2 0 0 1 中国家用电器技术大会论文集洗衣机变频控制系统的开发应用李福和( 金羚电器有限公司，5 2 9 0 4 0 )D e v e l o p m e n ta n dA p p l i c a t i o no fF r e q u e n c yC o n v e r s i o nC o n t r o lS y s t e mo fW a s h i n gM a c h i n eL iF u h e( J i n l i n gE l e c t r i c a lC o m p a n yL i m i t e d ，5 2 9 0 4 0 )摘要：变频调速技术的发展为家用电器的技术发展提供了广阔的舞台，把先进的无级调速技术应用于家用洗衣机是一次革命性的技术创新，具有很大的市场潜力和社会效益。本文仅就本公司开发的变频调速洗衣机对其原理和功能特点作简要的介绍。A b s t r a c t ：W i t ht h ed e v e l o p m e n to ff r e q u e n c yc o n v e r s i o ns p e e dg o v e r n i n gt e c h n o l o g y ，i tp r o v i d et h ew i d es t a f ef o rt h et e c h n o l o g yd e v e l o p m e n to fa p p l i c a t i o n T h ea p p l i c a t i o no fa d v a n c e ds t e p l e 鹪s p e ：e dg o v -e r n i n gt e c h n o l o g yi nh o u s i n gw a s h i n gm a c h i n ei sar e v o l u t i o n a r yt e c h n o l o g i c a li n n o v a t i o n ，h a v ep r o d i g i o u sp o t e n t i a lm a r k e ta n ds o c i a lb e n e f i t T h i st h e s i sb r i e f l yi n t r o d u c e dt h et h e o r ya n df u n c t i o no ff r e q u e n c yc o n v e r s i o n8 p e e dg o v e r n i n gw a s h i n gm a c h i n ew h i c hi sd e v e l o p e db yo u rc o r p o r a t i o n 在国内，传统的波轮式洗衣机普遍采用电容运转式单相异步电动机作为驱动，其运转效率低，噪音大，且洗衣机的洗涤、脱水转速不可调，不同的洗涤水流只能靠改变程序控制器触点接通的节拍来实现调节。该种洗衣机已跟不上时代的进步，越来越不能满足人们多种质料衣服的洗涤需求。因此，随着近十几年来变频技术的发展成熟，将变频技术应用于洗衣机，实现变频调速洗涤，已是当今洗衣机发展的潮流和趋势。所谓变频调速指的是V V V F ( V a r i a b l eV o l t a g eV a r i a b l eF r e q u e n c v ，变压变频) 变压变频调速系统，首先将普通的5 0 H z 单相交流电通过整流变成直流电，再逆变成频率可调的三相交流电来驱动三相交流电动机，通过调节逆变电源的频率达到控制电动机转速可调，从而实现不同转速下洗涤或脱水的洗衣驱动方式。采用变频调速技术的洗衣机可以针对不同质地的衣物选定不同转速和节拍的洗涤程序，使衣物的洗净比和磨损率达到最佳效果。并且变频洗衣机还具有能耗低、噪声低等普通洗衣机无可比拟的优越性。虽然变频洗衣机具有众多的优点，但由于国内9 0 的变频洗衣机依靠进口，驱动方式多为直流无刷电机直驱式，其高昂的价格令消费者只能望梅止渴。我公司根据市场调研并结合企业自身实际情况，把目光瞄准了造价较低的三相交流异步电动机驱动式的变频洗衣机市场。经过一年多的不懈努力，成功开发出一套“A D A ”( 交一直一交) 型式的洗衣机变频控制系统，由此作者简介：李福和，男。1 9 9 6 年毕业f f - 洛f a 工学电气系工业电气自动化专业，多年来一直从事家用洗衣机的质量管理和研制开发工作。3 3 6第五部分洗衣机诞生了我公司首台三相交流异步电动机驱动的变频洗衣机。本文仅就该变频控制系统的组成、工作原理、功能及应用的情况作介绍和分析。一、系统组成该变频控制系统由三大部分组成：程序控制系统、变频驱动系统和动力驱动系统。( 见图1 )程序控制 I变频驱动I动力驱动I用户程序设定卜IlI运行状态显示卜单片机l单片机uI 、一一P W MVIIMl水位温度传感卜M 3 7 7 0。I S T 9 2控制I G B T ：5 E 4 8 S PIE 1 4 ll 进排水控制。卜一II图1变频控制系统构成1 程序控制系统程序控制系统包括微电脑程序控制器及其与外界交换信息的传感器组成。程序控制器内存储了多种自动洗衣程序及子程序，用以处理按键输入、感知环境温度、水位高低的检测和L E D 显示输出、进水阀、排水牵引器的动作，并根据变频主机的反馈信息作内部计算，以达到智能化控制洗衣过程的目的。程序控制器的核心芯片( 又称上位机) 采用M 3 7 7 0 5 F A 8 S P 型8 位单片机，该芯片存储容量大、功能强、工作可靠，已在我公司其他产品上得以广泛应用。程序控制器将计算出的控制正反转节拍、电机转速等数据通过串行口与变频器上的单片机( 又称下位机) 实现通讯。该程序控制器与普通全自动洗衣机的微电脑程序控制器的差异是反向变频器输出数据，而无须控制大功率的双向晶闸管，该任务交由变频器上的功率模块来完成。