电子变速控制技术推动家电产品变革

6787grws · 发表于 2011-3-11 09:27:13

近年，变频控制、电子变速电动机在家用电器产品中的应用日渐增多，它已成为一些家电产品技术更新、实现智能控制重要因素之一。本文就其技术发展状态作一简介。1　电子变速电机与控制技术　　众所周知，电动机是许多家用电器产品重要部件之一。在大型家用电器，如房间空调器、吸湿机、家用电冰箱、家用洗衣机；各种小型家用电器，如吸尘器、电风扇、吹风机、食品粉碎机、搅拌机……，凡需要驱动运动部件的地方，大都采用电动机驱动。　　在电动机这个大家族中，一直以来用于上述家用电器产品的主要是适应以市电单相电网供电的小功率单相异步电动机和单相换向器电动机(单相串激整流子电动机)。在这些家用电器中，往往电动机不仅作为动力来源，而且家用电器某些重要性能与电动机的运行参数(主要是转速，还有转矩等)直接相关，从而存在变速和调速的要求。例如，空调器、电冰箱的致冷量与压缩机电机转速直接相关，洗衣机水流强弱与洗衣机转速直接相关，吸尘器的吸力和电风扇的风量都与其电动机转速相关。过去，由于技术上的局限，这些电动机只通过一个简单的开关直接接到单相电网上去，因此它们大都是不调速的，只有简单的开——停控制，或者以开——停时间长短来调节家用电器性能(如空调器、电冰箱、波轮洗衣机等)；或者采用变极数异步电动机得到有限挡数变速(如滚筒式洗衣机)；或者采用变抽头绕组方式、串接电抗器方式(如电风扇)进行有级的速度调节。这些方式技术上较简易，成本较低，满足了家用电器调节控制的初步要求。　　近年，将电子技术与电机技术结合成为机电一体化的新型电机及其电子变速技术在家用电器中得到越来越多的应用。它们主要是：交流异步电动机及其变频逆变驱动控制技术；永磁无刷直流电动机及其电子驱动控制技术(BLDC)；开关磁阻电动机及其电子驱动控制技术(SRM)。　　自70年代以来，这几种新型电机和控制技术迅速发展，其应用领域不断扩大。这主要是得益于电力电子技术的进展，包括大功率晶体管(GTR)、功率场效应管(PowerMosfet)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等新型自关断功率开关器件，以及功率集成电路(SmartPowerIC)与模块的出现；也得益于微电子和微计算机技术的进展，特别是各种专用集成电路(ASIC)和微控制器(MCU)芯片，以及近年数字信号处理器(DSP)的出现和它们在电机控制中的应用；更得益于电机控制理论和控制策略的进展，从而形成了称之为“功率转换与智能运动控制”这一新兴学科，进一步推动新型电机在速度调节系统和伺服控制系统的应用。这一新兴技术正在改变着整个工业驱动的面貌，特别是在先进工业国家中的工业驱动出现了交流化和永磁化发展趋势：有电刷和换向器的直流电动机正在被交流电动机取代；异步电动机有可能被永磁同步电动机、永磁无刷电动机取代。同时，在一些领域中异步电动机正面临开关磁阻电动机的挑战。这一变革趋势同样地在家用电器的驱动技术中逐渐体现出来。　　这三种电机在结构和工业原理上有所不同：如图1所示，异步电动机和永磁无刷电动机都有多相绕组的定子(常用三相绕组)，而前者的转子通常是鼠笼式的，而后者转子则带有永磁体。图1　　这三种电机实质上都是交流电机，其多相绕组需逆变电源提供交变电流，所以它们的驱动控制系统有许多共通之处。功率电路主要部分是整流电路(将电网50Hz交流电转换成直流电)和逆变驱动电路(由若干功率开关器件构成，将直流电转换成交流电)。通常从逆变电路输出端送给电机绕组的是经脉宽调制(PWM)的脉冲电压。近年为改善对电网的电磁兼容(EMC)和功率因数，增加了输入滤波器和功率因数校正(PFC)电路。而控制电路接收从外指令源来的指令信号和从电机来的反馈信号(如转子位置传感器、速度传感器、电流传感器、电压传感器、温度传感器等产生的传感信号)，经控制电路进行处理后向逆变电路和PFC电路发出控制信号，实现指令信号的控制目标。正由于三种电机控制系统，特别是控制部分有许多共通之处，因此产品化了的电机或运动控制专用集成电路、专用微控制器和电机运动控制DSP不少都同时可应用于这三种电机的控制。当然，这三种电机的功率驱动级电路的结构，和具体的控制策略是不同的，而且许多新的控制方案不断提出。例如，异步电动机和永磁无刷电动机常用六个功率开关双极性三相逆变桥电路，而开关磁阻电动机的驱动级可以是单极性的，功率管较少。异步电动机一般是正弦波脉宽调制(SPWM)，采用变压变频(VVVF)控制方式；无刷电动机可采用矩形波电流或正弦波电流控制方式；而开关磁阻电动机一般是低速区采用电流斩波控制(CCC)方式，高速区采用角度位置控制(APC)方式，无刷电动机和开关磁阻电机都需要转子位置传感器反馈信号，形成一个闭环控制，而异步电动机可实现开环控制。2　提高电子变速驱动系统性能/价格比是关键问题　　在家用电器应用变速驱动技术，其性能的提高是以成本相对增加为代价的，因此，提高性能/价格比是变速技术在家电能否得到成功应用，为用户所接受的关键问题之一。　　在表中给出了这几种变速电机控制系统在滚筒式洗衣机中应用时在性能(噪声、寿命、效率、变速范围等)和成本方面的比较。新型电子变速电机的使用，使滚筒洗衣机各方面性能均有不同程度的提高，增加了使用功能，技术上了档次。