动系统控制研究pdf低振动滚筒洗衣机驱

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　　摘 要 滚筒式洗衣机在其工作运转▼□▼…▼▲，尤其是其脱水甩干时的振动●◇▽◆▲，一直是个突出的 问题▲□▼▪□▲。滚筒洗衣机在运行过程中由于衣物的不平衡分布=•，会使滚筒受到变载荷与 变方向偏心力激励的作用并引起激烈的振动=○•▷☆，使得整机的振动不仅产生很大的噪 音□▷▼•●◇，而且对洗衣机机械与电器部件的寿命产生影响▼-。因为传统机械减振方法存在 通用性方面的限制◁□◁★•▲，近年来随着技术的发展-…=▽◁，从机电一体化系统的角度出发•-▽▪，综 合运用机械==、电子▲▼★=、电机等方面的技术△▽，提高洗衣机的振动控制效果已成为趋势=▲◁。 本文从课题要求和实际应用出发◁◇△…◁▽，在与日本松下公司合作的基础上□■▼■，针对 National NA．V82型号滚筒洗衣机■…，以电力电子用数字控制开发系统MyWay PE．Expert作为控制系统▷▲，构建了滚筒洗衣机驱动系统平台▷▽■▷，并开发了一种新型的 低振动的滚筒洗衣机驱动控制方法…◁■▼●▪。本文的结构和主要研究内容如下◆★●◆： 第一章简单介绍了滚筒洗衣机的发展现状•■…，通过对课题的背景介绍…◆…，阐述了 课题的实际意义◆▪▽•▼□。其后详细介绍了传统的机械减振手段以及新型的通过电机控制 技术实现的减振方法▽◇△。通过对两者的分析比较◁…•☆▽-，提出了本文的主要工作及方案•★★★●○。 第二章介绍了驱动系统主要硬件组成及各部分之间的连接-□=★…，给出了驱动系统 的详细连接图▷■■◇。同时给出了基于矢量控制的驱动系统基本控制方法的原理和说 明☆◁☆…◇△。最后还介绍了振动测量设备并确定其使用方案☆○•▷。 第三章研究了振动产生的机理•-△☆•▽，对振动规律进行分析△◆-•。提出了基于加速度传 感器的偏心负载位置以及质量的实时测定方法-△。并通过仿真和实验分析▼▪▷◇•，研究了 脉动转矩对电机振动的影响▲-■▼◁◇。最后在此基础之上◁•，提出了基于脉动转矩的低振动 的滚筒洗衣机驱动系统控制方法☆-○：分段线性化振动抑制法以及自振动抑制法▪★◇○。 第四章通过实验研究•□□，确定低振动驱动控制方法所需要的相关参数•◇•。并验证 了偏心负载位置以及质量实时测定方法的精度和基于脉动转矩的低振动的滚筒 洗衣机驱动系统控制方法的效果■▷。 第五章总结了研究的主要工作--▲○▼，并对未来的工作方向进行了研究和讨论◆◆□◆▼▲。 关键词■▪•：滚筒洗衣机▼▽…☆●，驱动系统■•△○，电机振动•▲▼…◇△，偏心负载◇•□…，加速度传感器-○◇○●▽，振动削 减○-▲◆△，PE．Expert ABSTRACT Thevibrationofthe inthe runningdrum-type machine-◁▷•□，especially washing beenacritical the machine mode=▽☆★，has dewatering problem．Whendrum—typewashing was the drumload imbalancein distributionof would ranning-◁▼，the clothingchange andthedirectionoftheeccentricforce．Itwouldmakethevibration OCCUl． problems Thevibrationledtonot alsoareductionofthe and noise□•▷…▽，but only machinery electrical life．Asthe oftheconventionalmechanical parts□●…◇•◁’operating universality vibrationreductionmethodswerelimited．