洗衣机中无刷直流电机变频控制系统设计

崔　延　陆新芳（.苏州工业园区职业技术学院，江苏　苏州　53；.江苏新安电器有限公司，江苏　　苏州　53）

洗衣机中无刷直流电机变频控制系统设计

崔延1陆新芳2
（1.苏州工业园区职业技术学院，江苏苏州215123；2.江苏新安电器有限公司，江苏苏州215131）

摘要：本文研究了采用无刷直流电机作为洗衣机驱动电机，以瑞萨R8C/25系列的R5F21258SNFP作为主控芯片设计了无刷直流调速控制系统，本文对硬件电路和软件设计进行了介绍。系统结构简单，运行可靠，效果良好。

关键词：无刷直流电机（BLDC）；智能功率模块（SPM）；变频

资助项目：江苏省高等职业院校国内高级访问学者计划资助项目（2013FX045）。

在全球关注节能的今天，洗衣机的能效也一直受关注。直流电机因为能够改变和控制速度，可以提高效率节省能源，越来越受到重视。采用直流无刷变频电机是洗衣机的发展趋势。

1无刷直流电机变频控制系统设计

1.1系统总体设计

三相无刷直流电机控制系统组成主要有：无刷直流电机、逆变器、位置传感器和控制器。

图1变频控制系统框图

系统控制如图1所示，主控制器用于发送控制命令和处理采集到的数据，转子位置通过读取直流电机上霍尔元件信号来确定的，依据转子的位置而改变PWM信号，从而实现对电机转速和转动方向的控制。智能功率模块（SPM）返回电流检测信号以检测直流电机相电流。为提高系统可靠性和安全性，设有故障检测单元，当发生过压、过流、欠压、超重等情况时会发出故障信号，关闭功率管输出，停止电机运转。

1.2变频控制方案

洗衣机在洗衣搅拌时，需要电机具有较大转矩，在脱水时需要高速旋转。驱动控制系统要对电机实现起停、正反转及调速控制。采用如图2所示的转速、电流双闭环控制结构。

外环为速度环，主要实现转速的抗干扰调节。内环为电流环，主要实现电流跟随、过流保护和抑制电压扰动。电流反馈信号由智能功率模块SPM输出，速度反馈信号则是由位置传感器输出的位置量通过计算得到。系统的稳态是通过对双闭环先内后外的控制来实现，即先设计电流调节，然后将电流环作为转速调节器中的一环来设计转速调节。

图2无刷直流电机的速度控制结构框图

2系统硬件设计

本系统选用瑞萨8C/25

群产品，R8C为16位CISCMCU，具有高ROM效率、低噪音、低功耗和高处理性能。选用的R5F21258SNFP芯片具有52引脚LQFP封装，拥有41个可编程输入/输出端口，最高工作频率为20MHz，支持2.2 V～5.5V工作电压，此外还具有丰富的外围功能：UART/时钟同步串行接口、8位多功能定时器、输入捕捉定时器、监视定时器、振荡停止检测等。

Fairchild智能功率模块SPM（Smart PowerModule）FNB41060，提供了紧凑和高性能的三相逆变器驱动方案，在一个独立的封装里结合了低损耗IGBT和优化的栅极驱动，同时集成了欠压、过流保护输入、温度监控等。SPM模块外围电路简单，PCB布局方便，芯片低侧IGBT三个独立的发射极开路引脚为三路相电流检测提供了可能。

从SPM输出的电流检测信号需要经过放大处理送入微控器，这里采用运放LM258，电路如图3所示。

3系统软件设计

系统软件采用模块化设计，主要包括：主程序、初始化子程序、捕捉中断子程序、A/D转换子程序、调速子程序、显示子程序等。在电机转速突变时常会引起积分饱和现象，为了消除积分饱和，采用变速积分PID算法：设法改变积分项的累加速度，使其与偏差的大小相适应。其表达式为

式中系数f[e（k）]，它是e（k）的函数：

f值在0～1区间变化，当偏差大于A+B时，说明已进入饱和区，f＝0，不再进行积分项的累加；当｜e（k）｜≤A+B时，f随偏差的减小而增大，累加速度加快，直至偏差小于B后，累加速度达到最大值1。实际中A，B的值可做一次性整定，当A，B的值选得越大，变速积分对积分饱和抑制作用就越弱，反之越强。一般取A＝30%[｜e（k）｜]max，B＝20% [｜e（k）｜]max。

变速积分PID控制算法流程如图4所示。图5是采用Matlab对变速积分PID的仿真，可看出对积分项的控制是缓慢变化的。在控制系统中采用变速积分PID算法，消除了一般PID算法中的积分饱和现象，电机调速稳定，并具有快速跟随性。

4实验测试

实验用无刷直流电机参数为：电压范围240V-340V，电流2.0A，额定转矩2.4N·m，额定功率220W，额定转速850r/min。图6为测得电机在不同转速下的PWM脉冲波形，图6（a）为电机慢速运行时的脉宽，相对较窄；图6（b）电机速度变快，脉冲宽度增大。实验证明，系统运行稳定，调速性能优良，效果较好。

图4变速积分PID程序流程图

结语

本文分析了采用无刷直流电机作为驱动电机的变频洗衣机控制系统，采用了瑞萨R8C/25系列微控制器和智能功率模块组合。实验结果表明，先进控制技术的综合运用，使得变频洗衣机比传统的洗衣机更具个性化功能，其优势无可比拟。

参考文献

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[5]叶金虎，徐思海.无刷直流电动机[M].北京：科学出版社，1982.

图6测试波形

中图分类号：TM351

文献标识码：A

作者简介：崔延，副教授/高工，苏州工业园区职业技术学院电子工程系。