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方案介紹

波輪洗衣機的洗滌原理是依靠電機帶動裝在洗衣桶底部的波輪正、反旋轉，衣物在波輪的帶動下上、下、左、右不停地翻轉，同時在洗滌劑的作用下實現去污清洗。因波輪洗衣機的工作原理，洗衣機電機需要不停的正、反轉切換，且電機啟動時要具備足夠大的力矩。
 
針對上述應用，威雅利電子方案選用 ST 公司 Cortex-M3 內核的 STM32F103C6T6A  微處理器和ST 公司的智能功率模塊(IPM)STGIPL14K60 為平臺，采用 3 電阻電流檢測和帶霍爾傳感器方法實現對洗衣機永磁同步電機(PMSM)的矢量控制(FOC)。

STM32F系列為ST發布的基于ARM公司Cortex-M3內核的微處理器，其擁有最高72MHz的運行頻率，并內部集成了一個專門用于馬達控制的  Advanced Timer，足以滿足電機控制FOC運算的需求。同時ST提供了完整的電機驅動解決方案，通過免費提供的電機固件庫及PC端的用戶配置界面 MotorControl WorkBench，用戶可以快速實現馬達應用評估。

STGIPL14K60 為 ST 公司推出的智能功率模塊(IPM)，功率模塊內集成 600V 15A IGBT、半橋驅動、運算放大器、比較器、NTC 等器件，能夠簡化電機控制逆變電路，僅需用一個功率模塊即可替代幾十個分立器件，有效提高控制系統的可靠性，并減小 PCB 尺寸和降低系統成本。

系統框圖

如圖1 所示，系統結構主要分為四個主要部分：逆變電路、微處理器、接口電路、輔助電源。逆變電路主要實現電機的功率輸出轉換，微處理器完成電機驅動及系統控制，接口電路實現與控制面板的通訊，輔助電源提供系統所需低壓電源。

永磁同步電機的驅動控制理論 
 
永磁同步電機矢量控制(FOC)的實質就是對定子電流空間矢量的控制。如圖 2 所示，通過檢測功率模塊輸出到電機的電流，得到三相空間坐標系的三相電流矢量 iabc，接著對 3 相電流矢量進行CLARK 坐標變換，得到兩相電流空間矢量 iαβ，接著再進行 PARK 坐標變換，最終將定子電流分解成在旋轉坐標系的 ids、iqs，即矢量控制的勵磁電流和轉矩電流,當永磁體轉子確定之后，電機的轉矩就可以通過 ids 和 iqs 來調節，這就變得和普通的直流有刷電機一樣易于控制了。

變頻洗衣機軟件設計 
 
變頻洗衣機的軟件包含兩個主要部分：一是電機驅動控制部分，另一是洗衣機運動控制部分。電機驅動控制部分軟件負責實現永磁同步電機矢量控制策略，洗衣機運動控制部分軟件負責電機正反轉、加減速、剎車等運動控制。
 
1、電機驅動控制部分軟件設計

因波輪洗衣機電機工作時需不停的正、反轉切換，電機啟動時要具備足夠大的力矩，我們采用帶霍爾傳感的矢量控制(FOC)，這種控制的目的在于對外界負載變化或干擾能快速響應，且具有穩速精度高，噪音低的特點。

電機驅動控制部分軟件是基于 ST 提供的 STM32 電機固件庫，通過該固件庫可快速配置基于磁場定向控制（FOC）為基礎的三相永磁同步電機（PMSM）驅動，庫提供了完整的函數代碼，包括具有微調開關功能的力矩控制和轉速控制以及基于單電阻的電流檢測專利算法、嵌入式永磁體同步電機（IPMSM）的 MTPA 控制、弱磁控制、前饋電流調節和制動策略等功能。固件提供的 C 代碼符合 MISRA-C 2004 規則及 ISO/ANSI 標準。

同時庫也包含可支持使用 Hall 傳感器或編碼器的轉速檢測和位置檢測或無傳感器算法。配合最新版的庫專用圖形配置工具 MC Workbench，可方便導入多種類型配置，方便設計人員靈活地選擇最適合的應用方案。
 
電機驅動控制軟件是基于狀態機實現，如圖 3，將整個電機運行過程分為 IDLE、INIT、START、RUN、STOP、WAIT、FAULT 七個狀態，各狀態機按照一定的條件切換，保證系統穩定可靠地運行。

2、洗衣機運動控制部分軟件設計

變頻洗衣機因其具備良好的調速性能，可根據衣物的種類和質地選擇合適的洗滌轉速、洗滌時間、脫水轉速、脫水時間以實現復雜的洗滌流程。不論怎樣復雜的洗滌流程，其核心為洗滌控制和脫水控制。波輪洗衣機工作在洗滌狀態時，電機帶動波輪轉動的速度較慢，而工作于脫水狀態時，脫水桶需要高速地旋轉，波輪式洗衣機是依靠離合器內部的齒輪實現高低速和力矩的變換。 

3、洗衣機洗滌控制流程設計

洗滌運動的正常流程是先按照指令加速，到達目標速度后恒速，至預設時間結束后再減速，確保在指令所要求的停止時間內是電機停轉，為等待電機的下一次啟動做準備。到達指令預定的停止時間后，電機開始反向運動，依次為反向加速、反向恒速、反向減速和反向停止。整個洗滌運動共八種狀態，如圖 4。

圖 5 為洗衣機帶負載洗滌時電機電流波形，從波形中我們可以清楚地看到加速->恒速->減速->剎車停止過程。采用 FOC 控制后，電流響應更快，剎車時電流更穩定。

4、洗衣機脫水控制流程設計

脫水運動的正常流程是先按照指令加速，當電機達到目標速度后，以一恒定速度運行一段時間，然后減速，速度減為零后停止一段時間再進行加速，如此重復，整個脫水運動共四種狀態，如圖 6。 

綜上所述，以 STM32F103C6T6A  和 STGIPL14K60 為核心的洗衣機  FOC  變頻波輪方案，具有輸出力矩大、可靠性高等特點，與傳統波輪洗衣機相比，節能、靜音效果明顯。