波轮变频洗衣机用电流检知电路标准化设计

1 引言

近年来，为了适应日益增长的节能减排家电发展的市场发展需求，结合用户的消费等级，各洗衣机生产商需要开发具有阶梯价格的变频洗衣机来满足不同的客户群体。

目前市场上，变频波轮洗衣机根据其电机主要分为两类：三相感应电机、永磁直流无刷电机；根据其转速反馈方式分为：带霍尔传感器的和不带霍尔传感器的反馈方式；根据其控制方式又分为：V/f控制、矢量控制。以上控制方式都需要配以专用的电流检知方式来满足其需求。

以往，不同马达的电流检知的手法不一，每次都需要设计人员针对电流检知电路进行重复设计，浪费开发工时；同时，一旦采用专用的集成的电流检知芯片，因受其使用量的限制，成本会很高。由此可见，针对变频控制中的电流检知电路，如果采用分立器件实现标准化设计，对于提升变频洗衣机的开发效率和削减成本是有重要意义的。

2 电流检知电路的标准化设计

以市场上现在贩卖的某波轮变频洗衣机为例，主要分为A系列、B系列、C系列（以某公司8kg容量的变频洗衣机为例，构成图如图1所示）。变频马达主要应用在以下三个模块上，起洗涤搅拌、脱水作用的主马达；起抽水或者排水作用的泵马达；烘干时起到循环送风作用的风扇马达。电路上分别以霍尔传感器、电流检知电路形成马达的闭环反馈电路，配合驱动电路实现变频马达的控制。

主马达主要应用了永磁同步无刷直流电机、三相感应电机。泵马达、烘干风扇主要应用了永磁同步无刷直流电机。以往，为了控制不同的马达，电流检知方面因检知的手法不一，每次都需要设计人员进行重复设计，浪费开发工时；同时，因沿用专用的集成的电流检知芯片，受其使用量的限制，成本会很高。下面将针对现行的电流检知手法进行说明，明确电流检知电路标准化存在的课题，然后进行电流检知电路的标准化设计。

2.1 现行马达控制及电流检知方法

2.1.1 永磁同步无刷直流电机

永磁同步无刷直流电机中，主要应用了以下两种方式进行控制：

（1）带有霍尔传感器的电压控制

如图2所示，适用范围为A系列，反馈构成：3个霍尔传感器实现转数以及转子位置检知；1-shunt电流检知电路实现布量、振动、过电流检知。电流检知电路构成为1-shunt电流检知电路（如图3）。当前主IC可以根据其反馈检知各处电流的综合值，但无法实现回转数以及马达转子位置的检知。

（2）无霍尔传感器矢量控制

如图4所示，适用范围为A系列、B系列泵马达、风扇马达。反馈构成为3-shunt电流检知电路。通过三相电流检知实现马达回转数以及转子位置检知，同时实现布量、振动和过电流检知。电流检知电路构成为3-shunt电流检知电路，3相电流检知其中的一相检知电路如图5所示。

同时，对三相电流Iu、Iv、Iw实时检知并进行计算，不仅可以取得回转数以及马达转子位置信息，而且可同时实现过电流、欠相、堵转等异常现象判定。

2.1.2 三相感应电机

（1）带有霍尔传感器的电压控制

如图6所示，适用范围为C系列，反馈构成为1个霍尔传感器用于转数检知，3-shunt电流检知电路实现布量、振动、过电流检知。电流检知电路构成为3-shunt电流检知电路，电路构成同图5。通过3相电流检知电路实现每相电流的实时检知，然后通过其中最大相的电流值实现布量、振动、过电流等检知。

综上所述，因每次制品的电流检知手法不同，导致所需电流检知电路构成、精度各不相同，这就增加了新制品在开发时的复杂度及开发工时。因此，为了提高开发效率，实现电流检知电路的标准化设计显得十分重要。

2.2 电流检知电路的标准化设计

为了统一以上三个电路，存在如何选择shunt电阻的个数以及如何实现闭环控制等课题。1个shunt电阻构成电流检知电路可能成本很低，但实现无霍尔传感器的矢量控制很困难。3个shunt电阻构成电流检知电路，可以实现无霍尔传感器的矢量控制，下文将论述对应的电流检知设计方案。

2.2.1 标准化3-shunt电流检知电路设计

反馈构成为A、B、C系列主马达、泵马达、风扇马达。因为电流检知电路和马达控制的方式相关，本次为将来开展无霍尔传感器的矢量控制，采用分立器件利用3个shunt电阻构成3-shunt电流检知电路。

因为泵马达已经实现了基于3-shunt电流检知的矢量控制，因此控制方式上采用3-shunt没有问题，课题仅仅是在分立器件的使用上。而对于主马达，为了节省开发工时，采用3个shunt电阻中的一个shunt电阻进行采样实现马达的控制。

