中小企业创新基金轴直驱永磁同步电机变频洗衣机控制器项目可研报告

1、轴直驱永磁同步电机变频洗衣机控制器技术创新基金项目可行性研究报告 ghlj电子技术有限公司二00三年九月目 录一、 总论4（一）项目概述（二）申报创新基金的必要性（三）项目实施的优势和风险（四）项目计划目标（五）主要技术经济指标对比二、 申报企业概况 10（一）申报企业的基本概况（二）企业人员及开发能力（三）企业财务经济状况（四）企业管理情况（五）企业发展思路三、 项目技术可行性和可靠性分析 16（一）项目的技术创新性论述（二）项目技术成熟性和产品可靠性论述四、 项目产品市场调查与竞争能力预测.36（一）产品主要用途和市场需求量及未来市场预测（二）产品国内主要研制单位及主要生产厂家研发情况（三

2、）国内外市场竞争能力预测五、 项目实施方案. 38（一）项目实施计划（二）技术方案（三）生产方案（四）营销方案（五）节能环保与安全生产六、 投资预算及资金筹措44（一）投资预算（二）资金筹措（三）资金使用计划七、 经济、社会效益分析.46（一）产品成本分析（二）销售收入和销售税金估算（三）经济效益分析（四）项目投资评价（五）社会效益分析八、 项目可行性研究报告编制说明 50（一）可行性研究报告编制单位（二）可行性研究报告编制人员九、 项目可行性研究报告的专家论证意见.51（一）专家论证意见（二）专家论证组名单附表：表1 新增固定资产投资估算表表2 流动资金估算表表3 投资计划及资金筹措表表4

3、固定资产折旧费估算表表5 人力成本预算表表6 总成本费用估算表表7 产品销售收入和销售税金及附加估算表表8 财务现金流量预测表表9 资金来源与运用表 表10 损益表表11 资产负债表表12 主要经济指标表 表13 敏感性分析表附件：详见申请书附件附图： 永磁同步电机变频控制器中试线工艺平面图一、总论（一）项目概述轴直驱永磁同步电机变频洗衣机控制器是属于光机电一体化领域电力电子设备中的智能控制模块。该控制技术是集自动控制理论、电力电子技术、电机技术、数字/模拟信号分析应用技术为一体的高技术集合体。控制系统采用矢量控制模型和永磁同步电动机的弱磁控制算法，解决了控制精度和稳定性的矛盾，使本系统在有高

4、的动态响应的同时又具有高的稳定性。基于超前角控制的永磁同步电动机弱磁增速的方法，极大拓宽了永磁电机的调速范围。这些为整机的高可靠性奠定了基础，同时也是本系统的控制核心和技术创新点。该控制器技术及主要性能指标属于国内领先，国际同期同类产品先进水平。永磁同步电机变频控制器应用领域广，市场前景好。本项目拟投资1400万元，建成我国先进的永磁同步电机变频控制器中试线，为产业化打下良好的基础。（二）申报创新基金的必要性1项目发展的需要该项目二00一年立项开始研制，已投入研制经费800万元。在研制过程中，根据用户山东小鸭电器股份有限公司的需要，研制出性能指标都满足用户的要求，提供用户试用，用户使用满意。项

5、目经过技术攻关和技术创新，已于2003年9月21日由北京市科委奖励办主持召开鉴定会，专家一致通过该项目科技成果技术鉴定。与会专家和领导希望尽快进行小批量试制。所以根据项目发展的需要，根据市场的需求，申请创新基金得到国家的扶持，建一条中试线，项目从研制阶段进入中试小批量生产阶段。2产品市场前景好我国家电的变频化进程刚刚开始，变频技术正逐步进入家电领域。根据forward concepts的统计及预测，dsp的市场每年以30%的增长率不断扩充，增长的速度甚至比整个半导体工业快5%，预计到2007年整个dsp的市场产值将达到500亿美元，掀起以dsp发展为基础的新浪潮，所以新型dsp运动控制技术应用

6、产品市场前景很好。使用永磁同步电动机采用轴直连方式驱动的变频洗衣机，取消了复杂的行星离合减速器和三角皮带等易损件，比普通洗衣机具有整机重量轻、耗电量小、噪音低、节水、洗净率高、智能化、寿命长、免维护等特点，已经成为目前洗衣机发展的趋势。目前永磁同步电机在我国开始广泛应用，如在音响设备、计算机设备、仪器仪表、工业机器人、家用电器、微型汽车、电动自行车、数控机床等方面都已获得应用。采用永磁同步电动机，可以实现高可靠性、长寿命和无须维护。所以控制器的开发和其控制方法的研究无疑有着十分广阔的发展前景。申请创新基金希望得到国家支持，以满足市场的需求。3经济社会效益好本产品不仅有较好的经济效益，而且有较好

7、的社会效益，当前，我国市场出现的变频洗衣机使用的变频控制器都是进口件，山东小鸭电器集团公司2001年采用日本东芝公司的变频控制器，经使用我公司试制该产品后，决定不使用日本产品，迫切需要国产的dsp变频洗衣机控制器。所以本产品推向市场可取代从国外进口，可为国家节约创汇。本产品采用的变频技术与定频技术相比，节能效果显著。变频洗衣机耗电省、噪声低、控制精度高，并采用模拟控制原理实现系统的最佳运行。本产品具有明显的经济效益和社会效益。4符合国家产业政策进入九十年代以来，随着mcu（微控制器单元）、dsp（数字信号处理器）和功率电子器件的飞速发展，目前mcu、dsp运动控制技术已成为许多新兴科技发展的主

