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简析弱磁电机控制技术在洗衣机中的运用

   日期:2015-02-08     来源:互联网    浏览:43    

  随着家电行业内竞争的越发激烈,如何做到在降低成本的同时提高产品的运行效率是当今企业制胜的关键。控制洗衣机滚筒的转速、采用极数最少的低成本电机以及低成本控制电路是企业实现成本控制目标的关键所在。

  借助弱磁控制技术,在不增加额外费用的情况下可实现滚筒洗衣机成本控制的目标。本文将从电机、滚筒的制动系统、无传感器控制技术等方面探讨弱磁控制的概念、应用方法,以及对洗衣机运行带来的益处。

  电机

  现在许多新设计的产品已采用前置式洗衣机的方案以减少耗水量,并采用永磁同步电机(PMSM)以增大转矩。此外,这些新产品还常采用无传感器的三相旋转磁场定向控制技术(FOC)以提高电机的效率,并削减采用传感器控制方式带来的成本。

  一种常见的设计方法是借助于一比一的传动装置将扁平型、低高度、大直径的电机与滚筒背面直接相连,但这样会增加电机的成本和重量。另一种常见的方法是使电机横置,通过皮带驱动不同直径的皮带轮或变速装置来实现提高滚筒转速的目的,甚至可以采用四极永磁同步电机以降低生产成本。

  弱磁

  弱磁是一种无需额外增加传动装置或増大电机外形尺寸所带来的成本就可实现提高脱水转速的电机控制技术。其软件控制运算需要选用由具有数字信号处理功能的高速16位处理构成的数字信号控制器(DSC)。采用这种技术的电机可在高于其额定转速的条件下运行,而且转速可以高达其额定转速1.5倍,若采用埋入式磁铁转子设计,其转速可以达到更快的程度。

  电机在其额定转速下运转与其运行在“恒定转矩区间”相关。这个区间是指:当电机的转速变化时,其依然可以保持在恒定的转矩。在更快的转速下,将使电机运行在“恒定功率区间”中。在该区间中电机的转矩和转速之间呈反比关系。当洗衣机在脱水运行时,由于动量的缘故,需要以较低转矩来保持或提高滚筒的转速。

  为了使转子旋转起来,电机的定子线圈要稍早于转子磁场通电,使得定子磁场拉动转子随其一起转动。对应于调节后的电机输入功率值,通过增加或减少脉宽调制(PWM)的频次来控制电机的转速。当电流换向的相位比霍尔传感器接收到的信号的时间相位超前60°时,电机转子可以获得更高的转速,这一过程被称为相位超前。

  在磁场定向控制中,电机的全部定子线圈都通以平滑的正弦基波电流,三相通电的相位彼此相差120°。三个比例积分控制回路分别用于调节转速、转矩和磁通量。转子位置取决于感知电机的一个或多个相电流和与之对应的电流测量值。通过调整施加在电机线圈上的电压矢量控制转子的转速。

  弱磁是相位超前的最佳方式。弱磁也能在定子磁场中产生与转子磁场相反的磁场分量,该磁场分量降低了定子线圈中的反电动势,从而减小了对转子的制动力。在磁场定向控制技术中为了控制转子的转速,当Iq(转矩)设定为所需的参数时,Id(磁通量)的值被调整为负数。

  无传感器的磁场定向控制的优点

  采用磁场定向控制技术后,改为直接测量电机的相电流,其主要优点之一是成本较低,另一个是能够提高电机的能效。其原因是:以一种精确的方式对定子线圈施加励磁电流,从而确保产生所需的转矩。此外,采用平滑的脉宽调制进行正弦励磁还可以实现静音控制。

  为了严格、精确地实施磁场定向控制,必须配置A/D转换器和脉宽调制模块。而该A/D转换器必须具有多个采样-同步通道。通过采集两相或三相绕组的瞬态电流值,即可消除时间延迟造成的测量误差。磁场定向控制的另一重要特性是:具有同步进行A/D转换器采样和脉宽调制的能力。如果A/D转换器采样时间太晚,控制回路就会获得错误的数据。正因为其具备了在每个脉宽调制中确定每个A/D转换采样时间的能力,能够向控制回路提供最佳数据。

  滚筒制动系统和磁力制动系统

  出于安全考虑,当打开盖子或门时,滚筒必须迅速停止转动以避免潜在的伤害。为了实现快速降低滚筒转速的目标,除了可以采用附加机械式制动装置外,还可以采用外接大型制动电阻器来降低电机的转速。对于后者而言,是将电阻器切换到电路中,通过限制从电机绕组到接地极之间的电流来强制降低电机的转速,但使用制动电阻器和转换开关仍使洗衣机的成本明显增加。一个成本更低的方法是采用磁力制动系统。

  磁力制动系统的工作原理是通过控制定子线圈的磁通量来进行制动的。为了使电机从高速脱水运转状态转入制动状态,需要使磁场定向控制的变量Id逐步从负值上升至零。同时,速度控制回路的比例积分参数值必须设定为零。Iq转矩参数也应被调整为负值。这种通过磁场定向控制技术改变磁通量的方法能够更为有效地降低电机和滚筒脱水的转速。

  结论

  为了降低洗衣机的制造成本,未来将采用无传感器的磁场定向控制技术。弱磁制动控制技术通过提供更高的脱水速度,在不额外增加部件成本的前提下更快地完成脱水工作。

 
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