新型直驱变频洗衣机的设计要点

　　随着市场要求的多样化和人们环保意识的提高，对洗衣机在节水、节电和静音方面的要求越来越高，在这种背景下，变频洗衣机越来越受到人们的认可。变频洗衣机就是对洗衣机电机进行变频调速控制的洗衣机，可以通过对洗衣机的变频控制使电机转速从零逐步提高到最高转速，使脱水桶旋转平稳，震动减小，实现了静音化。更为重要的是，它能对水流和洗涤时间进行智能控制，与普通定频洗衣机相比，在节水、节电、提高洗净度方面优势很明显。

　　变频洗衣机的关键技术在于电机及其控制与驱动技术。在上世纪90年代中期，以东芝、夏普、日立、松下等为代表的日本家电企业就采用这两种技术开发变频洗衣机。时至今日，日本的变频洗衣技术已经相当成熟，除了继续在电机及控制技术上不断完善之外，日本的变频洗衣机主要在操作人性化、美观化、安全性方面投入了很大的精力。韩国LG、三星紧随日本之后，在2000年左右也在高档洗衣机上应用了变频技术。相比之下，欧美企业对变频洗衣机的开发力度和关注程度都有所滞后。但目前不管日韩还是欧美国家，在高端洗衣机市场上都已经拥有了成熟的变频洗衣机产品。

　　直驱的含义是指，普通的全自动洗衣机依靠皮带传动机构和行星齿轮离合器来实现动力驱动，这种传动方式有较多缺点，如皮带易磨损、转矩低、噪声大等。为了改善上述缺点，洗衣机的生产厂家引进了‘直驱’的概念。所谓‘直驱’，就是在动力驱动装置中取消了皮带传动机构，由电机直接驱动洗衣机波轮和脱水桶。传统洗衣机和直驱洗衣机的传动示意图分别如图1（a）和(b)所示。采用直驱电机的变频洗衣机由于具有转矩大、效率高、节水节电、洗净度高、静音性好等诸多优点而广受消费者青睐。根据直驱变频洗衣机的控制要求，相关人士提出了一种基于新型智能功率器件IPM和直驱电机的洗衣机方案，从硬件设计和控制算法上描述了实现高性能洗衣机控制的方法：

　　1.智能功率模块(IPM)。

　　智能功率模块（IPM）是先进的集成功率器件，由高开关速度、低功耗的IGBT硅片和优化的门极驱动以及完善的保护功能组成。模块的电流选型是由洗衣机的容量和驱动方式决定的。一般来讲所提供的是最大8公斤容量的洗衣机方案，因此选定三菱电机的双列直插智能功率器件(DIPIPM)，电压600V, 电流10A。这是三菱电机推出的最新一代超小型DIPIPM，其优良的性能非常适合于高性能洗衣机的电机驱动，主要特色有：

　　相对于单管IGBT解决方案，这种智能功率模块体积小，集成度高，有更高的电流输出能力。这就可以实现较小的洗衣机体积满足尽可能大的洗涤容量。并且可以大大缩短设计者的开发时间，成本亦得到优化；

　　内置优化的IGBT门极驱动电路, 开关动作时产生的电磁干扰比单管IGBT低得多，这对于降低洗衣机的噪声是非常重要的；

　　内置完善的保护功能，包括短路保护（依靠外部电阻）和控制电源欠压保护,并且故障发生时输出一个故障信号给主控制电路。这些保护能够使电机驱动板的可靠性大大增强，使整机的损坏率大幅下降；

　　新的IGBT硅片技术和新型导热绝缘材料的使用，使变频驱动电路的功耗降低，能够延长洗衣机的使用寿命；

　　满足ROHS标准和UL认证，这也是洗衣机零部件达标的重要标准。

　　双列直插智能功率模块PS21963-4A

　　2.直驱电机。

　　洗衣机使用的变频调速电机可有多种选择，交流异步电机，直流无刷电机及开关磁阻电机都被人们用来做过洗衣机的驱动电机。

　　交流异步电机调速技术成熟，但在洗衣机应用中，电机调速性能、机械特性、效率和噪声等很多方面还需进一步完善。

　　直流无刷电机调速性能、机械特性和可靠性都较好，而且效率高，噪声小。随着电机制造技术的不断进步，工艺复杂性降低，成本也有了进一步下降。世界上的洗衣机制造商也在不断完善直流无刷电机，使之成为不断优化的直驱电机。

　　开关磁阻电机也是研究的一个热点，但是开关磁阻电机的调速技术相对复杂。

　　日本东芝的直驱电机示意图

　　3.电机驱动器的正弦波控制方式。

　　高性能静音洗衣技术的实现，得益于直驱方式去除了皮带和齿轮传动机构，从而消除了皮带和齿轮带来的噪音。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。除了上述两点之外，电机驱动器的控制技术亦是很重要的设计因素。

　　我们列举两种电机控制方式。一种称为120度导通方式，是一种传统的控制方式，其导通电气角为120度，是一种定脉宽调制，其绕组电流为矩形波形状，所以又成为“矩形波控制”方式。由于存在30度电气角的非导通时间，所以会发生转矩脉动。为此人们开发了另一种改进的控制方式-180度导通方式，在180度的电气角内，始终是导通的，属于一种可变脉宽调制，其绕组电流为正弦波形状，因此又称为“正弦波控制”方式。正弦波控制方式大幅降低了转矩脉动。噪声很大程度上来自于转矩脉动，因此降低转矩脉动就意味着降低噪声，高性能的直驱全自动洗衣机采用了正弦波控制方式。

　　4.驱动系统主电路。

　　基于智能功率模块和直驱电机的变频洗衣机主电路由输入滤波电路、整流电路、电源及接口电路、IPM和直驱电机构成。由于采用了集成度高的功率器件，电机驱动控制器的体积很小，开发时间短，难度降低。

　　本文设计了一种基于智能功率模块IPM的新型变频直驱洗衣机方案，并分析了与之配套的直驱电机和优化的正弦波控制方式。整个驱动系统开发时间短，成本低，结构紧凑，可靠性高，减振和静音效果比传统洗衣机大幅提高，在实际中得到了很好的验证。

　　我国对电动机变频调速技术在洗衣机上的应用起步较晚。这可能来自于多方面原因，一是技术门槛的限制，变频洗衣机相对来说还是一种有较高技术含量的产品。还有一点是目前其价格居高不下，导致市场份额较少，生产厂家不愿投入精力进行研究。

　　但是，在不久的将来，变频洗衣机必定会在行业中得到普及。这是因为：其一，在国家政策的引导下，环保节能成为家电行业的发展趋势，变频洗衣机顺应了这一发展潮流。其二，变频洗衣机有利于企业提高核心竞争力和产品附加值，有利于洗衣机行业的技术提升，有利于洗衣机产业的升级。其三，当前变频洗衣机市场份额较小的主要原因是成本问题，但随着变频技术的成熟与发展，产品成本会逐步降低，从而促进变频产品的普及。其四，消费者一旦从变频洗衣技术中获益，会改变消费观念，越来越接受变频洗衣机。正因为如此，国内主要洗衣机生产厂家都瞄准了这一市场。海尔、小天鹅等知名企业都推出了自己的变频洗衣机新品。

　　国家节能减排政策的引导和家电下乡活动的展开，已经使变频空调迅速普及。不久的将来，变频洗衣机也会以“高节能、高效率、低噪音、低成本”的形象走进千家万户。而如何占领技术制高点、实现变频技术在洗衣机产业的普及是摆在企业面前的课题。

　　（责编 白洋）