用于家用洗衣機的三相電機驅動裝置
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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以矢量控制技術為特征的高控制性能。本文中提出一套開發(fā)系統，使得非專家用戶也能使用德州儀器 (TI) 的 TMS320LF2407A 數字信號控制器來調整所有的控制參數。通過用戶友好界面，無需修改任何代碼即可完成算法的調整。
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有電機驅動裝置局限性的研究非常有必要。這可以通過提高現有的電機技術，或更有效的是，采用更高級的控制策略來實現。由于電力電子領域及可編程數字器件技術的不斷發(fā)展，目前更復雜的控制方法已應用于消費領域，帶來了在數年前聞所未聞的性能水平。
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有電機驅動裝置局限性的研究非常有必要。這可以通過提高現有的電機技術，或更有效的是，采用更高級的控制策略來實現。由于電力電子領域及可編程數字器件技術的不斷發(fā)展，目前更復雜的控制方法已應用于消費領域，帶來了在數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)應用中使用最為廣泛的驅動裝置。家庭應用中，缺少三相驅動裝置以及電機速度難以調整（需要高成本的電力電子設備）阻礙了三相異步電機在這一重要市場領域中的推廣。
在本文中，我們將描述一種新型的阿里斯頓三相控制技術，是其超靜音家用洗衣機新品牌所采用的技術。我們還將闡述該技術如何實現家用型低成本驅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在的復雜性，我們決定設計一套開發(fā)系統，使得即使是非專家用戶也能夠合成并調整控制參數，使之適應任何特殊類型的洗衣機硬件，并更普遍地適應更多類型的電機控制應用。
該 CAD（計算機輔助設計）系統由一臺 PC 主機與洗衣機主控制板構成。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構及其相應參數。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，不具備控制系統合成領域專門技能的用戶也能迅速調整其應用的眾多控制參數。也就是說，是在實際系統而非模擬模型上的反復試驗過程中調整參數。通過使用該方法，也可為后續(xù)處理過程獲取數據并記錄下時間響應趨勢。
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。為了調整電機速度，需進行主供電電壓轉換，同時必須相應調整電壓振幅與頻率，以保持恒定的定子磁通量與恒定的最大轉矩。該方法并不能保證最優(yōu)性能，尤其是在低速時，轉矩損耗嚴重影響了洗衣機的正常工作。而且，由于該技術建立在電機的穩(wěn)態(tài)數學模型基礎上，因此速度調整性能差。
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。為了調整電機速度，需進行主供電電壓轉換，同時必須相應調整電壓振幅與頻率，以保持恒定的定子磁通量與恒定的最大轉矩。該方法并不能保證最優(yōu)性能，尤其是在低速時，轉矩損耗嚴重影響了洗衣機的正常工作。而且，由于該技術建立在電機的穩(wěn)態(tài)數學模型基礎上，因此速度調整性能差。
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變換原理基礎上，將異步電機動態(tài)模型的數值轉換為隨轉子磁通矢量旋轉的參考坐標系。該坐標系即為 (d-q) 系統。
圖 1、高斯平面中的 d-q 坐標系
由此，通過數學處理即可取代昂貴的硬件部件。
前述觀測器的唯一參數是轉子時間常量 Tr。該方法的主要缺點是，該數值的參數變化（主要由溫度造成）可能會改變上述估算的可靠性。在我們的應用中，當參數正好位于指定的控制規(guī)范內時，達到的性能水平可避免這一缺點。
整體控制系統的復雜特性應更清楚些。從實施前景的角度出發(fā)，我們決定采用串級連接模塊結構，下面我們給出該結構圖并做簡要說明。
圖 2、控制參數結構圖
電流控制器：為控制系統中最深處的環(huán)路，用于調節(jié)兩個最高帶寬的變量：轉矩與磁通電流。由于采用了 Clarke & Park 逆變換，當速度一定時，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。設定值由最外部的環(huán)路進行設置。
磁通量控制器：磁通量控制器的目標是保證轉子磁通量為恒定值（通常為最大允許值），從而保持方程式 (1) 的線性特性，實現最大的輸出轉矩。我們再次選擇了 PI 控制器，其
此外，還可以對電壓設定值進行選擇，從而實現每個供電電壓的最大轉矩/振幅比。
直接 Clarke & Park 變換：在應用于調制算法之前，由電流控制器設置的電壓電平必須在物理系統中進行復制。
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交流電機的高精確控制系統，但它強烈依賴于計算機運算，而且需要強大的硬件支持：
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交流電機的高精確控制系統，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)轉換器（AD 轉換器、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算。作為"消費類"應用，本應用將優(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局限性的軟件來實現，用于成本為主要考慮因素的市場領域。