Inrecent the of years•☆☆◇▷■，◁▷▷、)~▲-▽△▼，ithdevelopment ontheelectromechanlcal ageof technology◁◇▪=▼,based integrationsystem△…▽•▷，theintegrated andother of the mechanical•▲□▪，electronic★●•，electrical aspectstechnology-▲,enhancing vibrationreductioneffectofthe machinehasbecomeatrend． washing Basedonthe and of…◆▼,in subjectrequirementspracticalapplicationcooperation 埘tIlMatsushita theNationalNA-V82 company◇▽▼■■,for drum-typewashingmachine▲▼…■◇，this adrive electroniccontrol paperdesignedsystemusingpower digital systemMyWay ascontrol thenovelcontrolmethodsforvibrationreductionof PE—Expert system．And machinewere drum—typewashing developed． Inthis structureandmaincontentswereasfollows□★◆☆▪▪： paper■▲☆▼,the In I◁□•=○▼，the andthe oftheresearchwere Chapterbackgroundpracticalsignificance introduced itdescribedthemechanicalvibrationreductionmethodsand firstly．Then thenovelmethodsmotorcontrol toreducethe using technology vibration．Through the and ofthedifferentkindsofthe mainresearch analysiscomparison methods○●★•，the In hardwareofthedrive andsomeofthemainlink II-■○▼，the Chapter system were betweenthe introduced basiccontrolmethod components firstly．Secondly…●▼=☆,the basedonthevectorcontrolWas introducedvibrationmeasurement given．Finally▪-◁▼,it andvibration method． equipment detecting In onthe ofthe novelmethodof Ill○▲，based vibration▷▽,the real Chapter analysis timerotoreccentricload and estimationofrotoreccentricload locatingweight were ．Ⅱ· basedonthesimulationand novel proposed．Then experimentalanalysis★□•，the vibrationreductionmethodsbasedon were pulsmingtorqueproposed． In relevant forvibration works○▽，the ChapterIV•●○,throughexperimental parameters reductionmethodwere identified．