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直接驅動無刷直流電動機的研究

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.fupoqq9.cn瀏覽數:160

   摘要:跟蹤國際洗衣機技術發展趨勢,敘述新一代變頻洗衣機驅動控制技術進展,介紹家用變頻洗衣機直接驅動無刷直流電動機研究開發項目的研究結果。

   采用變頻調速技術的新一代洗衣機,將新型變頻電動機及PWM變速調節機電一體化技術應用到家用洗衣機上,取代傳統家用(波輪式或攪拌式)洗衣機的單相異步電動機一皮帶輪一變速離合器傳動系統,代之以三相異步電動機(IM)、或永磁無刷直流電動機(BLDC)、或開關磁阻電動機(SRM)驅動洗衣機,與它們的電子驅動控制器聯合作用實現可變速調節,方便地實現全新的控制功能。目前,以采用永磁無刷直流電動機驅動為多見。

   全世界家用洗衣機基本上分為三大類:即以日本為代表亞洲市場為主使用的波輪式洗衣機,以北美市場為主使用的攪拌式洗衣機,以歐洲市場為主的滾筒式洗衣機。如果以洗衣軸軸向來分,前兩種是垂直軸,結構上共同點較多。而滾桶式為水平軸。在我國洗衣機市場中,大多數廠家生產波輪式,滾筒式近年來有所發展,而攪拌式則較為少見。

   我國家用波輪洗衣機技術來源于日本。這種洗衣機運動方式主要是洗滌和脫水兩種基本方式。通常波輪的最大轉速160~180r/min左右。脫水時,波輪和洗衣筒同時旋轉,例如升速到600~800r/min,使衣物脫水。而攪拌式洗衣機,從運動方式來說與波輪式不同點僅是洗滌時相當于波輪部分的攪拌軸是作小于36的擺動。

   傳統波輪洗衣機的動力傳動是:單相電容分相異步電動機一皮帶輪減速一減速離合器一波輪或洗衣筒。按洗衣機容量不同,單相電動機額定功率120~180W,通常額定轉速1370r/min左右,皮帶輪減速約為1.75左右。當離合器在脫水位置時,脫水速度約為600~800r/min。當離合器在洗滌位置時,由行星齒輪減速器作用,第二次減速,減速比一般為5左右,即波輪轉速約為160~180r/min。

1三種變頻洗衣機驅動方案

   采用無刷直流電動機新驅動變速系統可有三種驅動方案供選擇:

   (1)保留皮帶輪、減速離合器等傳動結構的間接驅動方案

   保留傳統洗衣機原有皮帶輪、減速離合器等傳動結構,只是用永磁無刷直流電動機代替原來的單相交流電動機,利用無刷電動機和電子驅動器實現可變速控制。

   (2)保留減速離合器等傳動結構的間接驅動方案

   傳統結構洗衣機的皮帶容易磨損,是洗衣機可靠性變壞的主要因素之一。當采用模糊控制時,它也是衣量判斷失誤的主要原因。取消皮帶傳動,電動機與減速離合器在同一軸線上,也有利于系統的平衡,省去傳統洗衣機的平衡塊。

   1998年日本松下公司在我國申請了這樣一個洗衣機專利:由一個無刷直流電動機與減速離合器同軸組成一個緊湊的結構。

   這種方案可看成是前一個間接驅動方案和后述直接驅動方案的過渡和折中,它在成本和技術方面都具有一定的優勢。

 (3)直接驅動方案

 直接驅動方案是完全取消了傳統洗衣機的機械減速傳動部分,電動機軸與洗衣機軸線重合,甚至是共用一根機械軸。籍電子驅動控制技術來實現洗衣機的寬范圍變速(例如:100:1)調節、正反轉、制動、保護。

   在國外,新西蘭的Fisher&Paykel公司在80年代末推出世界上第一代采用永磁無刷直流電動機直接驅動的攪拌式洗衣機,1992年推出經改進完善的產品,名為Smart drive的洗衣機。F&P公司為此種洗衣機在新西蘭、澳大利亞、歐洲、美國申請了多項專利。

   90年代初日本三菱公司推出8kg直接驅動洗衣機。近年日本東芝、夏普、松下等公司都先后研制出類似的直接驅動洗衣機面市。日本東芝此種新型洗衣機在中國申請了多項專利,對其專有技術進行保護。韓國的三星、LG電子公司也推出直接驅動變頻洗衣機。

