CN1966827A - 洗衣机的驱动装置和具有该驱动装置的洗衣机的驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种驱动装置和洗衣机的驱动方法。其可以提高洗衣机电机的效率并降低逆变器的容量，从而节省生产成本。该驱动装置包括：可变速电机，通过改变转速，以在滚筒上施加驱动力使该滚筒转动；逆变器，将直流电压转换为交流电压并改变提供给可变速电机的电压；以及逆变驱动器，比较控制信号与载波，从而通过脉宽调制驱动逆变器。载波的频率基于脉宽调制而改变。

Description

洗衣机的驱动装置和具有该驱动装置的洗衣机的驱动方法

技术领域

本发明涉及一种驱动装置和洗衣机的驱动方法。更具体地，本发明涉及这样一种驱动装置和洗衣机的驱动方法，其可以通过向电机提供稳定电流来提高逆变器的效率，并降低逆变器的容量，从而改善电机的能量损耗和降低生产成本。

背景技术

一般来说，波轮洗衣机是这样一种设备，其可以利用洗涤剂的乳化作用、通过波轮片旋转而产生的水流摩擦力及通过波轮对要洗衣物的搅动来去除附着在要洗衣物上的各种污染物。在这种波轮洗衣机中，要洗衣物的数量和类型可由传感器检测。通过洗衣机中的微计算机基于要洗衣物的数量和类型来自动确定洗涤周期。基于要洗衣物的数量和类型将洗涤用的水供给到适当水平，并在微计算机的控制下执行洗涤周期。

滚筒洗衣机是这样一种设备，其可以利用要洗衣物与滚筒之间的摩擦力来对要洗衣物进行洗涤的设备，其中在要洗衣物、水和洗涤剂都放入滚筒的状态下通过电机的驱动力使滚筒旋转。在这种滚筒洗衣机中，旋转滚筒，并通过在滚筒中对要洗衣物进行拍打和摩擦来去除污染物。在滚筒洗衣机中，可以最大限度的减少要洗衣物的磨损与缠绕。

现有的滚筒洗衣机使用两种不同驱动方法中的一种，所述两种方法包括：间接驱动方法和直接驱动方法。在间接驱动方法中，电机的驱动力通过电机的皮带轮及缠绕在滚筒皮带轮周围的皮带间接地传送到滚筒。在这种间接驱动方法中，在驱动力传送过程中会产生较大的能量损耗和噪声。

为了解决所述间接驱动方法的问题，对于现有的滚筒洗衣机逐渐出现这样一种趋势，即采用直接驱动方法来驱动滚筒。在直接驱动方法中，电机的转子与盛水筒的后壁直接连接，从而直接将电机的驱动力传送至滚筒。

下面将结合图1简要说明现有的直接驱动的滚筒洗衣机结构。

图1为示出现有的直接驱动的滚筒洗衣机结构的垂直剖视图。现有的直接驱动的滚筒洗衣机包括：盛水筒2，安装于机壳1内；滚筒3，安装于盛水筒2内；轴4，其与滚筒3连接，以将电机5的驱动力传送至滚筒3；以及轴承(图未示)，安装在轴4端部周围。

洗衣机门21安装于机壳1的前侧，垫圈22安装在洗衣机门21与盛水筒2之间。

悬挂弹簧23安装在机壳1的上侧与盛水筒2的外上侧之间，以支撑盛水筒2，摩擦减震器24安装在机壳1的下侧与盛水筒外下侧之间，以减小盛水筒2在快洗模式中产生的振动。

电机5包括：定子7，与盛水筒2的后壁200连接；转子6，围绕在定子7周围。电机驱动力通过轴4直接传送到滚筒3。换言之，因为直接驱动滚筒3，所以不需要附加的皮带轮及皮带传送驱动力。

典型地，在洗衣机中使用的电机5是可变速电机，在所述可变速电机中，转速和/或转向是可控制的。近来，永磁电机，特别是无刷DC(BLDC)电机已被广泛使用。

BLDC电机包括：转子，其可形成磁场并将转矩传送至电机的定子。在所述定子周围缠绕有定子线圈，从而通过与来自转子的磁场进行相互作用，以产生旋转磁场，以产生转矩，由此形成磁路。在BLDC电机中还包括位置检测器，其可检测转子的旋转位置。

