（电机与电器专业论文）低振动滚筒洗衣机脱水减振技术的研究.pdf

a b s t r a c t w h e nt h e 蛐w a s l l i n gm a u c l l i n es t a r ta 1 1 dn l ni nt h ed e h y 出a t i o np r o c e s s ，t 1 1 e r e i sas 仃o n gv i b r a t i o n ，w 1 1 i c hi sd u et o 也er o l eo fe c c e n t r i cl o a d d m mw a s h i n g m a c m n ea tw o r k ，d u et ot h er o l eo ft h el o a dm a k e st h ea s y n 珊e 缸yd i s t r i b u t i o no ft l l e m a 弘“cf i e l dd i s t r i b u t i o nb e 押e e nt h ed r i v em o t o rs t a t o ra n dr o t o ra i rg a p ，r e s u l t i n g i i lm er o t o rt 0g e i l e r a t eu n i l a t e r a lm a 印e t i cp u l l ，a 1 1 0 w i n gt o r q u ep u l s a t i o no c c u r s t l l i sw i l la 1 1 0 ww a s l l i n gm a c m n ed r u mt 0v i b r a t e ，a 1 1 da c c o m p 砌e db yas 0 n g n o i s e f 0 rm e w a s l l i n gm a c l l i n en o i s ea i l dv i b r a t i o nr e d u c t i o np r e d e c e s s o r sd e v e l o p e d as 鲥e so fm e c h 撕c a l 蛳i n ga n 弭eo fa p p r o a c h ，b u tt h e r ea r el i m i t a t i o n s h lr e c e n t y e a r s ，w 瓶1 ed e v e l o p m e n to fs i 盟a ld e t e c t i o nt e c h l l i q u e s ，m o t o rc 咖1t e c 王1 i 1 0 1 0 9 ) r a n dm e l l i g e n tc o n 仃0 1 t e c l l l l 0 1 0 戥n e wm o d e l so fw a s m n gm a c k n e sv i b r a t i o n m e t h o d sa r eb e i n gd e v e l o p e dw i mc o n s i d 哪b l ep r o g r e s s i i lt 1 1 i sp a p e r ，y o uc a nk n o wt 1 1 er e s e a r c hw o r km d e t a i l ，w h i c hi st h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a lb a s i sf 0 rm er 锄p s t y l ed m mw a s l l i n gm a c l l i n ev i b r a t i o nd e t e c t i o na n d v i b m t i o nc o n t r 0 1 t h es 仇j c t u r ea i l dt 1 1 em a i l lc o n t e n to ft m sa n i c l ea r ea l sf o l l o w s ： c h 印t e r 0 n ei n t r o d u c e dt h ed n l n l w a s l l i n gm a c m n ev i b r a t i o na n dn o i s e g e n e r a t i o nm e ch a 【l i s m ，a n dt h e n t h e b a c k g r o u i l d f o r l et o p i c so fp r a c t i c a l s i 印i f i c a l l c e ，a sw e l la sad e t a i l e de x p o s i t i o np a p e r 血仃o d u c e st h ed n nw a s h i l l g m a c l l i n ev i b r a t i o n ( 1 e t e c t i o na n dv i b r a t i o nc o n t i d lo fm em a i nt e c h i l i c a lm e a n s c h a p t e r 觚od e s c 曲e sm ep e m 