CN100568707C - 一种经济型调速驱动的家用电动洗衣机 - Google Patents

Abstract

一种经济型交流电动机脉宽调制变频驱动系统，直流电源正、负极间串联连接第1相上、下桥臂开关元件和串联连接第2相上、下桥臂开关元件；三相电动机端子接往直流电源公共端和所述串联点；还包括单片机和第1、2相上、下桥臂控制异或门。单片机的第1、2相上、下桥臂调制信号口接往同相同桥臂控制异或门一输入，第1、2相选通口接往同相异或门另一输入；各异或门输出接往同相同桥臂开关元件控制端；同相上、下桥臂调制信号口输出一相双极性正弦波脉宽调制信号，且第1、2相信号相差π/3；各选通口与调制信号口状态经各异或门输出为控制各相桥臂开关元件状态的空间电压矢量脉宽调制，达到使用现有SPWM方式专用单片机控制芯片实现4开关元件的SVPWM。

Description

一种经济型调速驱动的家用电动洗衣机

技术领域

本发明涉及一种经济型调速驱动的家用电动洗衣机，在国际专利分类表中，可属于DO6F33/02。

背景技术

为改进性能，家用电动洗衣机近年来已由以往单相驱动发展至调速驱动。由于电动洗衣机对调速性能要求不太高，可以设计为比较经济的结构，主要是在传统的皮带传动的洗衣机械结构的基础上，把原固定频率的单相交流电源直接驱动单相电容运转异步电动机，改为以正弦脉宽调制方式控制三相桥式6单元逆变电路把所述电源转换成可变压变频的对称三相电源，驱动三相交流异步电动机。各器件生产商已对这样的系统大量提供具有片内波形发生器的专用单片机控制芯片。在系统设计时尽量采用这些芯片和器件生产商推荐的典型程序，可以大大减少设计工作量和更有利于保证系统的性能。但这些程序使用传统的电压、电流正弦脉宽调制(SPWM)方式，驱动系统的转矩脉动、噪声和电源电压利用率等性能欠优，以至洗衣机的品质仍未达到比较理想，尤其是在继续使用传统的比较经济的皮带传动洗衣机械的结构的情况下，洗衣机的品质难以达到比较理想。因此，家用电动洗衣机的调速系统最近也设计为以无刷直流电动机直接传动洗衣机械的调速系统，虽性能特别优良甚至质量过剩，但结构改动较大和成本显著上升，以及容易发生去磁等弊病。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提出一种经济型调速驱动的家用电动洗衣机，其无需改变传统的驱动系统硬件，但可改善性能。

本发明的技术方案是一种经济型调速驱动的家用电动洗衣机，包括传动洗衣机械系统的三相交流异步电动机及其控制器；所述控制器包括一单片机以脉宽调制控制三相桥式6单元逆变电路，把直流电源转换为驱动三相交流异步电动机的三相交流电源；所述单片机具有包括所述脉宽调制的脉宽值设定单元和输出所述脉宽调制的第1相脉宽值寄存单元、第2相脉宽值寄存单元和第3相脉宽值寄存单元的波形发生器，并受一中断程序控制；该中断程序包括：