下面我們簡要地關注一下控制板硬件。
三相電壓電路采用逆變器構成，該逆變器實質上為 AC/AC 轉換器。全波整流器將主電壓轉換為直流量，由靜態(tài)開關適當分割，構造三個正弦波，之后應用于電機相位 (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。對于本應用中的功率范圍以及所選的開關頻率，這些開關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。該值甚至會隨時間變化至幾百伏。
• 驅動電路必須具有適當的輸出電阻，能夠在不生成諧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。由于電路的復雜性，目前一些領先的電力電子制造商正生產更加緊湊且可靠的解決方案，例如"柵極驅動器"集成電路。
這些器件采用自舉型驅動器，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，柵極驅動器直接用接口連接至生成 6 個 PWM 引導信號的單元。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，會嚴重損壞逆變器本身。
這些驅動信號可由微控制器或專用 DSP 生成。許多數字電子產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品。這說明了市場對該領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--提供僅需幾美元的 DSP。依據客戶需求，TI 已開發(fā)出一套完整的 DSP 控制器系列產品--TMS320C24x。所有器件均為數字控制應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合的一起的混合處理器，專門為推出三相控制而設計，包括存儲器（閃存或 ROM）、生成脈寬調制信號 (PWM) 的事件管理模塊、模數轉換器 (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 結構圖
TMS320LC2401A 為低成本的 ROM 配置，主要用于儀表器件領域 (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速，信號測量精度對反饋控制器的整體性能至關重要。
不幸的是，目前轉換相電流最常用的技術十分昂貴，如使用與電機相位串聯的霍爾效應傳感器。除非采用光學隔離方式進行測量，否則使用分流電阻取代這些傳感器并不可行。在我們的應用中，所選用的低成本解決方案由兩個串聯在三相逆變器兩條分支電路上的分流器構成。
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至 ADC 的工作范圍內（0－3.3V）。它也被用于過濾電壓，同時可添加偏置當量將上述范圍減半以便進行負電流的轉換。
該方法的工作原理易于理解。當分支電路的低 IGBT 被激活（或內部二極管自由輪轉）時，通過分流器的電流即為相電流。通過在 PWM 中期對 AD 轉換器進行采樣測量，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 轉換器的轉換期間保持"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所能獲得輸出電壓相匹配的范圍內。
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濟的方式進行。為此，在電機上安裝 AC 轉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速表的低分辨率問題，它對控制器的低轉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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‘LF2401 |
‘LC2401 |
|
DSP 內核 |
‘C2xx |
‘C2xx |
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MIPS |
40MIPS |
40MIPS |
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快閃（16 位字） |
8k x 16 |
－ |
|
ROM （16 位字） |
－ |
8k x 16 |
|
RAM （16 位字） |
1k x 16 |
1k x 16 |
|
事件管理器 |
有 |
有 |
|
－GP 定時器 |
2 |
2 |
|
－PWM |
7 |
7 |
|
－CAP |
1 |
1 |
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看門狗定時器 |
有 |
有 |
|
10 位 ADC |
有 |
有 |
|
通道數 |
5 |
5 |
|
－轉換時間 |
500ns |
500ns |
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SCI |
有 |
有 |
|
數字 I/O 引腳 |
13 |
13 |
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I/O 電壓范圍 |
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