变压变频控制在洗衣机中的应用

2012-11-22何志明辜小兵徐柳春

微特电机 2012年12期

何志明，辜小兵，徐柳春

(1．无锡艾科威科技有限公司，江苏无锡214072;2．重庆工商学校，重庆400067)

0 引言

随着人们对洗衣机性能(噪声、能耗、洗净比)要求的不断提高，传统的非变频电机(主要是串激电机)市场份额开始被专用变频电机吞噬，变频电机指变频器+ 三相交流电机(感应电机或永磁同步电机)。变频电机逐渐取代串激电机的主要原因如下:(1)串激电机由于电刷的原因存在噪声大的不足;(2)变频电机的效率比串激电机稍高;(3)变频电机具有较好的称重(惯量)和不平衡检测性能。

洗衣机专用变频电机的主要应用需求如下:(1)低成本，专用变频电机要想完全取代传统的串激电机，则专用变频电机要有与串激电机差不多的成本，因此变频器的成本压力较大;(2)高效率，变频器需要尽量让电机工作在最佳效率点，尤其是洗涤区，该特点不但降低了洗衣机的能耗，也降低电机成本;(3)低运行噪声，整机和电机噪声除了与机械结构相关外，也与电机的控制相关，因此尽量降低电机的运行噪声也是变频器的一个主要任务;(4)衣物重量(惯量)检测，洗衣机整机根据重量检测结果控制进水量，实现自动进水;(5)衣物分布不均匀检测，即不平衡检测，整机将根据衣物的不平衡分布情况控制最高脱水速度，防止洗衣机高速脱水时出现走路和噪声大等问题;(6)较大的起动力矩，不管是感应电机还是永磁同步电机，变频电机均能实现大力矩重载起动。

矢量控制［7－8］和直接转矩技术［9－10］已日趋成熟，它们的动静态性能已得到业界的认可，但算法复杂，而且依赖电机参数，尤其是矢量控制，而V/F 控制具有算法简单(易于在8 位单片机中实现)和不依赖电机参数的优点。传统的V/F 控制算法(恒压频比控制算法)不能实现电机工作效率最优跟踪，本文介绍一种基于转差频率控制的效率最优控制算法。该算法通过控制电机转差频率，实现全运行速度范围内电机工作效率的最优跟踪，通过控制输出电压幅值，实现输出力矩跟踪(即速度跟踪控制)。效率测试数据及其称重和不平衡检测结果表明了本文的控制算法在洗衣机领域应用的有效性。另外，本文介绍的低成本变频控制算法和效率最优的转差频率的获取方法的有效性也已经被某国际大公司的大批量产品验证(年产量超过100 万台)。

1 基于转差频率的效率最优控制算法

1.1 基于转差频率的效率最优控制算法框图

基于转差频率的效率最优控制算法框图如图1所示。

图1 基于转差频率的效率最优控制算法框图

控制算法主要包括四个部分:(1)SVPWM 和功率器件(IPM 或IGBT)，把输入的电压角度和幅值转转换成对应的三相交流电压输出给电机;(2)速度计算，把霍尔信号输出的脉冲信号转换成对应的电机转速;(3)速度PI 控制环，它包括速度误差计算、PI 控制器和电压限幅，实现速度闭环控制;(4)电压角度计算，它包括转差频率表、同步频率计算和积分器，通过电压角度实现电机工作效率最优跟踪，实际上是通过控制转差频率实现电机效率最优跟踪。

下文将给出算法框图中的转差频率表的获取依据和方法，它是效率最优控制的关键。

1.2 电机运行效率与转差频率的关系

文献［6］利用感应电机动态方程推导出了感应电机效率与电机转速、转差角速度(转差频率)和电机参数之间的关系，其关系如下:

式中:ωs、ωr分别为电机转差角速度和电机转子速度;p 为电机极对数;Lm为互感;Ls为定子电感;L′r为折算到定子侧的等效转子电感;Rs为定子电阻;R′r为折算到定子侧的等效转子电阻。

式(1)表明在忽略电机参数变化影响情况下，电机的工作效率是电机转速和转差频率的函数。本文还证明了电机在某转速下存在效率最优的转差频率(转差角速度)，并给出了其效率最优的转差速度(转差频率)的计算方法。

文献［2］利用感应电机的稳态数学模型，同样推导出了电机在某一转速下存在唯一的效率最优转差频率的结论，并且也给出了效率最优的转差频率的计算方法。电机在同一转速下，不管负载大小如何变化，其效率最优的转差频率基本上是恒定的，不同的转速其效率最优的转差频率会有一定的差异。

1.3 效率最优的转差频率的获取方法

尽管文献［2］、文献［6］均给出了电机效率最优的转差频率的计算方法，但计算方法都比较复杂，并且对电机参数依赖大，而电机参数的准确获取也是一个较大的问题。因此采用一种较为简单的工程方法来获得效率最优的转差频率是比较现实的，下面将介绍一种简单有效的转差频率的获取方法，该方法通过测功机对比测试电机在相同输出功率(或输出力矩)和不同转差频率下的效率得到。

效率最优转差频率测试过程如下:

(1)按变频电机的运行速度范围进行速度分段，分段的精细程度与效率准确跟踪精度要求有关，分段越细，效率跟踪精度越高;

(2)把电机固定在测功机上;

(3)通过变频电源给电机提供几组相对合适的三相电压和频率;

(4)通过测功机分别测试各组三相电压和频率下的TN曲线;

(5)对比分析上面的各组测试数据，根据输出力矩、效率与转差频率的相对关系，初步找出效率最优的转差频率;

(6)采用基于转差频率的效率最优控制的控制器控制该电机，电机转速控制在该段转速的中心点上，用测功机固定电机输出力矩，该力矩应接近该速度下的最大输出力矩;

(7)微调该速度下的转差频率，对比测试不同转差频率下的效率，找出效率最高的转差频率;

(8)(7)得到的转差频率即为该速度下的效率最优的转差频率;

(9)重复(2)～(8)得到其它速度段的最优转差频率。

把前面得到的转差频率及其对应的电机转速做成表格即得到了前面算法框图中的转差频率表，如果速度分段是均匀的，可做成1 维表，如果速度分段是非均匀的，则做成2 维表。

1.4 基于转差频率的效率最优控制与恒压比变频控制性能比较

为了说明本文介绍的基于转差频率的效率最优控制算法的优点，下面把它与恒压频比控制进行对比分析。

(1)基于转差频率的效率最优控制，实现了电机全速范围内的效率最优跟踪;而恒压频比的转差频率会随着负载的变化而变化，无法实现效率最优跟踪;

(2)基于转差频率的效率最优控制具有更好的系统稳定性，由于在固定电机转速下保持了恒定的转差频率，因此它的控制电压随着负载的增大而增大，输出力矩也随着控制电压的增加而增加，输出力矩与控制电压幅值是单调增加的;而恒压频比控制在转差频率较小时输出力矩随着转差频率的增大而增大，但当转差频率大于临界转差频率后会随着转差频率的增加而减小;

(3)基于转差频率的效率最优控制更容易实现重负载起动，而且不需要对低速区进行特殊处理，即不需要进行定子电阻压降补偿;而恒压频比控制在低速运行时需要对定子电阻压降进行补偿，以保证其最大输出力矩;

(4)两者的算法实现难度基本相当。

正是由于上述优点，国外的V/F 控制基本采用基于转差频率的效率优化控制，而不采用恒压频比控制。