——表示三相交流异步电动机旋转磁场电角度的变量，

——脉宽值与所述变量的函数关系；

并包括如下步骤：

——所述变量某一瞬时值对应所述函数关系的脉宽值送入第1相脉宽值寄存单元；

——所述瞬时值移相2π/3对应所述函数关系的脉宽值送入第2相脉宽值寄存单元；

——所述瞬时值移相4π/3对应所述函数关系的脉宽值送入第3相脉宽值寄存单元；

其特征在于，所述函数关系按照如下公式：

C＝＝C_o+M|S|

式中：C为脉宽值，C_o为初值，M为常数，S按照变量ωt所在范围有如下关系：

当2kπ≤ωt≤(2k+1/6)π，或者

(2k+5/6)π≤ωt≤(2k+7/6)π，或者

(2k+11/6)π≤ωt≤(2k+2)π时， $S==\sqrt{3}\sin \mathrm{\ωt};$

当(2k+1/6)π≤ωt≤(2k+1/2)π，或者

(2k+7/6)π≤ωt≤(2k+3/2)π时，S＝＝sin(ωt+π/6)；

当(2k+1/2)π≤ωt≤(2k+5/6)π，或者

(2k+3/2)π≤ωt≤(2k+11/6)π时，S＝＝sin(ωt-π/6)；

式中：k为整数。

该方案巧妙地设置的脉宽值与三相交流异步电动机旋转磁场电角度变量的函数关系，可在现有片内波形发生器的专用单片机控制芯片以器件生产商推荐的典型SPWM程序为基础，实现优化的脉宽调制。其相对于传统的电压、电流正弦脉宽调制(SPWM)方式，是把调制信号由单纯的正弦波改变为分段正弦函数组成的鞍形波，结果是：

——输出电压比单纯的正弦波调制提高15％，输出转矩明显增大，达到在调速驱动的洗衣机中，不仅无需使用昂贵的无刷直流电动机，还可以降低现有电动机的成本；

——正反相序谐波电流在一定程度上相互抵消，使之与基波励磁相互作用生成的谐波转矩变小，谐波电流有效值的总和接近优化，脉动转矩远小于单纯的正弦波调制，电动机的效率、振动和噪声因而明显改善，即使在洗衣机中继续使用传统的皮带传动方式，也可以使洗衣机的品质达到比较理想。

以上方案进一步设计所述函数关系包括构成不连续脉宽调制的零序分量，以减少逆变电路的开关动作，结果是降低元件的开关损耗和可用较低频的载波消除音频噪声，有利于降低成本和使洗衣机趋于静音的水平。

本发明技术方案和效果将在具体实施方式中结合附图作进一步的说明。

附图说明

图1是本发明实施例家用电动洗衣机系统构成图；

图2是本发明实施例家用电动洗衣机控制电路图；

图3是本发明实施例家用电动洗衣机电动机驱动系统电路图；

图4是本发明实施例家用电动洗衣机程序控制器单片机主程序流程图；

图5是现有技术一种经济型调速驱动的家用电动洗衣机电动机脉宽调制变频驱动系统中断程序流程图；

图6是本发明实施例家用电动洗衣机电动机脉宽调制变频驱动系统中断程序流程图；

图7是图6所示中断程中调用的“按电角度Y查调制信号值”子程序。

具体实施方式

本发明实施例洗衣机是在现有技术一种经济型调速驱动的家用电动洗衣机的基础上改造而成。

本发明实施例全自动洗衣机和所述现有技术一种经济型调速驱动的家用电动洗衣机的整机结构均如图1所示：

——在设置于底座上的外箱体1内通过吊杆2可自由摆动地吊置有盛水桶3，在盛水桶3内可自由回转地设置有底部带回转搅拌器4的洗涤脱水槽5；

——在盛水桶3的底部安装牵引器排水阀13以及电动机6经皮带18传动离合减速传动机构7驱动回转搅拌器4和洗涤脱水槽5；

——外箱体1和盛水桶3的上方安装有顶盖9；顶盖9上装有可自由开闭的机盖10和水位传感器14；接收传感信号并对电动机6等电器进行控制的程序控制器12和进水电磁阀8安装于洗衣机顶盖9之内；外箱体1内设置安全开关11，其驱动杠杆位于外箱体1与盛水桶3之间。盛水桶3偏斜至一定程度时可以使安全开关11的触点接通。借助与驱动杠杆联动的结构，安全开关11同时监控机盖10的启闭状态。

以上描述的是传统的波轮式或搅拌式洗衣机的基本机械结构。

图2为图1所示洗衣机的电路框图：程序控制器12包括一单片机U201及其3组I/O口分别控制的驱动电路16；驱动电路16包括一逆变电路和二路双向晶闸管；第1组I/O口控制所述逆变电路驱动电动机6，其详细电路见图3；第2组I/O口控制一双向晶闸管，其输出连接进水电磁阀8；第3组I/O口控制另一双向晶闸管，其输出连接牵引器排水阀13；洗涤、漂洗和脱水等方式选择开关17，水位传感器14与安全开关11等的输出连接单片机U201的3个I/O口。

