知電路可能成本很低，但實現無霍爾傳感器的矢量控制很困難。3個shunt電阻構成電流檢知電路，可以實現無霍爾傳感器的矢量控制，下文將論述對應的電流檢知設計方案。

2.2.1 標準化3-shunt電流檢知電路設計

反饋構成為A、B、C系列主馬達、泵馬達、風扇馬達。因為電流檢知電路和馬達控制的方式相關，本次為將來開展無霍爾傳感器的矢量控制，采用分立器件利用3個shunt電阻構成3-shunt電流檢知電路。

因為泵馬達已經實現了基于3-shunt電流檢知的矢量控制，因此控制方式上采用3-shunt沒有問題，課題僅僅是在分立器件的使用上。而對于主馬達，為了節省開發工時，采用3個shunt電阻中的一個shunt電阻進行采樣實現馬達的控制。

由標準化的電流檢知電路構成的變頻控制反饋系統如圖7所示。電流檢知電路構成為3-shunt電流檢知電路。3-shunt電流檢知電路中的其中一相電流檢知電路構成如圖8所示。

（1）檢知范圍和精度

因制品容量不同，導致馬達負荷特性不同，因此其電流檢知的范圍、精度亦需分別設置，通過調整以下R1、R2、RS的電阻值，即可滿足所需電流檢知電路所檢知的范圍以及精度。

圖1 某公司各變頻馬達及電流檢知電路構成

圖2 電壓控制（1-shunt）

圖3 1-shunt電流檢知電路

圖4 矢量控制（3-shunt）

圖5 3-shunt電流檢知回路圖

圖6 電壓控制（3-shunt）

圖7 標準化的電流檢知電路的變頻控制反饋系統

圖8 標準化3-shunt電流檢知電路圖

同時，為了防止馬達或者功率器件發生過電流或者短路，電路中增加了比較器電路，對電路起到保護作用。標準化的電流檢知電路和現行的電流檢知電路的檢知范圍如圖9所示。由圖9可知，標準化電流檢知電路可以滿足各種電機負荷所需的檢知范圍及精度要求。

（2）制品的影響

下文將對因電流檢知電路變更對制品性能的影響進行論述。

馬達驅動方面，根據霍爾傳感器的信號，對馬達轉子的位置檢知，實現換向控制，電流檢知電路對其沒有影響。但是，針對馬達運轉狀態的反饋，如異常振動、堵轉、過電流等異常狀態檢知時，需要通過電流檢知電路反饋的電流來實現。

本次通過對制品脫水時因制品不平衡發生的異常振動進行論述。采用1-shunt電流檢知電路時，電流檢知電路的輸入輸出關系如圖10（a）所示。

在1-shunt電流檢知電路中，主IC檢知到的是與輸入電流IIN-綜合的峰值存在對應的電壓值VOUT，關系如式（4）所示。

由式（4）可知，主IC相當于對電流的峰值進行檢知，當制品因不平衡發生異常振動時，電流值發生變化，因此可以通過電流的變化準確的判定出制品運轉時是否發生異常振動，避免制品在高轉矩大電流的情況下運轉。采用3-shunt電流檢知電路時，電流檢知電路的輸入與輸出關系如圖10（b）所示，為了獲得電流的實時值，電路在主IC的入口處去掉了平滑電容，使主IC在檢知電壓時，避免了功率開關器件瞬間的導通關斷帶來的干擾，通過霍爾周期計算電流的有效值，關系如式（5）所示。

由（5）式可知，主IC相當于對電流的有效值進行檢知，當制品發生不平衡振動和安定啟動時，電流的變化很小，異常振動檢知精度不佳。所以，3-shunt并不適于制品異常振動的判定，而通過檢測回轉傳感器的回轉數隨馬達轉矩變調度的變化，可實現制品異常振動的檢知，如圖11所示。

2.2.2 標準化3-shunt電流檢知電路部品分立化設計

以往用于變頻馬達反饋的電流檢知電路均是集成化專用化的，不僅成本高，而且由于對廠家過分依賴，部品的調達也存在一定的風險。

本次電流檢知電路采用分立器件構成，解決了對單一集成器件廠家的依賴，實現了穩定的通用化貨源供應，削減了設計成本，就構成某公司C系列產品相同電路的集成器件與分立器件相比，分立器件可有效削減成本25%。

應用分立器件構成電流檢知電路，由于運放的輸入輸出連接線間的電流很小，所以連接線上的一點點微弱阻抗，都將使電流檢知電路的精度受到影響，也很容易受到干擾。因此，線路板在布線設計時，為了讓電流檢知電路的精準度更高，工作狀態更穩定，布線要盡可能的短，在雙面PCB的情況下，盡可能將信號周圍配置地線，以吸收高頻噪音。同時還要注意信號線的長度與寬度，盡量減少各走線之間的寄生電容。另外，運放端口處的旁路電容，要盡可能的接近器件，最優距離是3～5mm。

3 總結

以往，由于變頻馬達的電流檢知手法不一、構成不一，并且采用了專用的集成電路，設計成本較高，并且根據制品的式樣不同，每次新品開發需要花費大量的工時。

本次利用標準化、分立化的3-shunt電流檢知電路，實現了低成本的設計，并且檢知手法統一后，應用分立器件可以輕松在其他機種實現橫向展開, 將高效率的實現變頻洗衣機的開發，以及低成本的制造，加快實現變頻家電的普及，為社會節省更多的能源。

另外，采用3-shunt電流檢知電路統一了泵馬達和烘干用的循環風扇馬達的無傳感器矢量變頻控制，為主馬達無霍爾傳感器的矢量控制奠定了基礎。

圖9 標準化電流檢知電路的檢知范圍及精度

圖10電流檢知電路中輸入電流輸出電壓關系

圖11 制品安定化啟動和起動過程發生異常振動時對比