Andthemethodsweretested byexperimental results． In mainresearchworksweresummarizedandthefutureworks v◁◇…，the Chapter KEY WORDS•□★◆▲：Drum—typemachine•○▪▽▽•，drive vibration◁=▪=▼， washing system▼-☆…,motor eccentric load◁☆-★=，accelerationsensor□◆■•,vibration reduction▲▽，PE—Expert ．m． 浙江人学硕1★▼▲△=：学位论文 第一章绪论 第一章 绪 论 自1911年电动洗衣机问世以来【l】-☆，洗衣机已在现代家庭中得到了广泛的应 用•◇◁。目前滚筒■▲-◁、波轮▪-▽◆■、搅拌三大类洗衣机几乎主宰着全世界的洗衣机市场【21□■●●。 滚筒洗衣机由于其具有洗涤均匀○■■，不伤衣物▲■，磨损率低和自动化程度高等优点【3】•▪， 逐渐体现出其相对于传统产品的优势□■◇： 滚筒洗衣机的洗涤能力是几种洗衣机里最好的-=…●。而且由于在设计时模仿了 棒槌击打衣物原理=▪★•，利用电动机的机械做功使滚筒旋转-◁●=，衣物在滚筒中不断地 被提升摔下•★-◁，再提升再摔下■…，做重复运动☆•，加上洗衣粉和水的共同作用使衣物 洗涤干净▷-□▲○。所以衣物在洗涤过程中不会缠绕◇◁、洗涤均匀▽=△、磨损小=○，所以就连羊 绒△…●=▪、羊毛□▽=□▼、真丝衣物也能在机内洗涤■…◆，做到真正的全面洗涤■▪▪•。 此外△□，滚筒洗衣机还能通过加热功能■▪，激活洗衣粉中的活性酶◆=◇，充分发挥 出洗衣粉的去污效能■•▼◇…◁。由于用水量较小★□▽☆▽◆，可以在筒内形成高浓度洗衣液●◇▼■专利：提升换热效率的创新蒸发器m6米乐注册湖北美的电冰箱新，在节 水的情况下带来理想的洗衣效果□◆▷●。 滚筒洗衣机的发展最为成熟●■▽，多年来在结构上没有多少变化•●●，基本上都采 用不锈钢内筒▪■■▼▼。由于用料比波轮洗衣机好•◇■△，所以滚筒洗衣机的寿命一般在15．20 年▼=▷，而以塑料材料为主的波轮洗衣机的寿命一般只有8一10年•▷▲…•。 由以上分析可见▽▼▼…：相对于传统的波轮=■◁■▷、搅拌式洗衣机◁▼▲，滚筒洗衣机容量更 大▽▼•，技术更为先进-◆▲=★-。从而呈现出对市场的更好的适应度以及更大的发展☆▼○…▽★。 §1．1选题的背景及意义 滚筒式洗衣机在其工作运转••■◁•动系统控制研究pd，尤其是其脱水甩干时的振动●□，一直是个突出 的问题▲★…•▼-。就其结构而言…△，滚筒式洗衣机多为卧式设置◁◆，工作时要围绕着水平轴 作上下空间上的立体回转•□▪★★，质心相对于某一水平面不停作上下往复运动▽◇☆。滚筒 洗衣机在运行过程中由于衣物的不平衡分布○□◆■☆，会使滚筒受到变载荷与变方向惯 性力激励的作用-=••，这种激励可以引起整机的剧烈振动[41▽■。 与此同时▪=-，因为洗衣机的整机振动是一种复杂的非线性振动▲☆▼★=。由于洗衣机的 结构特点●▷…，在整体的内部有各种各样的部件◆▲，这些部件有的构成振源●★▽△•◆，有的对 浙江大学硕l=◆：学位论文 第一章绪论 振动起传递与放大的作用…☆•，造成整机的振动不仅产生很大的噪音☆▼●□，而且对洗衣 机机械与电器部件的寿命产生影响-•，因此☆-◆▷○，降低振动对保障洗衣机稳定运行是 非常必要的【5～oI○▽▼▪☆。 开发低振动的滚筒洗衣机驱动系统以及控制方法▼☆-，不但能够降低运行时的 噪音●◆○-•◆，延长设备使用寿命■◆○▼●○；降低耗电量■▷●、耗水量★★▽◆，而且能使滚筒转速上限得以 提高■◁★◁，为开发转速更高▽●，使用效果更好◆●…=……，更节能的新产品打下坚实基础▷-☆◁★。 