8、要动力。特点是带有运动控制功能的mcu、dsp电机控制专用器件和集成度很高的智能功率模块（ipm）引入家电器具之后，使家电产品电子化的水平得到空前提高。轴直驱永磁同步电机变频洗衣机控制器技术是属于光机电一体化技术。它改变了传统行业的生产工艺，可产生出功能更强、性能更好的的新一代高新技术产品，可使产品的功能提高、适应领域扩展、体积减小、重量减轻、适应性加强、可靠性提高，使产品具备更加良好的性能价格比。该控制器是属于科技部2003年度科技型中小企业技术创新基金若干重点项目指南中第58页电力电子设备中本年度重点支持的第5“智能控制模块的开发”。国家支持发展这一技术的目的在于：“提高和改变传统机电产品

9、的性能、质量、品种结构和配套现状，开发新一代具有国际竞争能力的智能型产品，促进传统机电产品的升级换代。”ghjl公司的智能模块控制器研制成功，能提高和改变传统洗衣机控制器的性能、质量，是属于我国开发新一代具有国际竞争能力的智能型产品，是传统洗衣机控制器升级换代产品，是符合国家产业政策的。5带动推动相关产业的发展轴直驱永磁同步电机变频用智能控制模块可以推动传统洗衣机的升级换代，推动洗衣机产业的发展；该智能控制模块需要微处理器mcu、dsp芯片，从而可带动相关集成电路芯片的发展；另外，变频洗衣机功率转换部分应用于igbt、mosfet等电力电子器件，还需要大量线路板，电子元器件。这些给我国微电子行

10、业的发展提供了广阔市场，从而促进带动我国电子行业的发展。综上所述，申请创新基金是非常必要的。（三）项目实施的优势和风险1、优势（1）人才优势ghjl公司主要技术人才是由汇能公司的一个事业部运动控制事业部的全体研发人员组成的。汇能公司是中国节能投资公司和中国电子信息产业集团第十三所共同组建的有限责任制公司。十三所是技术入股和人才入股。企业领导和主要经营管理者及技术开发人员绝大部分是十三所的科技人才。几年来为ghjl公司培养了一批懂技术、创新能力强的高科技人才，所以具有人才优势。（2）技术优势聂荣琪是十三所从事电力电子技术领域的最元老的专家，98年他带领一批技术人员从事开发工作，学习国外最先进的d

11、sp技术，在国内率先将dsp变频技术应用于洗衣机、冰箱等产品中，2003年9月dsp变频洗衣机控制器在国内率先通过专家鉴定，产品技术先进成熟，技术水平为国内领先水平，达到国外同期同类产品先进水平。所以具有技术优势。（3）条件优势北京ghjl公司地处顺义林河工业开发区，是汇能公司和ghjl公司的生产基地，有先进的研发实验室，在宽敞的厂房，不必新建厂房。可以很快建成我国先进的电机变频控制生产线，水电气等外部条件均有保障。为新产品产业化创造了良好的条件。2、风险本产品是高新技术产品，用于家电洗衣机中做变频控制，产品使用需要用户的认可过程，也需要消费者认可。高新技术产品用于变频洗衣机中，价格比一般的洗

12、衣机要贵些，需要消费者认可。需要降低成本，提高产品可靠性和性价比，大批量生产才能取得更好的经济效益。（四）项目计划目标1、总体目标本项目执行期计划新增投资1400万元。其中新增固定资产投资600万元，流动资金投资800万元。项目完成后达到中试生产阶段，实现年产4万套变频洗衣机控制器生产能力，因项目实施新增加就业人员30人，企业职工人数达到108人，企业资产规模达到1669万元。2、经济目标在执行期两年内累计产量达6万套变频洗衣机控制器。累计 销售收入2880万元累计 税金总额 164万元累计 净利润 308万元 工业增加值 762 万元3、阶段目标2003.10-2004.4 厂房改造、订购设

13、备仪器、市场开拓，落实银行贷款500万元。试生产0.6套变频洗衣机控制器；2004.5-2004.10 可靠性技术研究、人员培训、安装调试设备、落实资金480万元，其中自筹资金100万元，创新基金80万元，银行贷款300万元。试生产1.4万套变频洗衣机控制器；2004.11-2005.4 中试生产1.5万套变频洗衣机控制器。落实资金600万元，其中自筹资金200万元，银行贷款400万元。 2005.5-2005.10 落实资金620万元，其中自筹资金200万元，银行贷款400万元，拨款20万元。中试生产2.5万套变频洗衣机控制器,达到验收。4、技术、质量指标（1）主要技术指标输入电压： 180

14、-250v 高速范围：20-1000rpm输入电流： 5a 控制方式：spwm波载波频率： 16khz 额定功率：200w输出功率： 700w保护功能：过、欠压保护，过流保护，启动保护，过热保护转向、转速选择功能（2）质量指标 通过is09001质量体系认证5、资金投入及使用计划 单位：万元时时间资金来源2004年2005年合计上半年下半年上半年下半年企业自筹100200200500财政拨款8020100银行贷款5003004004001600合 计5004806006202200（五）主要经济技术指标对比1主要技术指标对比2003年主要技术指标2005年主要技术指标额定输出功率200w额定输