觚e n tm a 印e ts y n c h r o n o u sm o t o rv e c t o rc o n 仃0 1 s y s t e m ，t 1 1 eb a s i cm e t h o d ，a n dt h e ni i l m ) m l c e dm ed r i v es y s t e m sm a i nl l a ：r d w a r e g r o u p s f i m l l y ，f o r ( h e 商v es y s t 锄c o n 仃0 ls o 脚a r e ，m em a i l l 劬c t i o no fp e e w d i dab r i e fi i i t r o d u c t i o n c h a p t e rt h r e e 丘r s t 砷d u c e dt 1 1 e m e c h a i l i s mo fd e h y d r a t i o np r o d u c e db y v i b 阳矗o na n dv i b r a 缸o nt e s t i l 唱p r o g r a m ，a n dt h e nm 仃o d u c e dm ee c c e n t r i cl o a dt 0 d e t e n i l i n e 吐l er a d i a la 1 1 da ) 【i a lp o s i t i o n ，a i l d 酉v e se x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n n l e d e t e 舳i 枷o no fr a m a lp o s i t i o nw a sd o n eb yp r e i d e c e s s o r 1 1 1 e nj n t r o d u c e dm e a p p l i c a t i o no f 矗屹z yc o n 仃0 lt 0t 1 1 ee c c e n t r i ca ) 【i a ll o 砌n gl o c a t i o nt 0d e t e i 证n et l l e i i m e t h o da n d 百v e sm es i m u l a t i o nr e s u l t s f i n a l l yt 1 1 ev i b m t i o no ft h es t a t o rc u 船e n t d e t e c t i o nm e t h o d ，d e d v e dt h ef o m m l ao fu i l i l a t e r a lm a g n e t i cp u l l 也a tt h ed i s t r i b u t i o n o fa i rg a pa s y m m e t 巧c a s e ，t h er o t o ro ft h ee l e c 仃d m a g n e t i cf o r c em u l t i p l i e rc y c l e c o n t a i n st 、oc o m p o n e n t s r u i l - t i m ei s 百v e na rt h ee c c e n t r i cs t a t o rc u r r e n ts p e c t r i 蚰 a i l df o u i l dt h a tt 1 1 e r ee x i s t sa no b v i o u ss t a t o rc u 】t e n ti nt h et w oh a i m o l l i cc o m p o i l e n t s c h a p t e rf o u rd e s c r i b e st h ev i b r a t i o nc o n 仃d lm e t h o ds i n c et h ep r i n c i p l ea n dt l l e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，i sp r o p o s e db a s e d0 nm ev i b r a t i o nm e m o do ff e e d f 0 唧a r d c o n t r 0 1 c h a p t e rf i v ed e s c 曲e st h ew o r kd o n e0 nt h e 觚ls 眦，a i l d 也ed e v e l o p m e n to f i i e s e a r c hd o n ei sd i s c u s s e d k e yw o r d s ：d m mw a s l l i l 培m a c l 血1 e ，m 0 t o rv i b r a l t i o 玑e c c e r 衙cl o a d ，u 1 1 i l a t e m l m a 黟e t i cp u l l m 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 滚筒洗衣机是由欧洲传入中国的洗衣机中的高端产品，具有很高的商业利 润，因此主流洗衣机制造商近两年都很重视滚筒洗衣机的研制以及市场的开发。 