滚筒洗衣机几种变速控制系统比较表电动机类型交直流两用电动机三相异步电动机开关磁阻电动机直接驱动直流无刷电动机控制器AC相控DC脉宽控制VVVFCCCPWM洗涤速度(r/min)≥20≥15≥10≥10无限制脱水速度(r/min)≤1400≤1500≤2000≤2000≤2000噪音洗涤高低低中低脱水高低低中低效率700r/min30%30%33%66%55%1400r/min65%70%85%80%90%电机+控制器相对成本11.301.801.451.70寿命(小时)30008000>20000>20000>20000　　回到表中，滚筒式洗衣机采用四种不同的电动机，五种不同的控制器方案，在性能方面(洗涤和脱水速度可调节范围，噪声、效率、寿命……)得到不同程度的改善，但成本有明显的差异(1～1．8倍)。　　这个例子说明，为了降低成本，就电机而言，首先是选择什么样的电机类型更适合被控制家用电器，满足不同档次的要求。另外，采用优化设计，机电一体化新结构思路，扩大规模化生产，有可能不断降低电机的成本。　　就控制器而言，采用新的电路设计，新的控制策略，特别是由于近年微电子技术(单片机、专用集成电路技术)和电力电子技术(新型半导体功率开关器件、智能功率模块、智能功率集成电路)的发展，应用普及，以及电子元器件规模生产，价格大幅度下降，促使新型电子变速驱动技术在新一代家用电器应用成为可能。世界各国半导体厂商已推出大批功能、规格各异的电机控制专用集成电路。这些集成电路，大多原先是为计算机外部设备、办公室自动化设备、音像设备中的小功率电动机驱动控制而设计的。　　通用型的电机控制集成电路，包括小型直流电动机、无刷直流电动机、单相交流换向器电动机、步进电动机、异步电动机等控制集成电路，可用于家用电器或其它应用领域的电机控制，它们和分立的、小规模通用集成电路、或通用单片机相比，不但给电机控制设计带来很大方便，体积缩小，成本降低，性能改善，调整简便，而且大大提高了系统的可靠性和抗干扰能力。因为，这些专用集成电路，通常是模拟太短数字混合集成电路，针对被控电机的控制模式和电路参数经过了优化。对于小功率系统，有些集成电路还包括有功率驱动部分将高电压、大电流、大功率的多个半导体开关做在同一芯片上，同时包含检测、控制、保护等功能电路和开关的前级驱动电路。这样，只需小量外围元件，只用一片IC，就能完成对电机的驱动和控制。例如，美国Unitrode公司生产的UC3620三相无刷直流电动机驱动器集成电路，如图2所示，只用了一片IC，完成电机图2　　开环控制。工作电压：8～40V，工作电流：连续2A，峰值3A。芯片内含转子位置信号(从霍尔集成电路来)处理、利用电流比较和PWM控制实现过流保护、三相桥式逆变器功放电路、还有过热关机保护和欠电压封锁保护。从功能来说，它可用于空调器室内机无刷风机控制。　　另一个例子是美国MOTOROLA公司生产的TDA1085单相交流换向器电动机控制器。如图3所示，它在交流电源下，控制双向晶闸管，实现对滚筒式洗衣机电机交流相控调速。此洗衣机有四档不同速度，包括洗涤，抖散衣物、第一脱水速度和第二脱水速度，由设置S1～S4四个开关操作经TDA1085调节而实现。图3　　DSP(数字信号处理器)是先进的计算机芯片，它和普通的单片机相比处理数字运算能力增强10～50倍，可适用于家用电器变速驱动控制，以改善系统性能，降低系统成本，减少外围电路元件。美国德州仪器公司(TI)最近推出的一种DSP，型号为TMS320C240，已用于著名的家电厂家EleCTRolux和TEMICFelefuken公司的家电产品中，这种DSP作为电动机控制管理器，直接支持产生PWM输出信号用来控制功率放大器，还包括多个定时器、比较器、死区发生器、状态空间矢量发生器，和光学编码器接口等功能部分。此外，还包括有两个串行接口，两个A/D转换器，数据输入/输出口，欠压检出器等。为电机运动控制应用带来很大方便。　　美国AnalogDevice公司推出ADMC300、330、331系列的电机控制器芯片，它将高功能的DSP芯核和完整的电机控制外围功能电路组合在一个芯片内。　　该系列芯片可以控制交流异步电动机、永磁同步电动机、永磁无刷直流电动机和开关磁阻电动机，而且由于系统特殊设计可实现这些电机的无位置传感器控制，适用于电冰箱、洗衣机、空调器、风机、泵以及工业系统。特别需指出的是，该公司还推出一种ADMC328电机控制器，也是以DSP为芯核的，可实现异步电机、无刷直流电机的无位置传感器控制、矢量控制，但价格只有298美元，声称是全世界最廉价的DSP芯片，这对于要求低成本的家用电器变速控制来说，无疑是一个好消息。在图4给出应用ADMC330控制三相交流永磁电动机无转子位置传感器控制系统的例子。3　结束语　　引入电力电子技术的机电一体化电子变速电机在家用电器中的应用已逐渐增多，它将给家用电器带来变革，也给小功率电机行业带来新的发展机遇。　　电子变速控制技术将会成为家用电器更新换代的支撑技术之一。作者单位：广州电器科学研究所参考资料　1　谭建成，《电动控制专用集成电路》北京机械工业出版社1987　2　冯垛生，家用电器微电脑化的开发方向《家用电器科技》1996．4　3　DSP—Based motor controller,Appliance,1998.9

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