15、出功率240w调速范围201000rpm调速范围201200rpm刹车性能20秒刹车性能3秒2、主要经济指标对比单位：万元、万套经济指标名称项目实施前2003年项目实施中2004年项目实施中2005年项目实施后2006年年产量052.3344.5年销售收入2591085.34179491923缴税总额04459.85103.81112.6年净利润-31145.4326232288.2二、申报企业概况（一）申报企业情况1、企业名称： ghjl电子技术有限公司2、通讯地址：3、注册地址：4、注册时间：2001年10月22日5、注册资金：1200万元6、主管单位名称：（二）企业人员及开发能力1、企业

16、法定代表人：韩直韩*，男，1946年8月生。1968年毕业于北京理工大学，70年分配在电子工业部十三所从事科研工作，多年来，从事高频可控硅研究，静电感应晶体管研制及其应用研究，荣获9项省部级科技进步奖和国家级科技进步奖，发表50余篇论文，95年由电子部评为研究员级高工，担任国家科委、国家经贸委和河北省政府等科研机构专家。1993年底，他亲自带领十三所一批高科技人才，从事电力电子、光电子和通讯领域的技术研究和产业化事业，做为公司的主要决策人在公司成立初期选准了第一个投放市场的产品通讯电源和市场的切入点，使得公司迅速发展壮大起来，销售额以每年50%的速度递增，十年来已经注册5个子公司，年产值达2亿

17、元，产品遍及全国和世界某些国家，公司成为中国各行业上规模综合效益前200位企业，韩直总经理被评为中国节能投资公司的优秀经理，河北省改革功臣。现任中国节能投资公司常务副总经理兼任ghjl公司董事长、法定代表人,由于工作太忙,经董事会讨论通过ghjl公司董事长更换张秦生(现任汇能公司总经理)，变更手续正在办理中。2、项目负责人：王*王* 男 1957年9月生 1982年毕业中央电大电子专业，工程师。现任ghjl公司副总经理，国家注册审核员。96年前，任录音机厂研究所电气研究室主任，总工办主任。先后从事工艺技术研究，检验标准制定，新品项目开发及技术管理工作。承担研制ly637型广播专业磁带录音机被河

18、北省人民政府评为“河北省优秀新产品二等奖”，并颁发荣誉证书；作为主要开发人的lya807=gl2型甲级广播专业录音机被国家科委列为国家级重点新产品。（编号：130091382014）。同年列入国家星火计划。通过省部级专家鉴定，填补了国家甲级录音机的空白。被广播电视部指定为同类进口产品的替代产品。王*同志曾担任中国录音师协会音频电路及录音技术主讲教师，在中央人民广播电台、国际台及海峡之声及全国省级电台专业录音技术培训班上授课，反映良好。96年进入汇能公司工作，并在北京生产基地：北京汇能亚澳通讯设备厂任副厂长，主抓产品技术状态控制及质量体系受控工作。组织完成了iso9001：2000国际标准化质量

19、体系认证工作。使公司质量管理体系与国际接轨。他组织编写了“质量体系程序文件和质量手册”，97年17种产品通过邮电网认证，并取得广电网和国际通讯网入网证书。在企业积极推进企标，建立备案，新品生产组织性能验证工作。加快技术进步提高品质质量，2002年被石家庄市人民政府授予“科学技术进步组织奖”证书。3、项目技术负责人：许*许* 男、1967年10月生。现任公司副总工程师。1989年毕业于西安交通大学电子工程系半导体物理与器件专业，获学士学位。长期从事电力电子领域的科研及新产品开发工作，主要研究方向为电机变频控制器及开关电源。作为hrm1s30型通信用高频开关电源整流器及hrm48-300型一体化通

20、信用开关电源第一完成人，获1999年度河北省电子行业科技进步一等奖；作为第二完成人，参与研制的hrm1s50 48v/50a型通信用高频开关整流器，获得了2002年度河北省科技进步二等奖；完成了国家经贸委下达的hr3s100 48v/100a通讯用太阳能电源行业国家标准；2001年作为项目负责人参与研制了国家经贸委节能环保基金重点新项目hdkb系列冷冻冷藏箱直流无刷压缩机变频控制器。在2001年中国家用技术大会上发表了论文一种基于dsp的无传感器直流无刷压缩机控制器在变频冰箱中的应用；在家用电器科技2000年第九期发表直流无刷电机dsp控制器的开发及其在变频电冰箱中的应用论文；在家用电器科技2

21、003年第3期发表表贴式全自动滚筒洗衣机电脑板的设计开发（已录用）。在本项目中具体负责永磁同步电机控制器的系统匹配、结构设计及实验研究工作。4、企业人员基本情况ghjl公司现有职工人数为78人，其中大专以上人员数为36人，占总人数的46.15%；2002年7月31日由北京市科学技术委员会认定为高新技术企业，编号为0211005a0287。（见附件）企业主要管理干部10人，其中大专以上人数9人，平均年龄为40.8岁，是一支比较年青而富有实践经验的能干的领导集体。技术研制人员：28人 占总人数的35.9%生产人员： 30人 占总人数的38.5%营销人员： 6人 占总人数的7.6%管理人员： 14人