2 变频驱动系统( 即变频器)变频驱动系统主要由变频控制单元、I G B T ( 绝缘栅双极晶体管) 功率模块及其驱动单元以及电源电路、保护电路等组成。( 见图2 )变频控制单元采用S T 9 2 E 1 4 1 型8 位单片机，该芯片性价比高，处理速度快( 内部时钟达2 5 M H Z ，最短指令周期仅2 0 0 n s ) ，内部已集成了六路带死区延迟的P W M ( P u l s eW i d t hM o d u l a t i o n ，脉冲宽度调制) 控制器，通过六个输出端另加两个换向信号端，经驱动放大电路后可实现对I G B T 功率模块的开关及三相电动机的相序控制。另外，单片机的外围电路除了必备的晶振、自动复位等电路外，还包括电源过欠压检测、电机过载检测、布量检测及与上位机串行通讯等功能电路。其中，布量检测是通过检测电机电流来感知洗衣桶及布量的总的系统惯性时间来鉴别布量的多少。电机过载保护电路的电流检测是通过电阻取样，大大提高实时性和保护的快速性，并节省了成本。电源过欠压保护电路采用了分压钳位电路，当电网电压偏低时，单片机自动调整脉冲宽度作电压补偿；当电网电压偏高但在允许值内，单片机将缩窄脉冲宽度，系统仍能输出正常电压，以保证电机运转平稳可靠。当电网电压超出警戒值时，单片机将切断I G B T 的开信号，从而保护I G B T 及电动机。而电网电压恢复正常后，由于自动复位电路的设置，变频器仍能继续正常工作。3 3 72 0 0 1 中国家用电器技术大会论文集电源 ( 5 0 H z逆变器图2变频调速系统原理图3 动力驱动系统本系统采用三相交流异步电动机作为动力，其特点是堵转力矩及最大力矩大，尤其适应洗涤时快速正反转时产生强劲有力的水流。但电动机如需达到直接驱动波轮洗涤的力矩，将会造成电机体积巨大、电流大、相应I G B T 功率模块的额定电流大，造成成本剧增，这是直驱式洗衣机不能广泛推广的主要原因。因此，本系统仍采用离合器减速的办法，这样三相电动机的力矩为直驱式电机的1 4 1 5 已能满足使用要求。二、变频器的工作原理变频控制系统的电机是三相交流异步电动机，那么如何从5 0 H Z 的单相交流电获得三相交流电呢?U aU bU c图3S P W M 电压波形本系统采用恒压频比的变频方案( 见原理图2 ) 。首先，单相电源经过整流、滤波环节后，产生逆变器直流电源电压，其电压值约为电网电压值的倍。三相正弦控制信号由单片机根据上位机的控制信息经计算产生，经过P W M 控制器( 在单片机内部) ，产生六路正弦脉。冲调宽信号。该信号经驱动放大后，作为三相逆变器功率开关管( I G B T ) 的基极驱动信号。于是，从三相逆变器输出了三相S P W M 电压U a ，U b ，U c ，直接供给三相异步电动机的定子绕组。三相异步电机是“形接法，因此电动机的相电压也就是U a U b U c ，各相电压相差1 2 0 。电角度，其电压波形如图3 所示。3 3 8第五部分洗衣机由于本变频器选用的载波频率高达1 7 K H Z ，由I G B T 产生出来的S P W M ( S i n u s o i d a lP W M ，正弦波脉宽调制) 电压含有一定的高次谐波，但电机绕组的电能有效地抑制高次谐波，所以电机绕组中流过的电流基本上是平滑的三相正弦波，如图3 中虚线所示，三相电流合成后在空间产生1F I2 旋转的圆磁场，旋转角速度为o o l ，那么电动机所产生的最大转矩为T 一= 焘I 导I ( L 2 为转子折算到定子端的等效电感，对同一电机为常值；E 1 为定子上的感应反电动势，高频时E 。一U 。) 。IF 由E l = C e o l 甲得9 = ( E l 1 ) c e ( r 气隙磁通，c r 电磁感应系数) ，假设维持l 三l - 常数。即保持了气磁通午：常数，这时，电动机的最大转矩T 一= 常数。定义转差率S = o , 1 - c o ( 为电机转子的角速度) ，则电动机的电磁力矩可以表达为T e r n = 3l 暑I2 揣。T e 4T m a x“耐嗣矗dm图4变频调速电机的机械特性当S * 0 时( 高速状态) ，T e m 。cS ，T e m 是与S 成正比的线性函数；当S 一1 ( 低速) 时，T e m 1 S ，T e m 是对原点对称的双曲线函数。T e m 与不同C 0 1 的关系画成曲线( 如图4 ) 。由图看出，在近似直线段上，对于同一转矩T 。，c t ，= 1 S 基本不变，电动机的机械特性基本上为沿横坐标平移的曲线族。这种同时调节电源频率和电压，使电机的保持常值的调速方案称为恒压频比变频调整。但实际上，随着频率的下降，电机定子绕组压降所占电压的比例增大( E I U 1 ) ，电机的力矩也会越来越小。当c l ，l 很低时，T 一下降太多， 将限制电动机的带载能力。这时必须依靠提高JF I 定子电源电压U l ，以补偿定子压降，使I 竺I =仍为常数。本系统根据竺I = 洗衣机洗涤负载的特点，随着洗涤转速的减慢，所要求的力矩相 l ( t ，1应降低，因此，对U l 作适当补偿，使电动机具有一定的过载能力而又不至于造成无谓的浪费( 电机力矩过大，多余的能量会以发热的形式耗费掉) 。作电压补偿后测得本系统电动机的转矩一转速特性见图4 中虚线所示。三，应用效果该变频控制系统首先应用于我公司的X Q S 5 0 8 1 8 A D A 型全自动洗衣机上，于2 0 0 0 年1 1月份在江门市高新技术成果展览会上首次展出，便得到广大消费者的垂青。该洗衣机集变频调整技术和模糊推理控制技术于一身，具有以下特点：1 无级调速该洗衣机能根据洗涤衣物的质地不同、洗涤量的多少进行模糊推理，选择并自动设定合理的洗衣时间、洗涤水流、洗涤水位和脱水转速等参