由微计算机来驱动洗衣机的电机，其中所述微计算机可根据预定洗衣周期(如洗涤模式、快洗模式及漂洗模式)来控制电机。电机的控制包括对电机转速、转矩及转向的控制。

下面将结合图2描述现有的滚筒洗衣机的驱动装置及驱动方法。图2为示出采用传统的滚筒洗衣机的驱动装置的电路框图，其中所述传统的滚筒洗衣机包括传统的BLDC电机。

如图2所示，现有的滚筒洗衣机的驱动装置包括：整流器11、电容器12、逆变器13、转子位置检测电路15、微计算机16以及逆变驱动单元17。

整流器11接收单相交流电压并将其整流为直流电压。电容器12用作平滑电容器，从而对经过整流的直流电压进行平滑。

逆变器13依据各个相位将电容器12平滑后的直流电压转换为预定的交流电压，并通过由逆变器13提供的电压来驱动电机5。

为了驱动BLDC电机，转子的位置必须与供电电压的相位相匹配。因此，通常需要转子位置检测电路15来检测转子的位置。转子位置检测电路15包括用于检测转子位置的传感器，近来在现有技术中，所述位置传感器包括霍尔传感器(图未示)。

霍尔传感器通过监控安装在电机旋转轴的延长线上的位置检测永磁铁的旋转来检测转子的旋转位置，从而检测转子的位置。

或者，在不使用位置检测永磁铁的情况下，可以配置转子位置检测单元，以在转子的永磁铁的转动期间检测转子的位置。

微计算机16将转子位置检测电路15检测到的转子位置与预定的转速进行比较，并根据比较的结果，输出信号来控制电机的转速。

依据微计算机16输出的控制信号，逆变驱动单元17产生逆变驱动信号，从而由逆变器13通过脉宽调制(PWM)向电机供给各相位的电压，从而控制电机的转速、转矩及转向。

下面将说明具有上述结构的滚筒洗衣机的现有驱动装置的操作方法。

首先，当输入单相交流电压(通常，220V，60Hz)18以驱动电机时，整流器对输入的交流电压进行整流并输出整流后的交流电压。

电容器12对由整流器11整流过的电压进行平滑，并将整流后的电压转换为预定的直流电压(通常为310V)。逆变器13将整流后的直流电压转换为预定的交流电压，并依据逆变驱动器17的信号将转换后的电压输出至电机的各相位。

由于逆变器13转换后的交流电压，电流流过缠绕在定子各相位u、v、w的定子线圈，并且由于通过电流形成的磁场与永磁铁的相互作用形成旋转的磁场，从而转子旋转并与该旋转的磁场同步。

转子位置检测电路15根据来自各相位的预定交流电压检测转子的位置，并输出检测结果。

微计算机16将转子位置检测电路检测到的转子位置与转子的预定转速进行比较。然后，由微计算机根据比较结果输出控制信号，以控制电机。

由微计算机16输出的控制信号通过逆变驱动单元17驱动逆变器的开关元件Q1至Q6。换言之，打开或关闭所述开关元件，以通过脉宽调制(PWM)来控制施加在电机上的交流电压的幅值。由此，也可以控制施加在电机上的电流幅值，从而控制电机。

以下，结合图3说明用于驱动电机的PWM。图3是显示正弦脉宽调制(正弦PWM)原理的示图。

对于正弦PWM，需要用振荡器对载波进行振荡，从而该载波可作为与正弦波进行比较的参考值。通常，将三角波用作载波。

正弦PWM将三角波与正弦波进行比较，以产生对应于比较结果的脉冲波，其中，脉冲波的频率与三角波的频率相同。

正弦波为当前状态下逆变器的预定输出电压，即，为了控制电机而通过逆变器施加在电机上的基准电压。载波为与PWM的基准电压进行比较的电压，其频率通常为几kHz到几十kHz，而用于驱动滚筒洗衣机的频率通常为大约16kHz。