   這種發展趨勢,引起國內洗衣機企業的關注,先后進行了研究開發。1998年12月安徽榮事達公司率先在國內推出稱為仿生手搓式洗衣機的直接驅動洗衣機,此機型基本上參考新西蘭F&P公司上述攪拌式產品進行設計的。

2直接驅動系統及其所帶來的好處

   我們的開發項目采用直接驅動方案,而且電動機是一種盤式永磁無刷直流電動機(BLDCM)。此電動機只有定子部件和轉子部件兩個部分,沒有機殼、端蓋、軸和軸承等一般電機應有的部件。轉子直接安裝到洗衣機中心軸上,定子安裝到洗衣機盛水筒底部,結構十分簡潔。

   無刷直流電動機是伴隨著電力電子技術發展,新型功率器件商品化后出現的機電一體化電動機。它由電機部分和電子驅動電路兩部分組成。電機部分的定子鐵心上嵌有多相交流繞組(本項目為三相),轉子有永磁鐵,在電機氣隙中產生多極磁場。電機有轉子位置傳感器,其作用是當電機旋轉時,由此傳感器產生信號控制電子驅動器,對三相繞組的供電進行換相。本項目采用鐵氧體永磁,霍爾集成電路作為位置傳感器,以降低成本。

   直接驅動方案和上述間接驅動方案相比,電動機的尺寸和結構有很大變化。洗滌時間接驅動電動機轉速1 400r/min左右,而直接驅動時電動機轉速為160r/min的話,速比為8.5。當要求輸出功率相同情況下,直接驅動電動機的輸出轉矩必需比間接驅動電動機的放大8.5倍。

   眾所周知,電動機體積不是決定于輸出功率,而是轉矩。因此,直接驅動電機有效體積(D2L)就要大致放大這個倍數。實際上,電動機變成一種大直徑盤式的外形,結構上與普通的洗衣機電動機有很大區別。從而使直接驅動電動機成本有較大幅度的提高。

   電子驅動器部分由EMI濾波器、三相逆變橋、柵極驅動、切換開關、電流采樣、輔助電源、控制單元等部分組成。

   采用永磁無刷直流電動機直接驅動洗衣機帶來如下好處:

   (1)直接驅動簡化了洗衣機傳動結構

   對于波輪式洗衣機,直接驅動方式取消了皮帶輪和行星齒輪等傳動機構。特別是對于攪拌式洗衣機更為明顯改進。原本需要將電動機旋轉運動經復雜的傳動機構轉換成擺動運動方式,采用DD方式后,由電子控制可方便地實現電機的擺動方式運動控制。

   (2)改善洗衣機機構平衡

   原有洗衣機傳動結構的電動機軸線和洗衣機主軸軸線不重合,電機偏在一邊,重心不平衡。為此,一些洗衣機需要再安裝平衡重塊,或在懸掛系統上設法使洗衣機平衡?,F在直接驅動方式就不必這樣做,電動機重心在洗衣機中心軸軸線上,大大有利于洗衣機的平衡,運行平穩、安靜。

   (3)節能

   使用單相交流電動機,以起??刂普{節洗衣機運行參數,在起停和正反轉時,都引起很大的啟動電流沖擊,可達正常工作電流數倍,使運行效率變壞,總電能消耗較大。而且一般洗衣機單相電動機本身效率較低,通常小于50%。改用永磁無刷電動機,它的固有效率比單相電機要高10%~200%,起??刂茣r電子驅動器有限流環節,可實現軟啟動,啟動電流較小。再加上免除了機械減速器的機械損耗,使洗衣機總體效率大為提高,達到節能效果。

   (4)用電氣制動代替機械制動

   傳統洗衣機為保障人身安全設置了機械剎車,脫水時,當人把洗衣機上蓋掀開,剎車功能使洗衣機在數秒內快速停轉。機械剎車是減速離合器的一個部分。采用直接驅動無刷直流電動機后,這個功能由電氣制動代替,簡化了機械結構。