由标准化的电流检知电路构成的变频控制反馈系统如图7所示。电流检知电路构成为3-shunt电流检知电路。3-shunt电流检知电路中的其中一相电流检知电路构成如图8所示。

（1）检知范围和精度

因制品容量不同，导致马达负荷特性不同，因此其电流检知的范围、精度亦需分别设置，通过调整以下R1、R2、RS的电阻值，即可满足所需电流检知电路所检知的范围以及精度。

图1 某公司各变频马达及电流检知电路构成

图2 电压控制（1-shunt）

图3 1-shunt电流检知电路

图4 矢量控制（3-shunt）

图5 3-shunt电流检知回路图

图6 电压控制（3-shunt）

图7 标准化的电流检知电路的变频控制反馈系统

图8 标准化3-shunt电流检知电路图

同时，为了防止马达或者功率器件发生过电流或者短路，电路中增加了比较器电路，对电路起到保护作用。标准化的电流检知电路和现行的电流检知电路的检知范围如图9所示。由图9可知，标准化电流检知电路可以满足各种电机负荷所需的检知范围及精度要求。

（2）制品的影响

下文将对因电流检知电路变更对制品性能的影响进行论述。

马达驱动方面，根据霍尔传感器的信号，对马达转子的位置检知，实现换向控制，电流检知电路对其没有影响。但是，针对马达运转状态的反馈，如异常振动、堵转、过电流等异常状态检知时，需要通过电流检知电路反馈的电流来实现。

本次通过对制品脱水时因制品不平衡发生的异常振动进行论述。采用1-shunt电流检知电路时，电流检知电路的输入输出关系如图10（a）所示。

在1-shunt电流检知电路中，主IC检知到的是与输入电流IIN-综合的峰值存在对应的电压值VOUT，关系如式（4）所示。

由式（4）可知，主IC相当于对电流的峰值进行检知，当制品因不平衡发生异常振动时，电流值发生变化，因此可以通过电流的变化准确的判定出制品运转时是否发生异常振动，避免制品在高转矩大电流的情况下运转。采用3-shunt电流检知电路时，电流检知电路的输入与输出关系如图10（b）所示，为了获得电流的实时值，电路在主IC的入口处去掉了平滑电容，使主IC在检知电压时，避免了功率开关器件瞬间的导通关断带来的干扰，通过霍尔周期计算电流的有效值，关系如式（5）所示。

由（5）式可知，主IC相当于对电流的有效值进行检知，当制品发生不平衡振动和安定启动时，电流的变化很小，异常振动检知精度不佳。所以，3-shunt并不适于制品异常振动的判定，而通过检测回转传感器的回转数随马达转矩变调度的变化，可实现制品异常振动的检知，如图11所示。

2.2.2 标准化3-shunt电流检知电路部品分立化设计

以往用于变频马达反馈的电流检知电路均是集成化专用化的，不仅成本高，而且由于对厂家过分依赖，部品的调达也存在一定的风险。

本次电流检知电路采用分立器件构成，解决了对单一集成器件厂家的依赖，实现了稳定的通用化货源供应，削减了设计成本，就构成某公司C系列产品相同电路的集成器件与分立器件相比，分立器件可有效削减成本25%。

应用分立器件构成电流检知电路，由于运放的输入输出连接线间的电流很小，所以连接线上的一点点微弱阻抗，都将使电流检知电路的精度受到影响，也很容易受到干扰。因此，线路板在布线设计时，为了让电流检知电路的精准度更高，工作状态更稳定，布线要尽可能的短，在双面PCB的情况下，尽可能将信号周围配置地线，以吸收高频噪音。同时还要注意信号线的长度与宽度，尽量减少各走线之间的寄生电容。另外，运放端口处的旁路电容，要尽可能的接近器件，最优距离是3～5mm。

3 总结

以往，由于变频马达的电流检知手法不一、构成不一，并且采用了专用的集成电路，设计成本较高，并且根据制品的式样不同，每次新品开发需要花费大量的工时。

本次利用标准化、分立化的3-shunt电流检知电路，实现了低成本的设计，并且检知手法统一后，应用分立器件可以轻松在其他机种实现横向展开, 将高效率的实现变频洗衣机的开发，以及低成本的制造，加快实现变频家电的普及，为社会节省更多的能源。

另外，采用3-shunt电流检知电路统一了泵马达和烘干用的循环风扇马达的无传感器矢量变频控制，为主马达无霍尔传感器的矢量控制奠定了基础。

图9 标准化电流检知电路的检知范围及精度

图10电流检知电路中输入电流输出电压关系

图11 制品安定化启动和起动过程发生异常振动时对比