22、 占总人数的18%6、新产品开发能力（1）研发组织领导ghjl公司领导非常重视企业技术创新工作和新产品研制工作，总经理亲自抓企业的研发方向。在总经理领导下由总工程师和副总工程师制定研发计划，确定研制项目。总工程师和副总工程师亲自参与研发工作，而且组织协调研发工作。每年投入大量资金用于新产品开发，现已投入研究开发经费800万元，取得了一些研发成果。（2）研发机构ghjl公司有五个新产品开发部：1、 混合励磁电机控制器开发部2、 低压永磁同步电机控制器开发部3、 伺服永磁同步电机控制器开发部4、 通用交流感应电机控制器开发部5、 直流无刷电机控制器开发部（3）研发队伍：本企业在总工程师的具体组织下

23、建立了一批精明能干的研发队伍。有十三所老专家和青年研发骨干为核心，在社会招聘富有经验的研发人员；为了培养年青的研发人员，近年来在大学招收有能力的大学生参加研发队伍，为本项目及其它相关项目技术开发储备力量。（4）研发成果及技术水平 企业2001年10月份注册，2002年至今企业从事电机变频控制器研制开发工作，2003年9月鉴定xqg50-8510f22轴直驱永磁同步电机变频洗衣机控制器和mdu05y/36p1低压永磁同步电机控制器两项研发成果。成果技术水平为国内领先、国际同期同类产品先进水平。（三）企业财务经济状况企业2001年10月注册。从2002年财务审计报告中利润表中得知：2002年亏损5

24、03万元，主要原因是企业成立不久，增加部分固定资产、研发经费投入很大，新产品还没有投入市场，故造成暂时亏损。1、上年（2002年）企业经济指标企业总资产 1069万元 总 收 入 36万元总 负 债 372万元 固定资产总额 153万元产品销售收入 5万元 净 利 润 -503万元上缴税费 0万元 流 动 比 率 246%速动比率 114% 应收收款周转率 54%2、今后三年企业的财务预测 单位：万元经济指标2004年2005年2006年总收入180024002800产品销售收入180024002800净利润200300370上缴税金100130170（四）企业管理情况1、企业管理制度ghjl

25、公司按现代企业制度进行经营、独立核算、自负盈亏、法人治理。在人力资源、项目研发、薪酬体制、财务制度、业绩考核、生产管理、设备控制等方面均建有整套的管理制度，实施文件化、法治化管理，并建有公司章程。从各方面规范公司的经营行为。 2、质量保证体系ghjl公司实施iso9001：2000的国际标准质量体系管理，从顾客信息到项目研发、材料采购、供方评价、生产管理、产品交付、用户培训全过程，实施程序控制，有法可依，保证了产品质量，满足了顾客需求。市场不断扩大，质量体系运行可控有效。3、产权情况ghjl公司成立近两年来，自主研制开发多种项目。2003.9.21日由北京市科委主持鉴定两个项目，通过专家鉴定的

26、科技成果，是ghjl公司具有自主知识产权。4、企业信誉汇能公司属中国建行aaa级信用企业。ghjl公司原汇能公司运动控制事业部，发展后独立注册经营。2003年贷款500万元，按季足额付息，企业信誉较高。5、企业商誉在与小鸭电脑板供货中，双方诚信友好，从开始的单一品种试用到一年后，多品种电脑板控制器的独家供应，其诚信、技术、商誉是起决定因素的。（五）企业发展思路ghjl公司的优势在于拥有一支强大的开发队伍和一支团结的领导集体。通过近年来的努力，在电机控制领域和变频家电领域，已经在国内外享有一定的知名度。今后的发展思路是：以技术求发展、以产品求效益、以效益开发新产品、以新产品扩大市场、立足国内、面

27、向世界。充分发挥优势，在永磁同步电机和直流无刷电机控制领域始终保持国内领先和国际先进水平。三、 项目的技术可行性和成熟性分析（一）项目的技术创新性论述 1、基本原理及关键技术使用永磁同步电动机采用轴直连方式驱动的变频洗衣机，取消了复杂的行星离合减速器和三角皮带等易损件，比普通洗衣机具有整机重量轻、耗电量小，噪音低等特点，已经成为目前洗衣机发展的趋势。洗衣机是一个典型的低速要求大转矩而高速要求小转矩的系统，而且由于电动机采用轴直连方式驱动，要求电动机需要有很宽的调速范围。选用正弦波的永磁同步电动机可以减小洗衣机启动时低速下的转距脉动，同时在高速时可以采用弱磁增速的方法来拓宽调速范围。永磁同步电机

28、（pmsm）因具有显著的节能、低噪声等优点，特别适用于家用电器。开发和生产可用于该种洗衣机的小型盘式永磁同步电机，对于现代电机设计与制造技术来说，已不是一件很困难的事。但在数字信号处理（dsp）芯片出现之前,高性能的电机变频器的设计和实现,几乎是不可能的事。现在国外一些公司相继推出了用于电机调速的专用dsp芯片，在洗衣机等家用电器及工业变频控制中，以其结构紧凑，使用便捷，可靠性高，功能强和成本低等优势而被人们所采用。我们注意到该技术的应用前景，在陆续进行了一些探索和开发的基础上，对带位置传感器的pmsm变频控制系统进行了深入研究，开发成功轴直连方式永磁同步电机驱动的变频洗衣机控制器，取得了十分