   (5)良好可控性,改善家電性能,增加功能

   由過去的單速度到可變速控制,洗衣機可根據被洗滌的衣物質地,洗滌時水流轉速可從30~180r/min選擇最佳洗滌速度,同時也可選擇不同脫水速度進行脫水,在保證洗凈度下減少了磨損率。利用無刷電機和驅動器可控性良好,可方便地構想新型洗衣機運動方式、新型水流、新洗滌方法,從而大大增加新型洗衣機功能的發展空間,實現多功能、節能、節水、低噪聲

等目標。

   (6)為真正的模糊邏輯控制、神經網絡控制提供前提條件

   傳統洗衣機傳動方式可控性差,智能控制優點難以發揮。采用全新驅動系統后,真正智能控制才有可能實現。

   (7)降低噪聲

   以東芝新型洗衣機為例,洗滌時噪聲可比普通洗衣機降低5~l0dB,在脫水時,采用分段升速控制方法,噪聲可降低到50dB左右,是當前最高水平。

3研究特點

   如前所述,國內外已推出直接驅動洗衣機的公司都同時申請了多項專利,對其產品技術進行保護。這說明此技術本身有一定難度,較多新穎性,先進性,從而也使這項研究必需回避這些專利,遇到較多困難。

   表1列出了變頻洗衣機直接驅動無刷直流電動機研究項目與國內外同類技術的比較。表中除第4列數據為研究項目外,還列出三種有代表性的國內外同類產品。榮事達公司是目前國內較早將直接驅動洗衣機推向市場的中國公司,電機與驅動部分由上海某研究所設計;新西蘭和東芝的直接驅動洗衣機是業內公認的典型產品。作為直接驅動洗衣機基本功能,這四種都差不多,沒有多大差別。表中主要列出實現方案方面的區別。

表1與國內外同類技術比較表

本項目技術方案有下列幾個特點:

(1)多極無刷電動機分數槽繞組參數的優化選擇直接驅動無刷電動機在洗衣機應用,由于低速大力矩的要求及空間的限制,采用盤式結構是合理的。由于直徑大、軸向短(定子鐵心長L《D),宜采用多極分數槽繞組。

   如表1所示,四種對比產品均采用多極分數槽繞組。分數槽繞組主要參數是定子槽數z,轉子極對數po它的z和P取最大公約數為t時,zo:z/t,po=p/t,zo和po組成“單元電機”,即z/p電機由t個單元電機組成。由表1可得到四種產品的單元電機zo/po如下:

表2單元電機參數表

   從表2可見,F&P和榮事達的方案是相同的,單元電機是兩對極下有三個槽,東芝的方案單元電機是一對極下有三個槽,相繞組元件分別是長(240°)和短距(120°),相繞組系數只有0.866。主要缺點是它們的齒槽轉矩大。齒槽轉矩是指繞組不通電時由于定子槽與轉子永磁磁極之間作用產生的一種妨礙電機轉動的附加波動力矩。它是一種對電機運行噪聲和振動不良的因素。在F&P和榮事達的洗衣機,此齒槽力矩很大。而東芝為了解決此問題,特別設計了大小齒結構,且大小齒下有不同氣隙長度,并采用特殊形狀體等專利措施,取得較好的效果,但使工藝復雜化。

   我們在系統研究了各種可能的多極分數槽繞組參數組合基礎上,選擇了zo/po=12/5組合,其相繞組系數為0.933,實測齒槽轉矩/額定轉矩=2%,取得滿意結果。

   (2)電機有效體積較小,降低材料消耗

   對于電機技術來說,與電機設計性能相關的尺寸,通常以有效體積D2L作為標志。這里D為內定子外徑,L為內定子鐵芯長。另外,大家還關心“功率密度”,即平均單位體積的輸出功率。它是輸出功率與D2L之比值。

   參照表1數據,如果以東芝的方案為參考基準(設為1),可以得到較清楚表示對比結果,見表3。

表3  四種直接驅動洗衣機電機有效體積和功率密度的相對比較

   從表3可見,研究項目的電動機已達到與日本東芝同類產品相同的功率密度,大大優于其它兩種產品。

(3)提出多檔分段變速控制方法,在寬速度范圍內兼顧高低速段性能,系統效率較高,克服常規PWM的缺陷

   直接驅動洗衣機電機要求在寬速度范圍(30—1 0001-/min)調速。常規的方法是采用PWM調節,新西蘭F&P和榮事達直接驅動洗衣機就采用這種方式。在洗衣機工作時基本上是恒功率調速,即洗滌為低速大力矩,而脫水為高速小力矩。PWM調節可實現寬范圍調速,但不足之處在于低速工作時相電流比高速時大許多,效率明顯降低,隨之電子驅動器開關管功耗加大。功率開關管的電流值選擇決定于最大電流,因而必須選用較大電流值的功率管。因此,這兩個公司的驅動器散熱器不得不采用水冷方式。對榮事達的直接驅動洗衣機實驗表明,當進水水溫超過36%時,驅動器會自動保護。