图3为图2所示洗衣机电路框图中电动机驱动系统电路图：桥式整流器BRD201的交流(AC)输入端2和3分别连接220V(AC50HZ)的单相交流电源的中性线N和相线L，直流(DC)输出端1和4连接由电容器225组成的滤波电路，输出直流母线VDD对地母线的电压约300V。逆变电路由绝缘栅双极晶体管IGBT201和IGBT202组成的A相桥，IGBT203和IGBT204组成的B相桥，IGBT205和IGBT206组成的C相桥跨接于直流母线VDD和地母线之间；三相交流电动机(MOTOR)M201的三相端子A-phase、B-phase和C-phase分别接往逆变电路同相桥中点；单片机U201选用型号为ST7FMC1K276，为电动机专用变频控制芯片，其内部除包括CPU和通用的I/O口等常见单片机结构U201.1外，还有一个波形发生器U201.2。波形发生器U201.2中，按照脉宽值设定单元U201.21的给定，W相寄存器、U相寄存器和V相寄存器U201.22产生三相SPWM调制信号，经输出控制单元U201.23和6个开关量输出口：30(定义MC00.HS)、31(定义MC01.HS)、32(定义MC02.HS)、1(定义MC03.HS)、2(定义MC04.HS)和3(定义MC05.HS)号脚输出。该调制信号进一步分别经驱动芯片U202、U203、U204、U205、U206和U207(选用型号：IR2125)的输入(IN)输出(HO)，限流电阻R207、R208、R252、R253、R209和R210，接往各IGBT的G极。

单片机U201也可以采用类似的具有片内SPWM波形发生器的芯片，例如intel公司的8XC196MC系列产品。

单片机U201写入洗衣机控制主程序流程见图4。此外，还写入制造商推荐的包括保护等功能的多个中断程序，尤其是如图5产生SPWM波形的中断程序。

如图4所示主程序，首先进行常规的读入文件、定义和各变量的初始化(如步骤001和002)，然后开始发生SPWM波形的中断程序(如步骤003)，并重复地检查方式选择开关17、水位传感器14与安全开关11等的输出连接单片机U201的3个I/O口的状态(如步骤004)，获得按照洗衣机的控制设定的电动机运行方式状态(代号state)字，并按照该状态字执行电动机运行方式1或2或3(如步骤005)，其中包括改变频率的设定(使用变量MTCstatute)。

如图5所示中断程序，使用变量ωt用于计算调制参考正弦信号电角度。原数据入栈(如步骤010)后，首先按照频率是否改变装入相应于具体频率的新角度增量：读状态字——变量MTCstatute的零位，若非零，频率改变，装入新角度增量，并使MTCstatute的零位赋值为零，否则维持原角度增量(如步骤011、012和013)。步骤014对电角度ωt增加新的或原有的角度增量。之后如步骤014～027，按该增加角度增量后的电角度ωt和以下公式：

C＝＝C_o+Msinωt(式中C_o为初值，M为常数)

查正弦表计算第1相PWM脉冲宽度，所得值C送入W相寄存器；进一步移相2π/3查正弦表计算第2相PWM脉冲宽度，所得值C送入U相寄存器；又进一步移相2π/3查正弦表计算第3相PWM脉冲宽度，所得值C送入V相寄存器；最后，变量ωt原数据出栈，中断返回。

发生SPWM波形的中断程序自开始后不断地定时进行，波形发生器U201.2中各相寄存器控制的30和31，32和1，2和3号脚，按照电压正弦双极性三角波调制法各输出一相双极性正弦波脉宽调制信号；并且各相调制正弦参考信号的相位依次相差2π/3。以上均属于现有技术。

本发明实施例经济型调速驱动的家用电动洗衣机相对所述现有技术经济型调速驱动的家用电动洗衣机的修改，主要是由如图6所示产生PWM波形的中断程序取代原由制造商推荐的如图5产生SPWM波形的中断程序。该中断程序流程如图6所示。