29、满意的使用效果。这样就解决了永磁同步电机在洗衣机中应用的主要技术难题,为轴直连方式变频洗衣机的商业化生产铺平了道路.虽然有了dsp及功率开关模块（ipm）等硬件基础,但如果没有能够应用于具体硬件结构上的电机控制算法及控制程序,仍然无法使电机运转.因此,该项目的关键技术,乃是一种整体的系统解决方案.具体到产品上,即本公司开发的轴直连方式永磁同步电机驱动的变频洗衣机控制器。一般地，永磁同步电机变频控制器硬件部分可由图1所示的电路组成:图1 pmsm控制器电路框图主电路采用交直交这种标准的单相输入、三相输出电压型pwm变频器。网侧用二极管实现不可控整流，根据输出功率和控制要求，逆变器可选用单管mos

30、fet、igbt或ipm模块等功率器件，根据主电路器件配置相应的驱动及保护电路，综合考虑噪音、控制性能及功率器件的开关损耗等因素，逆变器的pwm开关频率可设定在3khz-20khz范围内。利用该控制器，可以方便地构成pmsm的闭环调节控制系统，可以增加上位机控制电路，增加vfd显示电路。由按键设置控制功能或参数，上位机根据设定工况和参数及检测到的各种参数，控制变频器的工作频率，使pmsm的转速得到实时调节，进而使整个系统工作在最佳状态。系统预留了与外部计算机的通信接口，必要时可与家用计算机或通讯设备连接而实现自动化控制。在本系统中，选用了adi公司的admcf3xx单片dsp电机控制芯片。该芯

31、片可使电机控制器有价格低，体积小，结构紧凑，使用便捷，可靠性高的特点。智能功率模块是变频器的另一核心器件。由于开关频率的不断提高，致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重，对器件造成的过电压、过电流毛刺也更大。为提高变频系统的可靠性，三菱电机推出了一种高性能、多功能和高可靠性的新型集成化智能功率开关模块ps21353，采用该模块大大提高了可靠性和操作性能。在完成前面所述硬件电路的基础上，变频器控制程序的软件结构如下。图2 传感器信号和电压波形相位时序图此控制软件中最大特点就是利用a、b相位置传感器检测永磁同步电机的大概位置，a、b相传感器和三相相电压的波形如图2所示（注：本文中的所有相位角度均

32、以本图为标准相位作为参考）。把检测到的位置进行相应的处理，并用处理的结果估计出永磁同步电机转子位置，这样的方法就省去了复杂的机械上的转子位置检测，但在控制方案中，转子位置的估计仍是必不可少的关键环节。因为从上图中可以看出，通过位置传感器只能检测到4个电机转子位置，其他的位置仍然需要进行位置估计。 本系统的调节器原理，我们省去了电流调节环节，外环调节器是一个转速的pi调节器（其中包括电压调节器和弱磁调节器等两个调节器），由一个调节器的选择开关控制启动哪个调节器。电机启动后，选择电压调节器工作，电机开始升速，当占空比接近满占空比时，启动弱磁控制器，同时关闭电压调节器，对超前角进行调节，弱磁增速；减

33、速时，当调节为0时，即，此时关闭弱磁调节器，启动电压调节器，使电机继续减速。电压和弱磁调节器的输出为三相正弦相电压的最大值u（u）和超前角，其中为当前母线电压值。电机内环调节为一个快速的相位跟随调节器。电机的位置传感器返回互差90度，频率等于电机当前频率的方波，通过转子相位估计调节器，可以获得当前转子的精确相位角，、u和三个值经过逆变器计算可以得到输出给电机的相应占空比的三相spwm波。软件部分的总体框图如图3所示。图3 软件结构框图 2、创新点-永磁同步电机的弱磁控制解决方案 （1）电机启动技术由于本系统的永磁同步电动机选择了a-b相位置传感器，当电机还处于静止状态时，只能检测到转子的四个位

34、置，如图4中1、2、3和4四个大致的位置。图4 a-b相位传感器波形而在位置1中的c和d点两个位置就无法检测分辨出来。所以对于电机启动时需要对电机做一次初使定位，保证电机启动时的初使相位和调节器输出的三相相电压的相位一致。（2）调节器选择开关技术调节器开关是一个二选一的开关选择程序，它的主要功能是决定使用电压调节器还是使用弱磁调节器。在电机刚启动时，采用非弱磁的控制即的调节方法，此时选择电压调节器，随着转速的上升，电压调节器接近临界点，即电压调节器的输出u小于且接近时，spwm输出的占空比接近满占空比。这时就必须开启弱磁调节器，关断电压调节器。否则达到满占空比后，ipm长时间工作在满占空比的情