回顾中国滚筒洗衣机的发展历程，其历史已经有1 0 年以上了【i l ，虽然这十年中 并没有出现大幅度升级换代的局面，销售额度也没有大的飞跃，但是滚筒洗衣 机仍然以其优良的性能，高端产品的地位保持着其巨大的发展潜力。 滚筒洗衣机的洗衣原理是模仿的棒槌击打衣物的过程，利用驱动电机的作 用使滚筒来回正反转动，衣物在上升过程中受重力作用从筒壁落下，然后再上 升，再落下，如此往复循环，在不停的摔打中，再加上洗衣粉和水的共同作用， 来达到洗净衣物的目的。它的主要优点如下： 洗净度高，省水省洗衣粉；防缠绕，衣物磨损率低；洗涤均匀，适用范围 广，对于真丝、羊毛、羊绒、化纤、棉麻等质地的衣物都可以洗，而且不伤衣 物；结构严谨，选料严格，可以上下排水；使用寿命较长，一般设计寿命是2 0 年，而波轮式洗衣机的寿命一般为5 1 0 年。 目前滚筒洗衣机的发展方向为高转速，大容量，人性化和智能化。转速方 面7 0 0 一9 0 0 印m 的机型已经逐渐取代了6 0 0 r p m 的低端机型，而1 0 0 0 巾m 以上的 高端机型也在大跨度发展。与此同时，滚筒洗衣机的容量也大幅攀升。人性化 和智能化是人机工程所追求的目标，是家用电器为人们带来生活便利的基本需 要。随着微机控制技术，智能控制理论以及产品设计上的不断完善，滚筒洗衣 机的各项性能也会不断提高。 1 1 滚筒洗衣机的振动与噪声 振动性能是反应滚筒洗衣机性能好坏的一个重要指标，特别是洗衣机在脱 水运行中会进行高速的旋转，从而产生很强烈的振动【2 1 。振动主要是由于系统 不平衡所致，滚筒洗衣机工作时，滚筒内的衣物呈现不平衡分布，形成不平衡 负载，引发滚筒的振动。滚筒转速越高，振动就会越剧烈。 滚筒洗衣机的结构图如图卜l 所示，这是一个复杂的非线性振动系统。首 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 1 滚筒洗衣机结构图 先驱动电机在运行过程中，由于重力及旋转离心力的作用，会产生转子偏心， 从而产生振动。电机的振动还会通过支撑系统以及滚筒外壳向外传递，从而造 成箱体振动。其次在非直驱型号洗衣机系统中，传动部件以及运转部件的不平 衡也会产生激励作用，引起系统振动【3 】。 洗衣机的噪声通常包括机械噪声和电磁噪声。机械噪声就是由于电机振动 以及机械传动系统的振动造成的，电磁噪声是电动机受到特定频率的电磁激振 力后产生的并通过外壳传到机体外部【4 】。 1 2 洗衣机噪声国家标准及降噪措施 国家环保总局于2 0 0 6 年1 1 月1 5 日发布了环境标志产品技术要求一家用 电动洗衣机标准，规定了产品工作状态( 洗涤，脱水) 时的声功率级噪声值不 得超过表卜1 中的噪声限制。 降噪措施主要有一下几个途径【4 1 2 】： ( 1 ) 控制噪声源控制噪声最有效的途径是直接控制噪声源，包括削弱驱动 电机的振动以及减小机械传动系统的振动。对于机械传动系统，主要是设计过 浙江大学硕士学位论文第章绪论 程中要满足整机对称性以及运行平衡性的要求，此处不做赘述。而对于驱动电 机来说，则要在电机设计以及电机控制方面着手，削弱振动。 表卜1 洗衣机噪声指标 波轮式( 含脱水机)滚桶式 洗衣机 搅拌 式 容量4 k g 容量 6 0 0 n m i n转数6 0 0 n m i n 噪声值d b ( a ) 6 05 56 56 0 6 0 注：滚桶洗衣机转数是指洗衣机每分钟空转圈数。 ( 2 ) 控制噪声传播途径噪声传播途径控制主要是阻断和屏蔽声波的方法， 包括对电机进行屏蔽，对电机基座采用双层隔振，以及在筒体和壳体之间做阻 尼消声处理。 1 3 选题背景及意义 现代生活随着人们对环境要求特别是噪声抑制要求的提高，洗衣机的振动 和噪声问题受到重视。滚筒式洗衣机在工作运转过程中，尤其是脱水甩干时的 剧烈振动问题一直是一个突出问题，这种振动主要表现为洗衣机的箱体振动。 洗衣机箱体是其他零件的安装基础，运行工作时，箱体受到来自滚筒等旋转部 件的振动激励作用，承受比较复杂的载荷，而产生噪声，影响人们的日常生活。 洗衣机的振动性能跟其结构密切相关。从结构上，滚筒洗衣机可以分为立 式，卧式和斜式三种类型。立式直筒型洗衣机在振动性能方面最受青睐，其振 动性能也是三种机型里面最好的。卧式以及斜式滚筒洗衣机工作时，滚筒围绕 水平轴或者水平倾斜轴作上下空间上的立体回转运动，质心相对于一个水平面 或斜面上下往复运动。另外滚筒内衣物在脱水运动中由于离心力而造成的分布 不平衡，会使滚筒受到变载荷与变方向惯性力的激励作用，而产生整机的剧烈 振动。如果这种振动得不到控制，将会制约滚筒式洗衣机的进一步研制与开发， 并与追求宜人性，安全性和舒适性的人机工程学要求相矛盾。 洗衣机的整机振动是一种非常复杂的非线性振动。洗衣机内部的各种合式 的零部件在脱水运行过程中，有的构成振源，有的对振动起到传递与放大的作 用，这样产生的整机振动不仅会产生很大的噪声，而且会降低洗衣机的各个机 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 械与电气零部件的使用寿命。 基于上述各种原因，使得新的滚筒洗衣机减振技术的开发变得很重要。而 减振技术的开发是以振动检测为基础的，因此振动检测技术的开发也很重要。 