新型直驅(qū)變頻洗衣機的設(shè)計要點

　　隨著市場要求的多樣化和人們環(huán)保意識的提高，對洗衣機在節(jié)水、節(jié)電和靜音方面的要求越來越高，在這種背景下，變頻洗衣機越來越受到人們的認可。變頻洗衣機就是對洗衣機電機進行變頻調(diào)速控制的洗衣機，可以通過對洗衣機的變頻控制使電機轉(zhuǎn)速從零逐步提高到最高轉(zhuǎn)速，使脫水桶旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)，震動減小，實現(xiàn)了靜音化。更為重要的是，它能對水流和洗滌時間進行智能控制，與普通定頻洗衣機相比，在節(jié)水、節(jié)電、提高洗凈度方面優(yōu)勢很明顯。

　　變頻洗衣機的關(guān)鍵技術(shù)在于電機及其控制與驅(qū)動技術(shù)。在上世紀90年代中期，以東芝、夏普、日立、松下等為代表的日本家電企業(yè)就采用這兩種技術(shù)開發(fā)變頻洗衣機。時至今日，日本的變頻洗衣技術(shù)已經(jīng)相當成熟，除了繼續(xù)在電機及控制技術(shù)上不斷完善之外，日本的變頻洗衣機主要在操作人性化、美觀化、安全性方面投入了很大的精力。韓國LG、三星緊隨日本之后，在2000年左右也在高檔洗衣機上應(yīng)用了變頻技術(shù)。相比之下，歐美企業(yè)對變頻洗衣機的開發(fā)力度和關(guān)注程度都有所滯后。但目前不管日韓還是歐美國家，在高端洗衣機市場上都已經(jīng)擁有了成熟的變頻洗衣機產(chǎn)品。

　　直驅(qū)的含義是指，普通的全自動洗衣機依靠皮帶傳動機構(gòu)和行星齒輪離合器來實現(xiàn)動力驅(qū)動，這種傳動方式有較多缺點，如皮帶易磨損、轉(zhuǎn)矩低、噪聲大等。為了改善上述缺點，洗衣機的生產(chǎn)廠家引進了‘直驅(qū)’的概念。所謂‘直驅(qū)’，就是在動力驅(qū)動裝置中取消了皮帶傳動機構(gòu)，由電機直接驅(qū)動洗衣機波輪和脫水桶。傳統(tǒng)洗衣機和直驅(qū)洗衣機的傳動示意圖分別如圖1（a）和(b)所示。采用直驅(qū)電機的變頻洗衣機由于具有轉(zhuǎn)矩大、效率高、節(jié)水節(jié)電、洗凈度高、靜音性好等諸多優(yōu)點而廣受消費者青睞。根據(jù)直驅(qū)變頻洗衣機的控制要求，相關(guān)人士提出了一種基于新型智能功率器件IPM和直驅(qū)電機的洗衣機方案，從硬件設(shè)計和控制算法上描述了實現(xiàn)高性能洗衣機控制的方法：

　　1.智能功率模塊(IPM)。

　　智能功率模塊（IPM）是先進的集成功率器件，由高開關(guān)速度、低功耗的IGBT硅片和優(yōu)化的門極驅(qū)動以及完善的保護功能組成。模塊的電流選型是由洗衣機的容量和驅(qū)動方式?jīng)Q定的。一般來講所提供的是最大8公斤容量的洗衣機方案，因此選定三菱電機的雙列直插智能功率器件(DIPIPM)，電壓600V, 電流10A。這是三菱電機推出的最新一代超小型DIPIPM，其優(yōu)良的性能非常適合于高性能洗衣機的電機驅(qū)動，主要特色有：

　　相對于單管IGBT解決方案，這種智能功率模塊體積小，集成度高，有更高的電流輸出能力。這就可以實現(xiàn)較小的洗衣機體積滿足盡可能大的洗滌容量。并且可以大大縮短設(shè)計者的開發(fā)時間，成本亦得到優(yōu)化；

　　內(nèi)置優(yōu)化的IGBT門極驅(qū)動電路, 開關(guān)動作時產(chǎn)生的電磁干擾比單管IGBT低得多，這對于降低洗衣機的噪聲是非常重要的；

　　內(nèi)置完善的保護功能，包括短路保護（依靠外部電阻）和控制電源欠壓保護,并且故障發(fā)生時輸出一個故障信號給主控制電路。這些保護能夠使電機驅(qū)動板的可靠性大大增強，使整機的損壞率大幅下降；