35、况下容易导致下桥臂击穿。同样，对于弱磁增速后需要减速时，如果超前角调节已经到0度时，即时，就需要关断弱磁调节器而开通电压调节器，通过调节输出电压使电机减速，否则超前角可能出现负值，分量将会反向，和的方向一致，从而加强气隙磁通，电机处于“强磁”的状态，这虽然也可以使电机减速，但是这将以增加电机的功率为代价。 (3)电压调节器技术 永磁同步电动机用途不同、电动机矢量的控制方法也各不相同。可采用的控制方法主要有：控制、恒磁链控制、最大转矩/电流控制、最大输出功率控制等。不同的电流控制方法具有不同的优缺点，其中最为简单，恒磁链控制可增大电动机的最大输出转矩等。在本系统中，由于对永磁同步电机控制时采用的

36、数学模型为电压模型，所以电压调节器可以采用控制，调节器可采用pi调节的简单控制。时，从电动机端口看，相当于一台他励直流电动机，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。电动机转矩中只有永磁转矩分量，其值为图5 控制时的时间相量图控制时的时间相量图如图5所示。从图中可以看出，反电动势相量与定子电流相量同相。对表面凸出式转子磁路结构的永磁同步电动机来说，此时单位定子电流可获得最大的转矩。或者说，在产生所要求转矩的情况下，只需最小的定子电流，从而使铜耗下降，效率有所提高。这也是表面凸出式转子磁路结构的永磁同步电动机通常采用控制的原因。采用控制时，电动机的最高转速，即电机的

37、转速既取决于逆变器可提供的最高电压，也决定于电动机的输出转矩。电动机可达到的最高电压越大，输出转矩越小，则最高转速越高。通过上面的分析，可知电机转速调节的根本就是调节输出给电机的电压。可以采用一个简单的pi调节器来控制电压的变化以达到控制电机的转速，响应速度快且调节精度高。电压调节的思想基本就是当电机需要升速时，就把输出电压加大；反之就减小输出电压。电压调节器的输出为电机三相相电压的最大值u（其中u），为直流母线电压。 （4）转子相位估计永磁同步电动机实际上就是一个交流同步电动机，要想实现在负载变化的情况下稳定和可靠地运行，必须根据瞬时的转子位置对电机的定子电流进行控制。因此pmsm的控制必须

38、是在已知电机转子瞬时位置的前提下完成的，由于气隙磁场的波形是正弦波，所以在电机的三相中依次通入正弦波电流，就可以使电机转子受到一个恒定大小和转向的转矩，使转子旋转起来。从前面的图3可以看出，通过位置传感器只能检测到4个电机转子位置，其他的位置仍然需要进行位置估计。如果对于转子的相位计算不准，则会使整个系统根本无法稳定而可靠的工作。因为各相相位的控制逻辑象一条“锁链”。一个环节的控制因扰动而出现偏差，则会直接影响下一个环节。一旦转子位置的估算出现较大的偏差，则控制系统自动消除偏差的能力较弱，如果较大的转子位置估算偏差不能及时消除而形成积累，会导致整个换相控制逻辑的错乱，而使电机无法工作。 （5）

39、转子相位估计算法为了使转子位置估算出现的偏差能够及时的自动消除，在相位估计的算法中我们引入了电机的实际相角（），电机的驱动相角（）和相角增量的概念。调节器对相位调整发生在a-b传感器的每一次电平变化时，即如图5.1中所示的a、b、c、d四个位置。在这四个位置上，电机的实际相角（）分别为0度，90度，180度，270度。而电机的驱动相角则是通过如下式计算的。（i）（i-1）+ 由于在频率为的正弦波的一个周期中要进行次相位计算，所以每次相角的增量其中为当前电机的频率，为pwm的开关频率。由于电机的实际相角（）和电机的驱动相角（）的引入，转子位置的估算变成了对这个变量的控制，每个周期中进行四次调节，

40、使其跟随。因此电机运行各点变成了一个相关的整体。一次转子位置的估算出现较大的偏差会对造成影响，但是接下来的转子位置估算会很快发现并消除偏差对造成的影响。故会使电机的稳定运行不会因为运行过程中的扰动而破坏，从而极大的增加了电机运行过程中的稳定性和可靠性，这样就解决了永磁同步电动机的转子相位估算。由上面的分析可以看出该算法的核心流程：首先，计算从a-b传感器获得当前电机的频率。由计算，然后再计算出当前的电机驱动相位角（i）（i-1）+ 。 其次，构造由到的调节器。从控制原理上讲，这一过程是最重要的环节，需要用一个快速的pi跟随调节器来完成。最后输出经过估算和调节后的转子相位。 （6）逆变控制器技术

41、该部分利用检测到的母线电压值把输入的电机电压值转换为相应的pwm波占空比，并在保证死区时间的前提下，按照相应的相序送入功率器件的触发端子上。此部分的程序一定要保证准确性及可靠性，否则就会造成主电路上下桥臂直通的短路事故。通过前面几个调节器的工作（包括第六章讲的弱磁调节器），逆变控制器获得了三相正弦相电压的最大值u，转子的相位和弱磁超前角a，则可以通过下式计算三相正弦相电压。所以此时三相spwm波的占空比分别为：，。把三相占空比再转换为相应寄存器的值，同时进行死区时间限制和满占空比限制，然后更新输出的spwm波，触发ipm模块驱动电机。 （7）故障处理程序在电机运行过程中，如果出现故障，就需要立