在工业应用中…•▲◆▼，有不少场合电机被用来驱动偏心负载▼◇◆，如离心机◁☆▪○▷，水泥生 产设备中的回转窑◇□，球磨机等★○•-●。因此也存在相应的振动问题▪■。因为滚筒洗衣机 在工作时□☆，负载也是处于偏心状态的△△★，所以开发一种低振动的驱动系统及其控制 方法■•-△◁▷，可以用于电机负载存在偏心的场合▽=……，对降低偏心负载下电机驱动系统的振 动有着普遍的意义-◁，同时也开辟了一条从电机控制角度降低振动的新思路▪=▼△◆。 §1．2滚筒洗衣机振动分析 配 图1-1滚筒洗衣机结构图 滚筒洗衣机结构如图1．1所示☆▼▲☆▷•，振动产生的主要原因有【11】□■◇： (1)电机作为振动源▷=■○=…，不仅可以直接产生振动□▽▽◁▪，而且由于激励还可以使结 构薄板产生振动■◁★，也可以因为电机振动向洗衣机支承系统●▲◇△▪、外壳等部位传递…◁•●■， 浙江大学硕J••▽：学位论文 第一章绪论 使外壳箱体振动★○◆▼●。 (2)电机通过皮带轮☆★▷●…•、齿轮箱等带动波轮旋转=■◆，运转部件的不平衡产生激 励力★-，引起系统产生振动▼▷☆◇•…。 (3)脱水时▪●-▷=，由于结构件的质量不平衡和衣物在滚筒内的分布不均衡==-□★，引 起系统振动□▽★■●。 (4)进水阀■●■◆☆▲、排水牵引器或排水电磁铁等产生的振动•○▲★☆。 §13洗衣机传统减振策略 通常控制振动系统振动的传统手段有三条基本途径【12．18】▷◇★•□★： 控制振源…◇○，切断振动传播途径以及减振■…▪★。针对洗衣机产生振动的原因▼▼★○☆，其 常规的控制对策主要有□○▼▽□□： (1)控制振动源▪△☆•★，其关键是降低电机自身的振动▷○，如采用塑封等低振动电 机▪○==▪…。同时在电机与安装支架之间采用优化设计的隔振装置□••，也可以取得较好的 效果◁▲▪。 (2)在外筒上加装配重块▼□。使外筒的中心向轴心和中心平面交点移动☆☆■=。同时 通过增加配重的方式增加外筒的重量••…•，可从一定程度上增加外筒的稳定性=☆，以 减少或抵消内筒旋转时产生的振动及对外筒的影响□◁★。 (3)采取阻尼减振橡胶做密封圈以吸收轴振动○▼□•▲；采用阻尼吊杆隔振系统隔 离系统振动•▪•。 (4)采用阻尼软垫增大箱体阻尼△△◇•，起到阻尼减振作用▼•…▼。 (5)采用液体自动平衡器抑制高速脱水时的系统振动•▲…☆■☆。 (6)通过先进滚筒设计和摆平水流控制方式▼◆•，减少衣物在滚筒内的分布不 均衡程度▪▲○▽。 §1．4低振动的洗衣机驱动新技术 综合运用传统的振动控制措施▽▲，可以在一定程度上控制洗衣机的振动●▼，但 如果需要进一步提高系统的性能◇-=…，就必须采用一些新技术○◆●▲。近年来□•◇▲=…，随着电子 技术的发展▪☆□，全自动洗衣机基本都采用了单片机控制模式■▷□。考虑到洗衣机实际 上是一种机电一体化的产品●▲◇-••，可以从机电一体化系统的角度出发•◇•▪■，综合运用机 浙江人学硕▷◁▪▽●■：L学位论文 第一章绪论 械▼☆▷★■、电子=△▪▽▲•、电机等方面的技术▷•，提高洗衣机的振动控制效果-•。对于技术先进的 变频洗衣机▪△◁•▼…，由于电机性能较好☆△；控制方便•…，因而可以为产品的机电综合控制 留有较大的余地-▪○，以下振动控制新技术是在变频洗衣机中采用的○▽▷： §1．4．1直接驱动与浮力离合技术 采用直接驱动方式的滚筒洗衣机☆■▲…▪，电机轴与滚筒转轴采用同轴•◇▲，通过电机 实现滚筒转轴的正反转☆▼-•△△、速度调节以及刹车制动等功能-◁•■▷…，结构简单可靠【111◆▽。为 了和直接驱动机构相适应◆▷，可以采用浮力离合机构来实现洗衣机洗涤与脱水两 者的切换••…。系统由离合结构与止动机构两部分组成▪▼•-◆：离合机构主要包括与电机 主轴连接的离合内套☆•，固定在滚筒内底部的离合外套□○◇●；止动机构主要有固定在 滚筒内底部的止动外圈◇●，固定在滚筒外底部的止动内圈【201▷-☆◆。 