　　新的IGBT硅片技術(shù)和新型導(dǎo)熱絕緣材料的使用，使變頻驅(qū)動電路的功耗降低，能夠延長洗衣機的使用壽命；

　　滿足ROHS標準和UL認證，這也是洗衣機零部件達標的重要標準。

　　雙列直插智能功率模塊PS21963-4A

　　2.直驅(qū)電機。

　　洗衣機使用的變頻調(diào)速電機可有多種選擇，交流異步電機，直流無刷電機及開關(guān)磁阻電機都被人們用來做過洗衣機的驅(qū)動電機。

　　交流異步電機調(diào)速技術(shù)成熟，但在洗衣機應(yīng)用中，電機調(diào)速性能、機械特性、效率和噪聲等很多方面還需進一步完善。

　　直流無刷電機調(diào)速性能、機械特性和可靠性都較好，而且效率高，噪聲小。隨著電機制造技術(shù)的不斷進步，工藝復(fù)雜性降低，成本也有了進一步下降。世界上的洗衣機制造商也在不斷完善直流無刷電機，使之成為不斷優(yōu)化的直驅(qū)電機。

　　開關(guān)磁阻電機也是研究的一個熱點，但是開關(guān)磁阻電機的調(diào)速技術(shù)相對復(fù)雜。

　　日本東芝的直驅(qū)電機示意圖

　　3.電機驅(qū)動器的正弦波控制方式。

　　高性能靜音洗衣技術(shù)的實現(xiàn)，得益于直驅(qū)方式去除了皮帶和齒輪傳動機構(gòu)，從而消除了皮帶和齒輪帶來的噪音。如前所述，高性能功率器件的使用，也起到了不可或缺的作用。除了上述兩點之外，電機驅(qū)動器的控制技術(shù)亦是很重要的設(shè)計因素。

　　我們列舉兩種電機控制方式。一種稱為120度導(dǎo)通方式，是一種傳統(tǒng)的控制方式，其導(dǎo)通電氣角為120度，是一種定脈寬調(diào)制，其繞組電流為矩形波形狀，所以又成為“矩形波控制”方式。由于存在30度電氣角的非導(dǎo)通時間，所以會發(fā)生轉(zhuǎn)矩脈動。為此人們開發(fā)了另一種改進的控制方式-180度導(dǎo)通方式，在180度的電氣角內(nèi)，始終是導(dǎo)通的，屬于一種可變脈寬調(diào)制，其繞組電流為正弦波形狀，因此又稱為“正弦波控制”方式。正弦波控制方式大幅降低了轉(zhuǎn)矩脈動。噪聲很大程度上來自于轉(zhuǎn)矩脈動，因此降低轉(zhuǎn)矩脈動就意味著降低噪聲，高性能的直驅(qū)全自動洗衣機采用了正弦波控制方式。

　　4.驅(qū)動系統(tǒng)主電路。

　　基于智能功率模塊和直驅(qū)電機的變頻洗衣機主電路由輸入濾波電路、整流電路、電源及接口電路、IPM和直驅(qū)電機構(gòu)成。由于采用了集成度高的功率器件，電機驅(qū)動控制器的體積很小，開發(fā)時間短，難度降低。

　　本文設(shè)計了一種基于智能功率模塊IPM的新型變頻直驅(qū)洗衣機方案，并分析了與之配套的直驅(qū)電機和優(yōu)化的正弦波控制方式。整個驅(qū)動系統(tǒng)開發(fā)時間短，成本低，結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高，減振和靜音效果比傳統(tǒng)洗衣機大幅提高，在實際中得到了很好的驗證。

　　我國對電動機變頻調(diào)速技術(shù)在洗衣機上的應(yīng)用起步較晚。這可能來自于多方面原因，一是技術(shù)門檻的限制，變頻洗衣機相對來說還是一種有較高技術(shù)含量的產(chǎn)品。還有一點是目前其價格居高不下，導(dǎo)致市場份額較少，生產(chǎn)廠家不愿投入精力進行研究。

　　但是，在不久的將來，變頻洗衣機必定會在行業(yè)中得到普及。這是因為：其一，在國家政策的引導(dǎo)下，環(huán)保節(jié)能成為家電行業(yè)的發(fā)展趨勢，變頻洗衣機順應(yīng)了這一發(fā)展潮流。其二，變頻洗衣機有利于企業(yè)提高核心競爭力和產(chǎn)品附加值，有利于洗衣機行業(yè)的技術(shù)提升，有利于洗衣機產(chǎn)業(yè)的升級。其三，當前變頻洗衣機市場份額較小的主要原因是成本問題，但隨著變頻技術(shù)的成熟與發(fā)展，產(chǎn)品成本會逐步降低，從而促進變頻產(chǎn)品的普及。其四，消費者一旦從變頻洗衣技術(shù)中獲益，會改變消費觀念，越來越接受變頻洗衣機。正因為如此，國內(nèi)主要洗衣機生產(chǎn)廠家都瞄準了這一市場。海爾、小天鵝等知名企業(yè)都推出了自己的變頻洗衣機新品。

　　國家節(jié)能減排政策的引導(dǎo)和家電下鄉(xiāng)活動的展開，已經(jīng)使變頻空調(diào)迅速普及。不久的將來，變頻洗衣機也會以“高節(jié)能、高效率、低噪音、低成本”的形象走進千家萬戶。而如何占領(lǐng)技術(shù)制高點、實現(xiàn)變頻技術(shù)在洗衣機產(chǎn)業(yè)的普及是擺在企業(yè)面前的課題。

　?。ㄘ?zé)編 白洋）