42、刻处理故障，并使电机停下来，否则可能毁坏控制电路甚至电机。故障处理程序对检测的母线电压进行监视。当直流母线电压高于360伏或低于220伏，即交流市电高于260伏或低于160伏时。dsp记录电压故障，并作故障处理。定子电流可以通过dsp的isense端读入。当定子电流超过保护设定值，dsp记录电流故障，同时做故障处理。当电机受外力卡死或导致失步，或是a-b传感器断线时，a-b传感器输出波形的周期会发生突变，dsp记录电机故障，并做故障处理。故障处理的主要工作就是保护功率模块和电机，所以应该立刻关断ipm使电机停下，然后把上述的故障记录写入外接的e2prom中，然后使dsp进入保护状态，即禁止所有

43、的中断和输入输出。延时3分钟后重新复位启动dsp。 （8）创新的基于超前角控制的弱磁控制算法 a、弱磁控制的基本原理永磁同步电动机弱磁控制的思想来自他励直流电动机的调磁控制。当他励直流电动机电枢端电压达到最高电压时，为使电动机能恒功率运行于更高的转速，应降低电动机的励磁电流，以保证电压的平衡。换句话说，他励直流电动机可通过降低励磁电流而弱磁增速。永磁同步电动机的励磁磁动势因由永磁体产生而无法调节，只有通过调节定子电流，即增加定子直轴去磁电流分量来达到弱磁增速的目的。永磁同步电动机的电压方程式在dq两相旋转坐标系下有如下的表示方法：式中和分别为d轴和q轴的电枢电压分量；和分别为d轴和q轴的电枢电

44、流分量；为电枢电阻，、为电枢电感；为每对永磁磁铁的电枢磁链；为电动机转子角速度。对永磁式同步电动机系统，通常可令d轴的电枢电流为零。稳态时，永磁式同步电动机的线电压为永磁式同步电动机的电枢电流由电压型变频器控制，其线电压和电流最大值必须小于逆变器直流环节的电压和电流最大值（和），否则电枢电流难以控制。所以有一个电流极限圆和一个电压极限圆：即 随着电机转速的增大，减小，又因为为常数，所以，将随的增大而减小。由上式可以发现，当电动机电压达到逆变器所能输出的最高电压时。要想继续升高转速只有靠调节和来实现。增加电动机直轴去磁电流分量和减小交轴电流分量，以维持电压平衡关系，都可得到“弱磁”效果，前者“弱

45、磁”能力与电动机直轴电感直接相关，后者与交轴电感相关。由于电动机相电流也有一定极限，增加直轴去磁电流分量而同时保证电枢电流不超过电流极限值，交轴电流分量就相应减小。因此，一般是通过增加直轴去磁电流来实现弱磁增速的。如图6所示表现出了不同值的电压椭圆轨迹，处于椭圆内的，值可以满足相应的值。永磁同步电动机的运行范围是受以满足电流极限椭圆和电压极限椭圆为条件限制的，即电机的电流矢量（其分量为，）应处于两曲线共同包围的面积内。由图中可以看出，电机转速（）升高，分量绝对值趋于增大，相应的分量必须减小，因此，电机的电磁转矩也随转速升高而下降，显示出恒功率的特性。由上述分析可知，弱磁升速的过程实际上是一个保

46、持线电压不变的情况下，减低输出转矩的过程。也就是调整交轴和直轴的电流分量在受限范围内的分配关系。图6 电流和电压矢量的限制给永磁同步电动机三相对称的定子绕组通入三相对称电流会在气隙内产生一个旋转磁场，旋转磁场的同步转速为，式中f为转子电源频率；为电动机极对数。永磁同步电动机转子由永磁材料构成，在转子内产生一个恒定磁场，此时，转子可以看成一块磁铁。由电机统一理论知道，两磁场在电机稳态运行时，必须保持相对静止，才能产生稳定的电磁转矩，驱动电动机以同步转速旋转。由转速的表达式可知，改变同步电动机转速的主要方法是改变供电电源的频率，即变频调速。 b、弱磁控制的实现通过以上分析，本文提出了一种基于超前角

47、（angle advance）控制的弱磁控制算法，可以如下实现：通过电机的位置传感器获得电机的当前电角度，通过前面所介绍的相位校正的方法进行相位的估计和校准。令，。如图7所示。在正常工作状态下，一般有0。在弱磁时，适当增大的值，可以增加分量，减弱气隙磁通，达到弱磁升速的目的。其中角我们称为超前角（angle advance）。在计算中还要保证满足电流极限圆：，和电压极限圆：的限制。不能使电压和电流的最大值超过极限值。保证ipm模块的安全工作。图7 电流矢量图将和进行dq逆变换，变换为三相电流信号。如下式：在做电压控制中，可以把上式换算为三相电压信号，如下式所示：其中u为相电压的最大值，u。通过

48、如上分析可以发现，其实对于程序中弱磁控制的根本就是对超前角a的控制，增大超前角，可以增加转速；减小超前角则降低转速。对于超前角的控制，可以采用pi调节器，基本能保证响应速度快调节精度高。 （9）产品技术性能在系统调试过程中，我们选择了一台进口永磁同步电动机作为控制对象，电机的参数如表7.1所示。通过上述控制系统对该电机进行控制实验，我们取得了很好的控制效果。实现电机稳定启动，低速大转矩和高速小转矩电机调速。采用非弱磁控制时，可以在0300r/min实现调速；采用弱磁控制后可以达到01200r/min实现平稳调速。图8.1至图8.4给出了不同运行状态下的电机实测波形, 在图8.2至图8.4中（a