比较图5所示中断程序和图6(图中步骤标号未说明者，其意义与图5相同)所示中断程序可见，其差异在于：图5中所示步骤015、019和023“按电角度ωt查正弦表”，在图6中均以调用一个如图7所示“按电角度ωt计算S值”的子程序的步骤015N、019N和023N代替；图6中步骤016N、020N和024N中的脉宽值C计算公式，相对于图5中所示步骤016、020和024中使用的脉宽值C计算公式改为：

C＝＝C_o+M|S|

式中的调制信号值S按图7所示子程序，按照电角度ωt所在范围：

——经步骤111判断，当0≤ωt≤1/6π，或者5/6π≤ωt≤7/6π，或者11/6π≤ωt≤2π时，按照 $S==\sqrt{3}\sin \mathrm{\ωt}$ 计算；否则，

——经步骤112判断，当1/6π≤ωt≤1/2π，或者7/6π≤ωt≤3/2π时，按照S＝＝sin(ωt+π/6)计算；否则，

——经步骤113判断，当1/2π≤ωt≤5/6π，或者3/2π≤ωt≤11/6π时，按照S＝＝sin(ωt-π/6)计算。

单片机U201为8位机，令ωt取值单位为2π/256，ωt每取值至2π即返回0，相当于本发明技术方案中k为0的情况。

可以看出，图6所示产生PWM波形的中断程序以原有制造商推荐的如图5产生SPWM波形的中断程序为基础的修改工作量较少，占用资源也少，故容易实现。

本发明实施例可进一步设计所述函数关系，按电角度ωt查调制信号值包括构成不连续脉宽调制的零序分量，主要是使各相调制信号在其负峰值处一定时间范围维持负母线电压，在其正峰值处一定时间范围维持正母线电压，因而减少逆变电路的开关动作，结果是降低元件的开关损耗和可用较低频的载波消除音频噪声，有利于降低成本和使洗衣机趋于静音水平。

Claims (2)

1、一种经济型调速驱动的家用电动洗衣机，包括传动洗衣机械系统的三相交流异步电动机及其控制器；所述控制器包括一单片机以脉宽调制控制三相桥式6单元逆变电路，把直流电源转换为驱动三相交流异步电动机的三相交流电源；所述单片机具有包括所述脉宽调制的脉宽值设定单元和输出所述脉宽调制的第1相脉宽值寄存单元、第2相脉宽值寄存单元和第3相脉宽值寄存单元的波形发生器，并受一中断程序控制；该中断程序包括：

——表示三相交流异步电动机旋转磁场电角度的变量ωt，

——脉宽值与所述变量ωt的函数关系；

并包括如下步骤：

——所述变量某一瞬时值对应所述函数关系的脉宽值送入第1相脉宽值寄存单元；

——所述瞬时值移相2π/3对应所述函数关系的脉宽值送入第2相脉宽值寄存单元；

——所述瞬时值移相4π/3对应所述函数关系的脉宽值送入第3相脉宽值寄存单元；

其特征在于，所述脉宽值与所述变量ωt的函数关系按照如下公式：

C＝＝C。+M|S|

式中：C为脉宽值，C。为初值，调制深度M为常数，S按照所述变量ωt所在范围有如下关系：

当2kπ≤ωt≤(2k+1/6)π，或者

(2k+5/6)π≤ωt≤(2k+7/6)π，或者

(2k+11/6)π≤ωt≤(2k+2)π时， $S==\sqrt{3}\sin \mathrm{\ωt};$

当(2k+1/6)π≤ωt≤(2k+1/2)π，或者

(2k+7/6)π≤ωt≤(2k+3/2)π时，S＝＝sin(ωt+π/6)；

当(2k+1/2)π≤ωt≤(2k+5/6)π，或者

(2k+3/2)π≤ωt≤(2k+11/6)π时，S＝＝sin(ωt-π/6)；

式中：k为整数。

2、按照权利要求1所述经济型调速驱动的家用电动洗衣机，其特征在于：所述脉宽值与所述变量ωt的函数关系包括构成不连续脉宽调制的零序分量。

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