通过开发新的振动检测技术来对滚筒脱水过程中的振动情况进行检测，在此基 础之上开发新的减振技术，从而改进新一代洗衣机的各项性能。 1 4 滚筒洗衣机的减振方法及新技术应用 1 4 1 滚筒洗衣机减振的三种基本途径 基本的洗衣机减振策略主要有以下三种【13 】：优化结构设计，合理设置减振 系统，有效控制脱水转速。 ( 1 ) 优化结构设计包括提高分布对称性以及降低刚度。滚筒式洗衣机在整 体结构设计时，要注意质量分布的对称性。设计时，先要找到振源在整体结构 中的位置以及振源作用力的大小，有针对性的改造结构布局，最大限度的减弱 振动影响。要设法将振源布置于洗衣机的质心处，这样有利于系统激振响应的 衰减以及动态性能的改善。降低刚度指在不影响整机强度要求的条件下，尽量 选用低刚度材料。 ( 2 ) 合理设置减振系统指的是通过适当的选择一些机械部件以及系统参数 来达到减振的目的。首先要选择合适的减振器。洗衣机减振器属于机械振动领 域，用于机体悬挂，吸收并消除振动，防止爬行，降低噪音。可以有效延长洗 衣机的使用寿命。由于我国目前滚筒洗衣机的生产技术主要从国外引进，因此 减振器种类很多，其中以柱塞式减振器的减振效果最好。另外，运用组合弹性 支撑，设置合适的阻尼比，以及采用弹性支撑对称布置的方法来避免耦合振动 等等，这些措施都可以予以考虑。 ( 3 ) 有效控制脱水转速指的是采用变频调速方法，有效的控制调节滚筒的 转速，针对洗衣机的不同工作状态采用相应的转速，从而使洗衣机在不同载荷 和不同的工作状态下始终处于最佳的运行状态。 浙江大学硕士学位论文 1 4 2 滚筒洗衣机三维不平衡量检测新技术 第一章绪论 传统的不平衡量检测程序是这样的【1 4 】： ( 1 ) 检测一定不平衡量在分配转速下的电机上测速器的脉冲频率。当不平 衡负荷过大时，电机转速就降低，测速器的频率值就会降低；当不平衡负荷过 小时，则相反。 ( 2 ) 电机测速器频率值输入微控制器程序，对比已设定的额定不平衡负荷 的脉冲频率值，若较大，则进入高速脱水程序；若较小，则进入散抖程序。通 过散抖来重新分布衣物，减小不平衡负载量，再进入分配程序，重新检测。 该方法为间接测量方法，受传动系统技术参数影响较大，而且当机器用过一 段时间后，传动系统技术参数也会有所变化。 撇q u a i t 公司在2 0 0 8 年德国科隆国际家电展上，推出了新型三维不 平衡量检测传感器。该传感器不但能检测滚筒振动信号，还能检测悬挂系统的 前后扭动信号，该传感器能测量悬挂系统三个自由度的振动信号。此种传感器 已经应用于西门子公司生产的滚筒洗衣机上。此种三维不平衡量检测传感器的 使用，使得西门子公司在箱体尺寸不变的条件下，加大了内外筒的直径，制造出 大额定容量的洗衣机，脱水转速提高，同时振动和噪声也减小了，洗衣特性进一 步提高。 1 4 3 低振动滚筒洗衣机驱动新技术 ( 1 ) 永磁电机直驱变频技术 采用永磁同步电机直接驱动的变频洗衣机具有大转矩，小脉动，调速范围 宽等优点【1 5 】。我国稀土资源丰富，永磁电机的制造成本随着工艺水平的提高而 不断降低，从而使得永磁电机得到越来越广泛的应用。相同参数的永磁同步电 机比异步电机体积减小1 3 以上，重量减小l 3 以上，而且效率也有大幅提高。 采用变频技术，可以改善电机的启动性能以及实现无极调速，从而极大提高了 洗衣性能。目前变频洗衣机的关键技术是相位估计和弱磁控制。 ( 2 ) 无刷直流电机驱动技术 随着洗衣机技术的日益发展，出现了采用永磁无刷直流电机直接驱动的洗 衣机，它既省掉了皮带传动部分又省掉了齿轮减速部分，更加重要的是，无刷直 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 流电机的调速范围广，转速可以从几转到上千转之间任意调节，但是对电机的力 矩要求比普通洗衣机的电机要大很多。在洗衣机系统的噪音方面，采用永磁无刷 直流电机驱动的全自动洗衣机比采用单相异步电机驱动的全自动洗衣机的噪音 小，具体降低噪音的效果取决于无刷直流电机的性能和洗衣机的生产工艺及其 控制器的性能。 ( 3 ) 智能控制驱动技术 近年来随着智能控制技术的发展，主要是模糊控制以及神经网络控制技术 在洗衣机驱动控制算法中的应用，使得新型洗衣机有了更加人性化，智能化的 特点，也增强了可靠性。 模糊控制理论与神经网络技术的理论研究在各自的学科里取得了引人注目 的成果，二者的相互渗透和有机结合，进一步推进了模糊神经网络技术的研究。 模糊神经网络中，将神经网络与模糊控制相结合，为模糊控制提供了良好的学 习功能，能够自动生成模糊控制规则。通过神经网络实现的模糊控制，其知识 的表达并不是通过一些显式的规则，而是把这些规则隐含地分布在整个网络之 中。在控制应用时，没有必要进行复杂的规则搜索和推理，只需要通过高速并 行的分布计算就可产生输出结果。 智能控制理论中的模糊控制及神经网络控制是非线性的控制方法，主要针 对那些无法建立数学模型或者数学模型相当不完善的系统。其控制规则的建立 要通过人们的以往经验或者进行大量的实验来加以制定，并且需要借助微控制 器将采集信息转换成控制量来完成自动控制。 日常使用的普通洗衣机，通过固定的旋钮控制滚筒旋转速度、起停时间、 脱水时间等功能，由人进行操纵，洗衣机自身则不能根据洗涤物的质地、数量 及洗涤剂的种类来自动选择。