49、）图和（b）图均相位不相关。电机极对数外转子，12对极，星型接法电机额定功率400w电机转速300r/min/300vdc转矩16nm/125r/mina-b霍尔传感器exe/525反电动势正弦波电机线电阻13.8欧姆交轴电感136mh直轴电感145mh电流传感器hdc040g（10a/1v）电流传感器hdc040g（10a/1v）表7.1 电机参数图7.1pmsm系统的a-b传感器波形（a）电压波形 （b）电流波形图8.2pmsm系统的设定转速为50r/min时，电机相电压、电流波形（a）电压波形 （b）电流波形图8.3pmsm系统的设定转速为300r/min时，电机相电压、电流波形 （a）

50、电压波形 （b）电流波形图8.4pmsm系统的设定转速为1000r/min时，电机相电压、电流波形分析图8.2、图8.3和图8.4，特别是由电压电流波形的正弦性，可以看出该系统对电机转子位置的估算和调节是非常准确的，控制软件是可靠的。主要技术指标输入电压： 180 - 250 v输入电流： 5a载波频率：16khz输出功率： 700w保护功能：过压欠压保护、过流保护、启动保、过热保护转向、转速选择功能综上所述：轴直连式变频洗衣机控制器是集自动控制理论、电力电子技术、电机技术、数字/模拟信号分析应应用技术为一体的高技术集合体，其本身的研发就是一个系统工程，是各方面的专家技术人员通力协作的成果。控

51、制系统采用电压型的控制模型，转子位置估算方法和永磁同步电动机的弱磁控制算法，解决了控制精度和稳定性的矛盾，使本系统在有高的动态响应的同时又具有高的稳定性。基于超前角控制的永磁同步电动机弱磁增速的方法，极大拓宽了永磁电机的调速范围。这些都为整机的高可靠性奠定了基础，同时也是本系统的控制核心和创新点.经信息产业部电子科技情报研究所2003年8月25日完成的2003-071号科技查新报告表明：在本次检索到的国内外文献多为研究性质的，未发现国内有产品性能指标优于本课题的文献报道。本课题主要性能指标与国外同类先进产品的性能指标相当。 经中国电子科技集团公司第十三研究所试验中心2003年8月29日完成的w

52、2003-56号检验报告表明：依据委托要求及国标gb 14536.14-1998、企标q/cyghj106-2003所做的北京ghjl电子技术有限公司生产的直驱变频全自动洗衣机控制器委托鉴定检验，检验合格。另据山东小鸭电器股份有限公司出具的使用报告表明：北京ghjl电子技术有限公司生产的直驱变频全自动洗衣机控制器，经在我公司生产的变频洗衣机上使用，各项性能指标良好，能够满足我公司对变频全自动洗衣机控制器的要求，达到或高于国外同类产品的水平，能够替代进口控制器。这说明：该项目目前居于国内领先，国际同期先进水平。 3、本项目技术来源、知识产权归属情况 本项目是我公司在电力电子领域多年技术积累的基础

53、上，应山东小鸭电器股份有限公司要求，历经一年时间，独立设计开发的、具有完全自主知识产权的新产品。本产品已通过了2003年9月21日由北京市科委主持的科技成果技术鉴定。 4、本项目国内外发展现状、存在的主要问题及未来发展趋势 永磁同步电机（pmsm）因其整机重量轻、耗电量小，噪音低等特点，特别适用于家用洗衣机，早已引起国内外洗衣机行业的重视，但由于微处理器及商用功率器件的限制，直到上个世纪九十年代初才开始出现方波永磁无刷电机直驱式洗衣机。目前，变频直驱洗衣机已经成为洗衣机发展的一个重要趋势。1992年，新西兰f&p公司推出了一款命名为smart drive 的直驱式搅拌洗衣机，并在澳洲、美洲、欧

54、洲申请了许多专利。90年代初，日本三菱公司推出了8公斤直驱式洗衣机。近几年日本东芝、夏普、松下等公司都先后研制出类似的直驱式洗衣机面世。日本东芝公司此种新型洗衣机还在中国申请了许多专利。韩国的三星、lg电子公司也陆续推出了直驱式变频洗衣机。1998年，国内某洗衣机厂商也仿制f&p公司的产品推出了一款直驱搅拌式洗衣机。目前国内该领域的状况是：业界尚缺乏可达到商业应用层次的成套成熟技术，特别是在电机控制器领域。在电机控制器的技术稳定性、可靠性、抗干扰等方面存在问题，一些研究多停留在理论层次或实验室台面上；电机设计制造领域又面临着诸多国外专利技术的困扰。因此，如果不能够将新技术迅速转化成生产力，在洗衣机行业我国将被发达国家越拉越远。与国际先进水平相比，我公司开发的轴直连方式永磁同步电机驱动的变频洗衣机控制器在调速范围、输出功率、效率、噪声、动态相应等主要技术性能方面，均不低于国际同类产品水平。与国外早期方波永磁无刷电机