如图3所示，当通过将载波与基准电压进行比较产生PWM波时，各相位的脉冲宽度根据正弦波的幅值变化。

换言之，例如，当基准电压比在电机相位u的载波高时，高开关元件Q1打开，从而对其施加高电压，相反地，低开关元件Q2打开，从而对其施加低电压。因此，当与受控的基准电压进行比较时，脉冲串的宽度根据时间变化。但此时，在对已调制波的脉宽平均值进行估测时，该平均值变为与基准电压相同。

基准电压并不总是正弦波形。改变该基准电压的幅值和频率，从而可以依据电机驱动过程中的操作环境得到所需的电能。

PWM是这样一种方法，其可以将模拟波形的基准电压转换为具有预定频率的脉冲串，以控制施加在电机上的平均电压，因此，可以控制流到电机的电流，例如，可以控制电流的方向与幅值。另外，可通过控制电流来控制转矩。

用于驱动电机的PWM是由电源模块的驱动方法推倒得出的，并且根据PWM，当通过模拟波形的参考值(基准电压)来控制电源模块时，该电源模块在有效区域内运行，从而产生大量的损耗及热能。

因此，用PWM来控制在电源模块的饱和区和截止区中的电压和电流，从而使能量损耗最小化，因此使电机产生的热能最小化。

但是，即使通过PWM驱动电机，会由于逆变器而产生能量损耗，并且大部分损耗是由于周期性地切换逆变器的开关而造成。

下面结合图4详细说明切换损耗。

首先，当电源模块开启并有电流流过电源模块时，电流I受到电源模块的内阻和电机总电阻的限制。提供给开关的电压仅仅是由电源模块的内阻引起的电压损耗，并将所提供的电压施加在整个负载上。

当电源模块关闭时，整个提供的电压全部施加在开关上，并且没有电流流动。换言之，在电源模块在开启和关闭之间拨动时，电压与电流中的任一个几乎都变为0(零)。因此可以认为电路没有能量损耗。

但是，如图4所示，当电源模块在开启和关闭之间拨动时的过渡期间，由于施加在开关上的电压与电流，会产生明显的能量损耗。结果，会产生能量损耗，并且该能量损耗几乎全部转化为电机内部的热量。

尽管在图4中没有示出当电源模块关闭和开启时出现能量损失，但是当电源模块从开启切换到关闭时，在拨动期间也会产生能量损失。

由于在拨动期间的能量损耗造成了逆变器的效率降低，由于能量损耗转化为热量造成了逆变器的温度升高。因此，限制了驱动电机的操作范围。

此外，由于为了解决上述问题必须使用大容量的逆变器和/或必须使用散热器，所以滚筒洗衣机的驱动装置的尺寸必须增加。因此，洗衣机的生产成本增加。

因此，需要这样一种滚筒洗衣机的驱动装置，其可在逆变器的拨动期间降低逆变器的能量损耗，并减少洗衣机的生产成本。

发明内容

因此，本发明旨在提供一种洗衣机的驱动装置和具有该驱动装置的洗衣机的驱动方法，其可充分消除由现有技术的局限及缺点所带来的一个或多个问题。

本发明的优点在于提供一种洗衣机的驱动装置和方法，其中减少逆变器的容量，同时提高洗衣机的效率，从而改善逆变器的能量损失，并降低生产成本。

本发明的另一优点在于提供一种具有驱动装置的洗衣机及其方法，其中可以使用具有变频的载波来控制洗衣机的电机。

本发明的其他特点、优点将会在后面的描述中阐明，并且对于所属领域技术人员一部分通过说明书得知，或者可以从对本发明的实践中学习。本发明的这些和其他优点可以通过说明书及其权利要求以及附图中特别指出的结构得以实现及实施。

为实现根据本发明的这些和其他优点，其中实施并主要描述了一种洗衣机的驱动装置，其包括：可变速电机，配置为对洗衣机的滚筒施加驱动力，其中该可变速电机具有可变的转速；逆变器，配置为将直流电压转换为交流电压，并且可改变在该可变速电机上施加的电压；以及逆变驱动器，配置为比较控制信号与载波，其中该逆变器驱动器通过脉宽调制来驱动该逆变器，载波的频率基于脉宽调制而改变。