而模糊洗衣机则可以实现全自动控制。模糊控制 洗衣机内部设置有微控制器和多种精确的智能传感器，能模仿人类的感知能力 及思维对洗衣程序进行控制。各种传感器相当于人的耳，鼻，眼，皮肤等，可 自动检测判断衣物的重量、质料、脏污程度、洗涤液温度等，并把这些信息传 递给c p u 。c p u 对收到的信息进行综合判断后，自动设定最佳转速、最佳洗涤 时间和最佳水位，控制各执行部件自动完成整个洗衣过程。使用采用模糊技术 控制的洗衣机，用户只要按一下触键，洗衣机就能自动算出最佳注水量、水流 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 形式、洗涤动作和洗涤时间，使洗衣节能、节时并达到最佳洗涤效果和最低的 衣服磨损率。模糊控制技术的应用使洗衣机达到了一个新的技术水平。 1 5 本文主要工作 本文研究工作是与日本松下公司合作进行的，总共分为两期，本次研究是 第二期。前期工作针对偏心负载径向定位以及偏心负载质量确定做了数学建模 工作，并进行了实验验证。对电机输入电压与脉动转矩之间关系进行了分析及 仿真实验，通过调节负序电压的幅值及相位，实现对脉动转矩幅值和相位的控 制并对负序电压与脉动转矩之间的关系进行了定性分析，得到通过调节负序电 压可以得到可控脉动转矩这一结论；并对脉动转矩与电机振动之间的关系进行 了实验分析。在仿真和实验的基础上，提出了开环的分段线性化振动抑制法以 及闭环的自振动抑制法。通过实验测得有关的参数，并对振动抑制方法进行了 实验研究，证实了其对降低振动具有比较明显的效梨1 6 】。 本期所做主要工作也即本文主要工作如下： ( 1 ) 在前期工作的基础上，在实验室搭建了m ) w a y 电力电子数字控制系统 硬件平台。主控制平台采用的是基于t i 公司t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 型号d s p 的 p e e x p e r t 3 数字控制开发器，采用永磁同步电机作为驱动电机，内置的霍尔传 感器进行转子位置检测，采用旋转编码器e 6 h c w z 6 c 测定转子转速，逆变器 单元p e 1 1 1 v e r t e r 为驱动电机提供电力，p c 机作为上位机与p e e x p e n 3 相连， 并安装有p e v i e w 综合开发软件。 ( 2 ) 通过分析加速度传感器信号的规律，进行了偏心负载轴向位置确定工 作。由于永磁同步电机采用单轴驱动原理，在负载质量不变的情况下，振动幅 值随着负载的轴向位置变化而变化。而且负载位置离驱动轴越远，加速度传感 器信号越大，振动越强烈。但是当负载质量变化时，仅通过加速度传感器信号 不能确定负载的轴向位置。 ( 3 ) 当负载质量变化时，负载轴向位置不能通过加速度传感器确定，因此 引入了模糊控制策略。将负载质量和加速度信号作为模糊控制模块输入，将负 载轴向位置作为输出，把复杂的非线性耦联系统加以简化。通过大量的实验数 据，确定了模糊控制规则表，最后给出了模糊规则仿真结果以及模糊输出曲面。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 4 ) 定子电流谐波信号中包含有系统的振动信息。本文通过理论推导，从 分析不均匀气隙磁场出发，得到了转子上的单边磁拉力公式，证明在气隙偏心 的条件下，单边磁拉力中除了常量外，还有2 倍频的周期分量。与此同时，通 过实验发现，气隙偏心时定子电流中也含有明显的2 倍频谐波分量。而且该谐 波分量随着偏心负载的质量和轴向位置的变化而变化，即该谐波分量与电机的 偏心率有关，偏心率越大，谐波分量的幅值越大。 ( 5 ) 针对洗衣机启动时的振动提出了自振动分段控制减振法，通过实验证 明该方法对洗衣机启动时的振动有定的削弱效果。在此基础上，提出了基于 前馈控制的复合控制思想，给出了控制框图。最后提出了控制算法的快速开发 原理。 1 6 本章小结 本章首先介绍了滚筒洗衣机的振动和噪声的产生机理，指出振动是噪声的 主要来源，降噪先减振。介绍了国家环保总局对电动洗衣机噪声标准的有关规 定和降噪措施，指出本文主要研究的降噪措施为电机减振。然后针对选题背景 以及实际意义做了详细论述，介绍了国内外滚筒洗衣机振动检测以及振动控制 的主要技术手段。对全文工作做了简单介绍。 本章参考文献 【1 】王磊，中国滚筒洗衣机的发展趋势，家电科技，2 0 0 4 ，2 3 ：7 8 7 9 2 】翟俊峰，倾斜轴滚筒洗衣机振动分析及减振方法，家电科技，2 0 0 2 ，1 2 ： 6 6 6 7 3 顾乾坤，张世平，李才友等，小振动低噪声洗衣机的开发，噪声与振动控 制，2 0 0 3 ，5 ：4 2 4 4 4 】潘元明，洗衣机噪声及降噪措施，家用电器，1 9 9 9 ，1 0 ：2 4 5 】刘玉春，倾斜滚筒洗衣机动力学建模与仿真分析，天津大学硕士学位论 文，2 0 0 2 6 】胡海燕，滚筒洗衣机的建模与运动仿真研究，武汉交通科技大学硕士学 位论文，2 0 0 0 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 7 徐超，左言言，李晓川，滚筒洗衣机箱体振动与噪声控制，环境工程，2 0 0 8 ， 2 6 ( 1 ) ： 5 7 - 6 0 8 刘庆亮，滚筒洗衣机的振动分析，天津大学硕士学位论文，2 0 0 1 9 】张艳青，滚筒洗衣机动力学特性研究，山东大学硕士学位论文，2 0 0 1 1 0 】衣同颖，滚筒洗衣机力学建模与支承轴承校验，天津大学硕士学位论文， 2 0 0 2 1 1 硕楠，全自动滚筒洗衣机洗涤效果的综合实验研究，天津大学硕士学位 论文，2 0 0 2 【1 2 郭秉毅，洗衣机用d d 无刷直流电机仿真分析与实验研究，哈尔滨工业大 学硕士学位论文，2 0 0 3 【1 3 】夏虹，滚筒式洗衣机的减振方法，家用电器，2 0 0 2 ，3 ：2 7 - 2 8 【1 4 许斌，三位不平衡量检测传感器，电器，2 0 0 8 ，7 ：6 3 【1 5 】刘庆亮，洗衣机驱动方式上的突破直驱电机，家用电器，2 0 0 1 ，1 2 ： 2 3 2 4 1 6 张昊，低振动的滚筒洗衣机驱动系统控制研究，浙江大学硕士学位论文， 2 0 0 8 浙江大学硕士学位论文第二章洗农机驱动系统及软硬件构成 第二章洗衣机驱动系统及软硬件构成 目前，洗衣机的驱动电机主要有以下几种【l 】：单相交流异步电机，单相串 励电机，开关磁阻电机，永磁同步电机。洗衣机驱动方式可以分为间接驱动和 直接驱动。 传统的单相交流异步电机原理简单，工艺成熟，曾得到广泛的应用。但是 这种电机只能做恒速运转，需要通过皮带传动和减速离合器来进行调速。有些 普通的滚筒洗衣机只有皮带传动环节，其调速采用的是变极调速，调速范围窄， 转速较低。 单相串励电机由电刷换向器，励磁绕组和电枢绕组串接而成。励磁绕组与 电枢绕组串接，电枢电流与励磁磁场产生电磁力矩带动负载旋转。该种电机转 速高，体积小，启动转矩大，调速范围较宽，但是其缺点是噪声很大。 开关磁阻电机的结构特殊，它由电动机本体，转子位置检测器，功率变换 器和控制单元组成【2 】，其实质是一个可调速的驱动系统。其定子和转子双边均 有开口槽，定转子铁心由硅钢片叠成，定子上装有不同位置的多相集中绕组， 每相绕组由相对的两个定子齿上两组线圈串联而成，转子上没有绕组。它的优 点是结构简单，维护方便，但是存在转矩波动，而且噪声较大。 永磁同步电机的转子由永磁体构成，没有励磁绕组，所以不存在励磁损耗， 效率较高。一般包括电机本体，驱动电路，传感器三部分。驱动电路包括电力 电子器件和控制器件，通过采集传感器信息，经控制器件运算得到控制信号， 驱动电力电子器件的开关，达到对电机调速的目的。由于永磁电机转子结构简 单，所以可以与滚筒直接相连，而且运行稳定可靠，转矩脉动较小。 综上所述，采用永磁同步电机直接驱动的滚筒洗衣机有着较为明显优势【3 】： 电机转子轴与滚筒转轴直接联接。去除了易产生故障的中间传动机构，有效地 降低了噪音和振动。电机直接驱动滚筒，减少了中间的能量消耗环节，提高了 整个系统的效率。由于滚筒洗衣机在洗涤、脱水状态下内筒都转动，不存在使 用离合器的问题，所以滚筒洗衣机使用直接驱动方式有着特殊的优势。 本次研究采用永磁同步电机作为驱动电机，内置的霍尔传感器进行转子位 浙江大学硕士学位论文第二章洗衣机驱动系统及软硬件构成 置检测，采用旋转编码器e 6 h c w z 6 c 测定转子转速，逆变器单元p e h e r t e r 由 t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 2 2 5d s p 为核心的数字控制系统p e e x p e r t 3 加以控制，p c 机作为 上位机与p e e x p e r t 3 相连，并安装有p e e w 综合开发软件，提供控制软件的开 发环境【3 1 。 驱动系统包括硬件驱动系统和软件驱动系统，本章将在介绍控制系统基本 算法矢量控制技术的基础上，详细介绍硬件系统各部分的功能用法和相关参数， 以及各硬件部分的接口电路和连接形式，并介绍软件系统的基本功能和使用方 法。 2 1 矢量控制技术 1 9 7 1 年，德国学者b l a s c l l l ( e 提出了交流电动机矢量控制理论，它的出现对 电机控制技术的研究具有划时代意义【4 1 。在此后的3 0 多年里，矢量控制技术得 到了广泛的应用，交流伺服驱动系统逐步代替了直流系统。 2 1 1 矢量控制技术基本思想 通常直流电动机的调速性能是比较优越的，直流电动机的电磁转矩为： 冗= c 加如( 2 1 ) 其中，由励磁绕组所产生的主磁通和由电枢电流所产生的电枢磁动势在空间 相互垂直；如果不计磁路饱和的影响，两者之间不存在耦合，可以独立的进行 控制【2 1 。永磁同步电机的情况要复杂的多，设定子电流合成空间矢量为i 。，。为 空间合成磁通，则它的电磁转矩为 l = p 哦玉 ( 2 2 ) 由于合成磁场由定子电流感生磁场和永磁体转子感生磁场耦合而成，所以很难 实现电枢电流和励磁磁场的解耦控制。 通过坐标变换，将定子电流分解成相互垂直的两个分量，其中一个电流分 量与永磁转子同轴，成为直轴分量电流，另外一个分量与之垂直，成为交轴电 流分量。直轴分量提供励磁磁场，直轴分量提供电磁转矩。这样，通过坐标变 换，可以实现励磁分量和转矩分量的解耦，具备了直流电动机的调速特性。 浙江大学硕士学位论文 2 1 2 矢量控制系统基本控制方法 第二章洗衣机驱动系统及软硬件构成 永磁同步电机矢量控制系统包括速度环和电流环，其中速度环为外环，电 流环为内环，即为一个双闭环调速系统。