基于FOC矢量算法的MTPA控制在变频洗衣机上的应用

2013年中国家用电器技术大会 论文集 基于矢量算法的控制 在变频洗衣机上的应用 王家学 高秋英 青岛海尔洗衣机有限公司， 摘 要 ：本应用是在磁场定向矢量控制算 法的基础上 ， 通过最大扭矩每 安培 控制 实现内嵌式电机最 低 能耗及最佳功率的控制。本 应用 没有从 复 杂的电机数学方程入手 ，而是从基本的矢量坐标变换，结 合扭矩方程，使用求导的方 式求 解出了最 大 扭矩时的余 弦角度数学方程式，利 用该 数学方程式可对不同的扭矩算出最合适的磁通电流，从而产生最小电流下的最大扭 矩。 关键词：永磁同步电机 最大扭矩矢 量变频 正弦调制 ， ， ： ： 引言 嫌同步电机 （通常采用高能永磁体 铁氧体或铷铁硼）作为转子 ，具有高效率 、低噪主体流程功能模块 声、快响应、低损耗、高功率密度等优点，在电气传应用层主 要包括通信接收、发射中断及数据 动控制系统中 ，是 最佳 的执行机构之 一 。如何建转化处理程序 ，还有个结构 体、 立合适的数学模型 ，并根据模型进行数字化软 件、 、之间状态可自动切换的程序。中 处理十分有意义。本文从内嵌式 电机应用出 间层是核心算法 层 ，主要有矢量坐标运算、 发 ，介绍 矢量坐 标变换及最大扭矩 （计算、 计算以及各种 计算等，针 控制策略 ，并在变频洗衣机上实现了大批量的 对高速需 要场合，还需要弱磁控制。底层是针 对 第 一 作者简介：王家学 （ 男 ，现任青岛海尔科技有限公司变频技术 总监，主要从事永磁同步 电机的 矢量变频控 制算法在家电上的 实现 。 电器增刊 第三部分 洗衣机制造技术 不同 的芯片或所需要的接口控制。（如 图 。寻 应 ， 层 。 “ 速度、磁通、 尸 扭矩 控制 速度反谈处理电流反馈处理 电机控制层 其中， 是 旋 转坐标系的角度位移。 外闻接 变换 ：由定子电流和 两相电流转化 图功能控制模块图 成两相静态坐 和 、 。 驱动双闭环设计 驱动部分主要包括坐标变换和双 闭环。所谓双闭环指电流闭环和速 度闭环 。电流 石 闭环又有力矩闭环和磁通闭环 。 变换 ：这里 轴沿转子永磁体的磁通方 图 中变 换 、 变换以及反变 向轴垂直于轴。坐标系是与转子保持 换比较容易理解 ，也就是坐标的变换问题 ，其实 同步的旋 转坐标系，按照这 个 参考有变换 方 模块本质也是坐标变 换，不过是两相 程式如下： 到三相之间 的坐标变换 ，具体可以通过三角变换 吨 求证。 驱动是实现变频设计的核心所在 ，软件 反变换 ： 模块流程处理如图。 由电压同步旋转 坐标系 变 换成电 在电流转换开始 压两相静态 坐标系 、 ，变换方程式如下 ： 以后开始执行 关于该坐标变换理论的具体应用可参 考上 一 节的设计驱动流程 ，这个流程是矢量变频的 核心算法，把这个流程写好并处理好具体的计算 格式例如选择定点运算还是浮点运算等 ，然后经 过详细的调试，这样基本的核心算法就完成了 。 注通常为节省成本 ，我们 一般选择定 点运算 代替浮点运算。 图流程图 双闭环控制 坐标变换理论 电流环 ：由公式（ 所得到的 轴电流和 根据基本坐标变换理论 ，并设 人 ， 是 轴电流但在反变换中是 用的轴电 丨 和 沿 。轴 方向的 二相 瞬时电流 可以是定子 或轴电压，这里就笛要 个两路的模糊 控制。 转子 是互相垂直轴的两个变量 。 计算方 即基于轴电流误 差输出轴电压的和基丁 法见公式（ 丨 ）。轴电 流误差输出 轴电压的。该两路 电 器增刊 2013 年中国家用电器技术大会论文集 使力矩和磁通环可分别单独控制 ，也就是以完全 解耦的形式独立。 因为我们最终要使速 度 稳定 ， 力矩肯定是随着负载在变化的。为解决这个关 ： 系，我矿引进了速度环的控制功能。 ， 。 速度环： ，： 由速度的误差产生 一路 控制，并最终输 出不同的控制 力矩以维系速度的稳定控制。