一种BLDC电机驱动的洗衣机控制器设计方案

　　引言

　　随着“节能减排”成了国家经济发展“十一五”规划纲要的指标，人们在绿色环保方面的意识也逐渐增加。对已经普及的洗衣机来说，洗衣机的能耗和洗净率指标要求越来越高，所以现阶段洗衣机技术主要强调的是变频节能、低噪声和高洗净。尤其在高端洗衣机功能中，除了突出有触摸按键的人机界面或带除菌技术的健康洗之外，主要就体现在变频控制[1]整机性能的提升。同时，从上世纪70年代电容启动式的单相异步电机控制技术在普通波轮洗衣机推广以来，在实际运行过程中输出功率低和电机噪声大，不能满足用户更宽泛的需求，因此无刷直流(BLDC)电机的开发应用有非常重要的意义。本文介绍采用BLDC电机作为驱动的洗衣机控制器设计，先说明电机的基本操作原理及其主要参数，然后从控制器的软硬件设计方面阐述了相关技术的运用。

　　1 BLDC电机概述

　　1.1 基本操作原理

　　近年来，无刷直流(BLDC)电机被引入到了传统波轮洗衣机的驱动中，这种电动机系统由电动机本体加上驱动控制电路组成。BLDC电机定子与交流电机的定子结构基本相同，定子绕组通常为三相绕组(参见图1)，三相绕组沿定子铁心对称分布[2]，在空间互差120度电角度，即每个相位具有120度的导通间隔。电机的转子铁心上粘上永磁体材料，永磁体的弧极为180度，永磁体产生的气隙磁场呈梯形波分布，定子线圈内感应电动势亦是交流梯形波。BLDC电机驱动使用直流电源和开关电路控制，微控制器通过IGBT驱动器控制开关电路, 开关电路必须在每个绕组中使用一个高端开关和低端开关，从而产生旋转磁场。电机转子位置对于确定电机绕组换向所需的正确力矩非常重要，可以使用霍尔传感器计算转子的位置速度和转矩。

　　1.2 电机主要参数

　　BLDC电机作为洗衣机变频驱动电机使用时，其电机磁极对数一般为多极结构，本设计选用的电机主要参数如表1所示。通常洗衣机的转速范围是20r/min―1200r/min，所选用的电机调速范围是5r/min―1500 r/min，完全满足系统要求。

　　2 硬件设计

　　本文设计的BLDC电机驱动的洗衣机变频控制器硬件电路部分主要包括微处理器及外围接口、IGBT驱动器开关控制、电流信号检测及故障保护、霍尔传感器信号调理、UART通信及电源模块(直流电源管理)电路。控制器硬件功能图如图2所示。

　　(1)微处理芯片及外围接口

　　综合考虑各种因素,本控制器选取Microchip公司的DSP PIC33FJ32MC[3]作为本设计的MCU处理芯片。该款DSP芯片指令执行速度最高可达40MIPS，具有32KB的程序存储器(FLASH)、6通道PWM模块和10位ADC采样模块、16位通用定时器、可配置的串行通信接口(UART)，并内置上电复位和低电压中断模块。PIC33FJ32MC的功能符合设计时序的各项要求，可以有效地控制三相电机。利用PWM重加载SYNC信号为其他模块(定时器、ADC)提供同步信号，该特性可实现三相逆变桥下臂电流采样的目的，适合于家用电器控制器的设计。

　　(2)IGBT驱动器开关控制

　　电机驱动电路如图3所示，驱动器采用大电流半桥高集成芯片L6388ED，每片驱动开关控制2路IGBT电流的导通或关断。其中，驱动能力(包括转换IGBT状态所需的门驱动电压和电流同步)和适当响应时间(如维持延迟、上升和下降时间)等算法均由微处理器控制实现。

　　(3)霍尔传感器信号调理

　　如图4所示为此设计的霍尔传感器信号检测电路，用于对输入的霍尔脉冲信号进行滤波和幅值调整，霍尔信号驱动芯片采用英飞凌公司的TLE4961(锁相开关)，该芯片可在宽电压范围内工作，无需额外的电平转换。

　　(4)电流信号检测及故障保护

　　为了防止电机电流过大损坏控制器及电机等，需要对输入到电机定子的三相电流幅值进行监控，如图5所示的电流信号检测及故障保护电路用于过流检测电路故障的硬件保护。由于运算放大器为采样到有极性电流，将采样得到的电流信号加上一个偏置电压+3.3V后送入下一级运算放大电路。