根据本发明的另一方案提供一种洗衣机，其包括：滚筒，用于容纳衣物；可变速电机，配置为对滚筒施加驱动力使滚筒转动，其中该可变速电机的转速改变；逆变器，配置将直流电压转换为交流电压，并改变对该可变速电机施加的电压；微计算机，配置为产生控制信号，以控制该可变速电机；以及逆变驱动器，配置为比较控制信号与载波，从而通过脉宽调制驱动该逆变器，其中为实现脉宽调制，该载波的频率是变化的。

可以理解，上述概括说明和以下的详细说明都是示范性和说明性的，旨在提供对权利要求所要保护的发明的进一步说明。

附图说明

包括的附图用于提供对本发明的进一步理解，并且所述附图结合在本说明书中并组成说明书的一部分。所述附图示出本发明的实施例，并结合说明书用于说明本发明的原理。

在附图中：

图1为示出现有的直接驱动的滚筒洗衣机的结构的剖视图。

图2为示出使用传统洗衣机的现有BLDC电机的驱动装置的电路框图。

图3为示出正弦脉宽调制的原理的坐标图。

图4为示出现有逆变器的开关损耗的坐标图。

图5为示出依据本发明实施例的可变载波的坐标图。

具体实施方式

下面详细说明本发明洗衣机的实施例，其示例在图5中示出。在说明书中，相同的参考标号用于代表洗衣机的传统驱动装置中的相同或类似部分，从而省略对该相似部分的附加的描述。

图5为示出依据本发明实施例的可变载波的坐标图。

与现有洗衣机相比，本发明包括：载波产生器，其产生载波频率可变的载波。为了产生PWM，将具有变频的载波与从微计算机的输出的控制信号进行比较。

在现有洗衣机中，产生具有预定频率的载波，并且拨动逆变器中的开关所需的频率与载波频率相同。因此，拨动在逆变器中的开关所需的频率恒定。

可以根据从微计算机输出的控制信号更准确地控制现有洗衣机的电机(在现有技术中，模拟基准电压具有预定频率及预定幅值)。当载波频率为高时，控制信号可以更精确地控制电机。然而，在现有技术中，载波频率的增加是受限的。

当载波频率为高时，谐波对于控制信号具有更大影响，从而增加了在洗衣机的驱动装置中的信号噪音，以及增加了在洗衣机的电机中产生的噪音和震动。当谐波对于控制信号具有更大影响时，更加难以精确控制电机。

因为上述问题，在现有洗衣机中，将载波频率保持在预定值，例如，大约16kHz。按所述预定值，逆变器的容量一定增大。由于载波频率保持恒定，所以逆变器中的开关拨动期间产生的能量损耗总会均匀地产生。

在本发明中，载波的预定频率不是保持在恒定值，而是随着某一因数的改变而改变。在洗衣机的总体操作范围内，通过拨动在逆变器中的开关而引起的能量损耗会降低，从而减少了逆变器的容量。

可以以多种方式选择因数，其中通过所述因数来改变载波频率。

如图5所示，在本发明中，载波频率可以根据电机的转速而降低。即，在低转速时，保持现有技术的载波频率，随着电机转速的增加，载波频率可逐渐降低。

当提供给电机的电压增加时，电机的转速增加。结果，提供给电机的电流也增加。

载波频率的降低可以以步进式或直线式实现。可以优化减小比率。图5显示以步进式减少载波频率的示例。

下面说明降低载波频率所造成对控制信号的影响。

在考虑谐波的影响的前提下来选择载波的最大频率。当载波频率降低时，谐波的电压增加了，因此谐波电流可增加，从而影响到对电机的控制。

谐波的电抗与电机转速的平方成正比。因此，当电机的转速增加时，谐波的电抗具有很高的值。

当谐波的电流具有很小的值时，随着电机的转速增加，载波频率降低。换言之，将载波频率的降低所带来的影响评估为非常弱。

如上所述，当载波频率随着电机的转速增加而降低时，在电机的整个运行范围内，与逆变器的开关拨动关联的能量损耗减小，从而逆变器的容量也会减少。因此，这可以省去或简化远离逆变器的散热元件，从而在考虑生产成本的情况下具有优势。