在实 际调试时，速度环参数的好坏，直接关系到力 虑到 中心細参考第二章节该公式 矩参考输随定与有先把賴环参關 可这出程練计算公式 ： 试好 才能调试电机的稳定转速 ，才 能在这个基础 上 ，把 力矩闭环和磁通闭环调试好。 电压利用 率 实际测试 、 电压波形在相位上相 差 。 ，完全与理论上的坐标变换计算 一致 。虽然 在两相静态 坐标下只是正弦电压，但换算 到三相 坐标下，则 相电压为鞍型波。鞍型波 的 最大特点 是 最大 化了电压利 用率 ，也就是起到 过调制（的作用 。 “ 电關区麵及醒 计算 公式是 我们进 行软件编程计算 这里是作用时间，、和 为 为两相静态坐 用到的 算公式也是种新两相相的 “ 亦拖分才 标下的电压，我们定义 。 和 仏 如下： 。 最大扭矩每安培控制策略 仏 假定电机参考框架为静态坐标 旋转坐标 和转子逆时针旋转 ，那么根据矢量坐标 变换和匈 轴数学模型，可列出相应电机的 电压方程和磁通 链方程如公式（ ” 据此公 式可以轻松的判断出矢量六边形处于 哪个确冈中，见表。 表 ； 的符号判断扇区表 。、 ！ “ 设是周期，可计算出作用时间如下： 是定子电阻 ；、是 定子漏感；是定子互 电器增刊 第三部分洗衣机制造技术 感 是转子电角度是永磁体的磁通链。下面给出公式 （ 控制 的求解如下： 根据坐标变换理论将却轴同步转子旋转（ 令 轴与转子磁通同方向 ），可进一步简化电机的 电压 方程和磁通链方程如 （和（，方程越 是简化， 同时令人 这样我们在处理软件时就 会越简单有效 。 “ 由 沒 令求解得驻点值应满足： 对表面贴永磁电机（有： 、 乙 因为所以可推出。必须为负值。而 对内嵌 永磁电机（有： 所以也必须为负值才会有力矩最 大值。 、 ：却和“（ 代人力矩方程可鮮 当 时同理也可推出此时的最大力矩 时的 沒。 贴永磁电机的简化力矩方程： 软件根据该计算的公式可以预先确定不同 的 人） 对应不同的通过表格编写计算公 式和相 应的数据表然 后自动计算出相应的数据 项 ，最 后再将该计算后的值在软件里做成数 据表 格 ，并 在软 件实际运行 时通过査表以最快的速 度 计算出不同扭矩下的磁通 ，从而有效可靠的确保 将公式 （和公式（代人力矩方 程可得内 了最大扭矩每安培控制策略的实施。当然 嵌永磁电机的简化力矩方程： 这里非常重要的前提是要测量计算出轴和 轴 的电感 ，理论上如果这两个电感测量正确了 ，那么 就能保证最低的功耗和最高的效率。 人关于 和的测量可见参考文献 ，这里 不再详细介绍。 最大扭矩每安培的调试 这里是励磁转矩 按照 控制策略在 一 款电机上优化 是磁阻转矩 ，而正是因为磁阻转矩的存在使得我 后在 、 负载 （吸水后 重量远远大 于该数 们可以使用 控制。从方程式（可以看出值）测试下电流明 显降低了很多 ，无控制 当 、时磁阻转矩与励磁转矩 同方向这时转时 等于 有控制时，。不等于 。理论 矩就会变大反之转矩就会变 小。和实验都证明同等实验 条件经过 优化控制 电钃壜 刊 年中国家用电器技术大会论文集 的电机相电流是最小的 （如图 、。选用的 电机参 数如表。 同等实验条件负载（指干衣重量 ，吸 表电机参数表 水后要更重 ）、洗 涤运行时，无控制 ； 相 数： 二 电流的有 效值 （均方根值）为 有控 电流的有讀糊細讓 电 最 大 额 定电压 比降低了。也由此丨见 控制对该 汝 嵌 大 额 定电流（ 电机如何降低运行电流 ，降低能耗等 性能的 要 一 ： 洗涤 时扭矩（ 大 于 ： 性。理论上，只要是电机，控制就 能够 脱水 时 扭矩（ 大于 降低电机的相电流 ，从而 降低能耗。 最 大转 速 （ ： 绝缘 级 别 级 绕组电阻（两相间） （ ： 反电动势（ ： 两 相 间电感依（最大：；最 小：丨 碰瞧 、 结束语 通过多个家电实 际 项目实验测试，针 对 电机基于矢算法的控制可 最大化地 ： 降低电机电流 ，从而保证每安 培能够输出最人的 扭矩。实践证明：该算法不仅在洗衣机上有 最佳 图无 控制的电流波形的节能效果，在冰箱及空调上也有非 常 好的