　　(5) UART通信

　　控制器与显示面板之间采用UART通信方式(参见图6)，通信波特率最高为4800bps，可采用普通光耦TLP521作为隔离器件，其传输速率大致在20kb/S左右，能够满足UART通信速率的要求。

　　(6)电源模块

　　BLDC电机在工作过程中的母线HVDC电压也需要工作在稳定范围内，采用直流电源管理来监测HVDC数值是否处于异常电压下，可以及时关断电压供电的电路，保证提供稳定的+l5V和+3.3V两组电压输出。另外，采用电源模块(直流电源管理)方案，具有电路输出电压稳定且所用元器件较少的特点。

　　3 软件设计

　　随着技术进步以及系统复杂度的不断增加，软件设计成为控制系统中的核心，在开发过程中所占的比重也越来越大。同时，由于电子器件的能力、系统开发成本等原因，系统的硬件电路不可能完全实现设计者所期望的全部性能指标，许多功能必须通过软件设计来实现。通过软硬件结合的开发过程，各种控制命令由微处理器控制电路完成，如与用户显示面板进行通信并接收来自用户I/O口发来的指令，根据接收到的指令对电机转速及转矩进行控制，并实时检测反馈电机状态或上报故障信息等。因此，软件设计的重点在于主程序设计，主程序流程主要包括系统初始化程序、UART通信程序、电机状态管理程序、PID控制调速程序、故障保护处理程序、中断服务程序，为提高系统的开发效率及维护的方便，控制系统软件采用模块化的设计思想。

　　3.1 主程序的设计流程图

　　主程序像是个循环体，循环体内调用相应的子应用层程序来完成操作，运行的任务调度过程中使用了时间片轮询的机理机制，与时间相关性强的操作都在此处理。发生中断请求[4]时，保存当前程序执行状态，然后转去执行相应的中断服务程序，执行完中断服务程序后再返回到主循环中，继续循环程序中断主要采用定时器中断处理。主程序设计流程图如图7所示。

　　3.2 PID调速控制

　　洗涤和脱水动作的速度是随时间逐步变化的，需要有电机加速、电机减速的处理以及爬坡率的设置等处理，同时为了降低扭矩变化速率小和根据的速度变化联系，也需要对电机的输出和反馈进行PID调节运算。因此BLDC电机的PID调速控制模块是本系统的重点，以常规PID控制为基础，采用模糊推理思想[5]根据不同的e和ec对PID参数进行自整定，按这种思想构成的控制系统由两部分组成，即常规PID控制部分和模糊推理的参数校正部分，结构图如图8所示。

　　通过大量的实验数据，根据Kp、Ki、Kd对系统输出特性[6]的影响情况，输入变量仍选取速度反馈值和给定转速值的误差e、误差的变化ec。在软件处理时，将不同状态下电机的目标速度、加速度，加权平均量化后计算入PID参数调节时间间隔，做成对应的表固化在Flash中，电机管理程序调用不同速度的索引值，就可以在不同应用中转速输出不同。

　　4 结语

　　现阶段的洗衣机技术主要是强调节能技术和变频技术的运用，本文介绍了一种基于BLDC电机驱动控制的洗衣机控制器的应用设计方案，包括电机驱动的软硬件的实现方法。通过在关键任务子系统中使用 BLDC 电机，采用霍尔传感器检测和自适应PID调节器，更易于高速地控制电机的扭矩和转速。实验证明，本文设计的控制器实用性强，可控性好，能准确快速地控制电机运转。本文的方案已经过实践检验，并已量产。当然，本方案只起到抛砖引玉的作用，因为随着技术的进步，如今市面上还有很多性能更优的微控制器，例如，恩智浦ARM 微控制器产品线。

　　参考文献:
　　[1] 费仁言, 腾飞. 家电电机的应用现状及发展趋势[J]. 家用电器, 2006
　　[2]王成元,夏加宽,杨俊友,孙宜标. 电机现代控制技术〔M].北京:机械工业出版社,2007
　　[3]怯肇乾. 嵌入式系统硬件体系设计[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2007
　　[4]张有德, 赵志英, 涂时亮. 单片机微型原理、应用与实验[M]. 上海：复旦大学出版社，2001
　　[5]刘金琨, 先进PID控制MATLAB仿真[M]. 北京：电子工业出版社，2004
　　[6]宋乐鹏, 陈勇刚, 胡大勇, 等. 模糊自整定PID在电机调速系统中仿真研究[J].微计算机信息, 2010