由于在如上所述电机转速增加的情况下，随着载波频率的降低，难以对电机进行精确控制，所以由于运行时间的增加和不稳定的状态而可能在洗衣机中产生噪音。

因此，如果将运行时间和噪音的产生作为改变载波频率的主要因素，则随着电机转速增加，可增加载波频率。

当电机的转速较低时，载波频率应该降低到低于现有技术中载波的频率(例如，小于16kHz)的水平，从而降低在电机的整个运行范围内在逆变器中的开关的拨动期间产生的能量损耗。

以可将电机的负载作为载波频率的可变因素，即，随着电机负载增大，可增加或减少载波频率。这里，电机的负载表示电机的转矩。然而，与上述类似，在电机整个运行范围中，在逆变器的开关拨动期间产生的能量损耗应该很小。

当将电机的负载作为载波频率的可变因素时，考虑到上述电抗，在电机负载增加时，降低载波频率。相反地，考虑到运行时间和噪声，在电机负载增加时，增加载波频率。

由于随着电机负载增加，在驱动装置中温度可能会随之升高，所以在电机负载增加时，也可降低载波频率。

例如，当在洗衣机的快洗模式下驱动电机时，电机的转速会在过渡状态下逐渐增加，结果，电机在预定时间段内以预定转速旋转。换言之，可以从过渡状态到稳定状态来控制电机转速。

为了更精确控制洗衣机，和防止过度的谐波振动，从而使得电机更快速到达稳定状态，可增加载波频率。相反，在稳定状态下，可降低载波频率，从而在整个脱水时间段期间，降低在逆变器中的开关拨动期间产生的能量损耗。

对于所属领域技术人员显而易见，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和改变。因此，本发明覆盖了在所附权利要求及其等同物范围中所进行的修改和改变。

Claims (14)

1.一种洗衣机的驱动装置，包括：

可变速电机，配置为对洗衣机的滚筒施加驱动力，其中该可变速电机具有可变的转速；

逆变器，配置为将直流电压转换为交流电压，以及可改变提供给该可变速电机的电压；以及

逆变驱动器，配置为将比较控制信号与载波相比较，其中该逆变器驱动器通过脉宽调制来驱动该逆变器，载波的频率基于脉宽调制而改变。

2.如权利要求1所述的洗衣机的驱动装置，还包括微计算机，用于产生控制信号，以控制可变速电机。

3.如权利要求2所述的洗衣机的驱动装置，其中该逆变驱动器通过将微计算机输出的控制信号与该载波相比较，产生逆变器驱动信号。

4.如权利要求1所述的洗衣机的驱动装置，其中改变载波的频率，以降低在逆变器中的开关拨动期间产生的能量损耗。

5.如权利要求1所述的洗衣机的驱动装置，其中基于可变速电机的转速来改变载波的频率。

6.如权利要求5所述的洗衣机的驱动装置，其中当该可变速电机的转速增加时，降低该载波的频率。

7.如权利要求1所述的洗衣机的驱动装置，其中根据该可变速电机的负载改变载波的频率。

8.如权利要求7所述的洗衣机的驱动装置，其中当可变速电机负载增加时，增加载波的频率。

9.如权利要求1所述的洗衣机的驱动装置，其中载波的频率在脱水期间改变。

10.如权利要求9所述的洗衣机的驱动装置，其中在可变速电机转速的过渡状态下以及然后在可变速电机的稳定状态下，载波频率较低；其中在该过渡状态期间可变速电机的转速改变，以及在该稳定状态期间可变速电机的转速恒定。

11.如权利要求1所述的洗衣机的驱动装置，还包括载波产生器，用于产生具有不同频率的载波。

12.一种洗衣机，包括：

滚筒，用于容纳衣物；

可变速电机，配置为对滚筒施加驱动力使滚筒转动，其中该可变速电机的转速改变；

逆变器，配置将直流电压转换为交流电压，以及改变提供给该可变速电机的电压；

微计算机，配置为产生控制信号，以控制该可变速电机；以及

逆变驱动器，配置为将控制信号与载波相比较，从而通过脉宽调制驱动该逆变器，其中载波的频率基于脉宽调制而改变。

13.如权利要求12所述的洗衣机，其中该微计算机控制该洗衣机。

14.如权利要求12所述的洗衣机，还包括载波产生器，用于产生具有可变频率的载波。

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