其特点是速度环调节器的输出作为电 流环调节器的给定【5 】，这样做的好处是可以根据给定速度和实际速度的差额及 时的控制电机的转矩，使在速度差值比较大时电机转矩大，速度变化快，以便 尽快达到给定值，实现调速快速性；而当转速接近给定值时又能使电机的转矩 自动减小，避免超调，能够做到静态无差。 根据永磁同步电机的不同用途，可以采用不同的控制方法，基本的几种主 要有：i d 一0 控制，最大转矩电流控制，弱磁控制。下面分别予以介绍： ( 1 ) i d = o 控制 对于磁体安装在转子表面的p m s m ，它有较大的等效气隙【6 】，使其凸极影 响忽略不计，直轴电枢电抗与交轴电枢电抗相等，即直轴励磁电感与交轴励磁 电感相等。因此直轴电感和交轴电感相等，其电磁转矩为： 气气 l = 丢p 、壬，岛+ ( d 一三q ) f 彳g = 吾p 、王，南 ( 2 3 ) 么么 显然当定子电流全部为交轴分量时，即i ( 瑚时每单位的定子电流可以产生最大 转矩。此时，从电动机端口看进去，相当于他励直流电动机【7 】，定子电流中只 有交轴分量，且定子磁动势空间矢量与永磁体磁场空间矢量正交，电动机转矩 中只有转矩分量，没有磁阻转矩。 这种控制方法使得定子电流与转子永磁磁通相互独立解耦，简化了控制系 统，转矩特性较好，可以获得很宽的调速范围。但是这种控制系统的缺点是当 负载增加时，定子电流增大，由于电枢反应影响，造成气息磁链和定子反电动 势增大，迫使定子电压升高。这就要求电控装置要留有足够的容量，用来保证 足够的电源电压，因此利用率降低。与此同时，负载加大时，定子电压矢量和 电流矢量夹角增大，功率因数降低。 ( 2 ) 最大转矩电流控制 电动机在恒转矩运行区，因为转速在基速以下，所以铁耗相对与铜耗来说 要小的多，通常选择用最大转矩电流控制的原则来控制定子电流。这样不仅使 得电动机的铜耗最小，而且减小了逆变器和整流器的损耗，降低系统总损耗【4 1 。 浙江大学硕士学位论文第二章洗衣机驱动系统及软硬件构成 水磁同步电机的电磁转矩如式2 3 ，可以得到采用最大转矩电流控制的时 候，电动机的电流矢量满足 7 】： a ( 足厶) a 劾= o( 2 4 ) a ( 兀玉) a 如= o ( 2 5 ) 式中有： 玉= ( 妇2 嘞2 ) 沿6 ， 由上述几个方程式可以将定子电流的分量i d 和i q 表示为： 如= 厂1 ( 兀)( 2 - 7 ) 岛= 厂2 ( 兀)( 2 - 8 ) 对于任意给定转矩，按照上式求出最小电流的两个分量作为电流的控制指 令就能实现永磁同步电机的最大转矩电流控制。 ( 3 ) 弱磁控制 永磁同步电动机由电流可控p w m 逆变器供电，由于逆变器供电能力受到 其容量的限制，因此定子电流有一个极限值，同样，逆变器在电流控制中所能 提供的最大电压要受到整流器可能输出的直流电压的限制。因此电动机的运行 速度受到这个电压的限制。在电机电压达到逆变器所能输出的电压极限后，要 想进一步提高转速，就必须通过调节i d 和i q 来实现。保持电压平衡，达到弱磁 效果的途径包。括增加直轴去磁电流分量和减小交轴电流分量。 * 学砸i 学论文 2 1 3 滚筒洗衣机驱动系统的矢量控制系统 第= 章洗机动系统强# 硬件构成 镭 _ ，鞘“ 匿戬 珊：“ _ = 矧 一l 兰e k * 图2 - 1 驱动系统矢量控制示意图 驱动系统矢量控制示意图如图2 一l 所示，基本的控制过程如下： 使用霍尔传感器和编码器得到转子的位置和电机转速，然后将其转换成电 角度乩和转速。，给定转速和反馈转速的偏差输入速度调节器s p e c d c o n 们l l e r 计算得到定子电流参考输入脚可，局，p ，：定子相电流经过c l a r k e 变换将其转 换到定于两相静止坐标系，再经过p a r k 变换到d q 旋转坐标系中得到尉，琦。 d q 坐标系中的电流信号埘，由与它们的参考输入值埘，可，如一，盯相比较，输 电流控制器c u 仃e n tc o n 们l k r 获得理想的控制量列，哳。控制信号再通过 p 破逆变换，经过s v p w m 产生6 路p w m 信号并经逆变嚣输出三相电压用来 控制电机的转速和转矩，构成一个完整的速度和电流双闭环系统”。 矢量控制的结构框图如图2 2 所示： 浙江大学硕士学位论文 第二章洗衣机驱动系统及软硬件构成 图2 - 2 矢量控制结构框图 其中速度反馈控制部分k j e l 以及电流反馈控制部分k j d ，k _ i q 的设计结 构框图分别如图2 3 ，图2 - 4 所示： 图2 - 3 速度反馈控制框图 图2 - 4 ( a ) 电流反馈控制i ( _ i d 框图 阿3 浙 日+ 论女 第= 机骓系统辕碰件构成 图2 4 ( b ) 电流反馈控制k 1 j q 框图 2 2 驱动系统硬件介绍 本实验滚筒洗衣机硬件控制系统主要由以下几个主要部件组成：n 曲o n 甜 n a - v 8 2 型号滚筒洗衣机所用的永磁同步电机，o m r o ne 6 h c w z 6 c 旋转式编 码器，p e i n v e n e r 逆变器单元以及p e - e x p e n 3 电力电子用数字控制系统。