東芝直接驅動洗衣機采用了專利控制方案,在高速區,電機電流向量比反電勢向量超前,實現弱磁控制。按照東芝株式會社在中國申請發明專利CNll70791A提供圖表數據,高速區效率≤50%。

本項目研究分析了洗衣機工作特點,實際上存在低速區和高速區兩個工作區的情況,提出了多檔分段控制方案。按照這個方案,我們將電機相繞組分裂成兩個分段繞組,用切換開關進行繞組切換,在高速區和低速區分別部分或全部繞組進入有效工作。并且結合采用分段槽繞組的特點,提出了具體構成分段繞組方法。

這種方法與東芝、新西蘭F&P和榮事達控制方

案相比有如下好處:

a.高低速區工作下都有較高效率;

b.高低速區工作下相電流區別較小,因此,在開關管選擇上有利于降低成本。同時控制電路過流和限流保護簡化,可設置同一個限流值即可。

實際結果,可調速度范圍為20~1 000 r/min。分為兩個速度段:高速段是200~1 000r/min,用作脫水或抖開衣物工作;低速段是60~180r/min,用于洗滌工作,20~40r/min是噴淋工作。

在洗滌和脫水額定工作狀態,按200W輸出功率點考核時,均有較高效率:低速額定點67.6%;高速額定點80.7%。

且在高低額定點的繞組電流(也是功率開關管電流)平均值均在1A左右,差別很小。這樣一來,兩段轉速下可使用同一個限流值,給控制器設計帶來方便。

表4 兩種直接驅動電動機效率比較

(4)采用市售ASIC芯片實現驅動控制功能要實現BLDCM的變頻控制,有幾種技術方案可供選擇,主要是:DSP芯片方案;MCU(單片機)方案;專用ASIC芯片方案。DSP芯片的最大優點在于計算能力和數據處理能力強大,有些DSP芯片還是專門設計用于BLDCM變頻控制的,硬件方案亦較簡單,但其價格比較高,技術支持方面相對不足;采用MCU方案,芯片的價格比較適中,但其硬件方案復雜,軟件設計也比較復雜,最終設計的產品的可靠性會受到挑戰;采用專用ASIC芯片用于BLDCM的變頻控制是一種比較合適的方案。首先,專用ASIC芯片的價格比較合適,功能完善,而且芯片生產廠家針對BLDCM變頻控制的特點,進行了具有針對性的硬件設計,保證了芯片本身較完善的控制功能和可靠性;其次,采用專用.ASIC芯片設計的BLDCM變頻控制器外圍硬

件方案比較簡單。

   我們選用美國UNITRODE公司UC3625三相無刷直流電動機控制器集成電路作為主控制單元。其特點:適用于三相無刷直流電動機閉環速度控制;末級驅動適用于GTR、MOSFET、IGBT三相逆變橋需要;安全正反轉控制、限流控制、制動控制;可兩象限或四象限運行;有測速信號輸出;有過電壓、欠電壓、過電流保護和防止上下橋臂直通的保護功能;可實現軟啟動控制。采用該專用芯片設計的變頻控制器能夠經受住依據國家標準要求的各項EMC實驗而不會出現任何故障現象,運行可靠,裝有該控制器的洗衣機正反轉洗衣、脫水、電子制動等均不會出現任何差錯。

4結束語

   采用直接驅動變頻技術同時也給洗衣機整機的設計、工藝、裝配帶來新的問題,還有成本的增加。目前,直接驅動變頻洗衣機價格偏高,市場未打開。它有待國內洗衣機市場走出壓價競爭低谷,特別是我國進入WT0,國外直接驅動變頻洗衣機打入中國市場形成競爭壓力之后,這種新型洗衣機的優越性終將得到國內市場的認可。

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