各部 分具体介绍如r ： 2 2 1 永碰同步驱动电机 n 贰i o n 出n a v 8 2 型号滚筒洗衣机采用一台嵌入式三相7 k 磁同步电机( i p m ) 作为驱动电机，如图2 5 所示。该永磁电机的永磁体安装在转子内，定子绕组 是通常的三相正弦绕组。具有以下特点： r 1 ) 电机坚固，允许高速运行。 ( 2 ) 同步旋转坐标系直轴d 上的有效气隙大于交轴q 上的有效气隙，使得 电机具有明显磁极，l 曲( 直轴威磁电感) l 栅( 交轴励碰电感) 。 ( 3 ) 有效气隙减小，电枢反应起决定作用。 图2 5 永磁同步电机 浙江大学硕士学位论文第二章洗衣机驱动系统及软硬件构成 永磁同步驱动电机的具体参数为：极对数4 ；齿槽数1 2 ；永磁体数8 ；内 置霍尔传感器3 ；单位电流产生的转矩5 3 n m ，a ；输出转矩1 1 0 n m ( 1 2 9 w ) ， 2 5 n ( 2 9 5 w ) 。 2 2 2 旋转编码器 编码器是是将信号( 如比特流) 或数据进行编制、转换为可用以通讯、传 输和存储的信号形式的设备。按照工作原理编码器可分为绝对式和增量式两类。 绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的 起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。增量式编码器是将位移转换 成周期性的电信号，再将电信号转为计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。 增量型编码器通常有三路信号输出：a ，b 和z ，一般采用t t l 电平，a 脉冲在 前，b 脉冲在后，a ，b 脉冲相差9 0 度，每圈发出一个z 脉冲，可作为参考机械 零位。并利用a 超前b 或b 超前a 进行方向判断。通过对编码器信号的采集 处理，可以得到电机的实时转速。 本次研究采用0 1 i l r o ne 6 h c w z 6 c 增量型编码器。工作电压d c5t o2 4 v ； 工作消耗电流7 0i n a m a x ；工作频率1 0 0 k h z ；输出电压3 5v d c m a x ；输出电 流3 5i i am a x ；a ，b 输出信号差9 0 0 “5 0 ( 1 4 t 士1 8 t ) ；分辨率为3 6 0 0 p 瓜【1 9 】。 输出电路如图2 6 所示： 5 如2 4 v d c 饼锄g e 0 u l p u f s 劬a f a ，w i i t ep i 瑚8 饼韵口e ：p l a 5 ez 图2 - 6e 6 h c w z 6 c 输出电路 输出信号时序如图2 7 所示： m 太 i 学论z 赫= 洗机驱动系拉轼礁件构成 一1 3 e 0 i j 一 m 一： 1 j 1 m 一：之黑赢己磊 0 nr l - - _ 。n a s e z j l 一0 0 f 图2 7e 6 i 伽6 c 输出信号时序 2 2 3p e - i n v e r t e r 逆变器单元 该实验所用逆变器p e i n v e n e r 逆变单元如图2 8 所示 圉2 8p e i n v e r t e r 外形图 p e 一1 n v e n e r 逆变单元把逆变器重要功能( 包括传感器，保护电路等) 集成 化，具有小型、轻量、功能齐全的特点。根据用户的需要，可以从3 个种类的 单元中( 装置的容量，a d 巾c 整流单元的输入电压，控制电路电压等) 选择最 适合的类型。其主要特征为； 搭载p m 模块、二极管整流模块 主电路电源由a c 仍c 整流模块或者d c 电源构成 控制电路电源和主电路电源独立 可以连接放电电阻 配有主电路输入输出电压传感器，主电路电流传感器 内置过电压过电流保护电路 - 可与p e p r o 系列控制器直接连接，实现各种功能 使用m y - w a y 公司u f 电路板，可以与p e e x p e n 系列控制器产品接续 新太顶学位论女 第- 章洗衣帆动系统轼耻件构a 本实验采用的是m w r n 、l 4 r 2 2 2 型号的产品，图2 9 为m w i n v 4 r 2 2 2 逆 变器单元的原理图： 42 k v a 91 k v a l k & 哪晡i 曲 w 月c 一一 枷 _ & 目自t *1 刚- 1 w l 圈2 9m w i n v 4 砒2 2 逆变嚣单元原理国 p e - e x 口e n 逆变单元几种主要规格如图2 一1 0 所示 颊自嚣 型 敝g i 2 啦 觳自1 2 0 蒴定电流 2 0 巍电沆的1 5 口 变蠹鞲 过负载客量 每* 钟每# 钟每舟针 自跪目m sm “蒙髫、 直潦辕 最t e 臣压4 d w4 0 0 v 变营 最大电压c v m n o v _ s ，船尺寸1 8 0 t 1 6 * 1 2 6 m m2 2 女：3 0 x 1 m ” 重重 “20 蛔纯47 主瞰 革元 p s 2 1 1 s 7 = 菱 p s 2 1 t 6 7 1 蒉。w 5 黜0 6 0 ! 麦 停止 接钮有 保护蟠直赢过电瀛t：电压、譬过电e 过电流、直流停止电压 控黾躇 直漳电压jc h直流目氟k h 、变潭电压2 c hz 滴电压2 ch a 械 萄m 肺 i 自麻筝备一 开关孵一2 0 k h