洗涤时◇■★▼□，离合内外套脱开▼○◇，电机不对滚筒进行驱动◆•□，而止动内外圈接合使 得滚筒不会因衣物摩擦而产生滚筒跟转现象★☆。脱水时◇…=◇，止动内外圈脱开使滚筒 的运动不受制约◁-★，离合内外套接合使电机驱动滚筒△=◇▽，从而进行脱水【11】•●◁◁•◇。 §1．4．2低噪声无刷直流电机技术 为了减少机械结构振动◆•◇，有关研究人员提出了一种直接驱动方式★●•▲，这种方 式具有结构简单可靠等优点▼…，但对电机的要求却高得多•■△，主要原因有120】★●□▷★： (1)因为没有带传动与齿轮箱的减速和增大力矩作用=▪，对电机的力矩要求 比普通洗衣机电机至少大8倍以上●◁…。 (2)洗涤脱水转速与力矩的变化要靠电机自身的特性来保证◆★▼，即要求在洗 涤时★○◁▲◆•，电机低转速◆★▲、大力矩△◇◆○；而脱水时●▷○★◁，又要求电机高转速◇=-●-、小力矩■◇-▪★●，这是一 对相互制约的电机特性要求□◁■。 因此从提高电机效率△=、抑制系统振动噪声和控制方便等角度出发▪•▪…☆，可选用 双绕组结构的内转子直流无刷电机作为驱动电机▪△▷•。洗涤(低速)时两绕组串联工 作◁◆◁…▲★，而在脱水(高速)时采用一套绕组▷◆○，既降低了驱动控制系统的设计及调整难 度••，同时也抑制了高速脱水制动时的反电势及由反电势对驱动系统的损坏=●◆▽，提 高了系统的可靠性【111△★◁••。 为了控制电机的振动◁-▲，在电机设计时-★▲◇△，可采用分数槽技术以达到分布绕组 浙江大学硕一{◆▼：学位论文 第一章绪论 的谐波抑制效果□▼○；同时采用正弦形轮廓的磁钢△=•▪○★，使电机的气隙磁场尽可能地接 近正弦▲▽…，能有效削弱电机的齿槽效应和谐波效应□…○•○◁。 §1．43低振动电机控制技术 直流无刷电机由电机本体与功率驱动电路构成▪▽△。功率驱动电路的控制策略 与控制方法直接决定了系统的性能★◇□◆…。直流无刷电机可以采用调压调速△•=…☆，工程中 常采用PWM控制☆○▪◇◇•，即利用电力电子开关器件的导通与关断◆▼★，将直流电压变成 电压脉冲序列▲•，并通过改变占空比来改变平均电压▪●□▽-；或者通过控制电压脉冲宽 度和脉冲列的周期进行变频控制●◆◆；也可综合运用上述两种方法◇=-◁○•，同时进行变压 变频▼•。 采用PWM控制•◆◇□●，输出电压中包含大量的谐波分量▽▼○，可引起电机的振动▪○□▼▼▽。 为了控制电机的振动▪◇•，一般采用SPWM控制以减少输出电压中的谐波分量•◇◆◁★•，有 利于降低电机的振动●▷●。 内转子直流无刷电动机本体结构与永磁同步电机相同▷△…，但是没有起动绕组◇▼-◇。 直流无刷电机具有起动力矩大▲△●▼▪、调速方便的特点…=▷▪☆▪。而同步电动机具有稳速精度 高…•▲▲-▪、控制方便等特点○☆▲，因此在洗衣控制中可采用变结构的控制方法○▪◆△▽=，即当电机 处于起动状态或在调整过程中△☆▽◇◇，采用直流无刷电机的运行方式○-□◁，以实现快速动 态响应▽□☆：当电机的转速达到给定值△▼■○▲，则转入同步电机的运行模式◆▽▷△，以保证稳态 性能和较低的运行振动【111△-●▽◆。 §1．4．4振动变频综合技术 在滚简直径一定的情况下▽◁-•▲，较高的脱水转速有利于提高衣物的脱水掣20J○△。 因此在洗衣机隔振系统设计中★▼○○，一般都令滚筒的旋转频率高于振动系统的固有 频率==▲▷-。在脱水加速过程中系统将经过共振区…■□…•△，根据振动理论▷▷◆=★，当滚筒转动频率 与洗衣机固有频率相同时●◆◇，系统将产生很大的共振响应◇□☆◇，但当系统激励频率以 一定速率变化通过共振区时△…•◆◇★，振动系统的共振响应将大大减小☆▲-•=，且速度上升越 快★○…•，共振响应越小Ill】◇•○▷。理论上在普通异步电机驱动时●●▲◆◇，电机的转速上升很快=…☆◆， 可以在短时间内达到正常脱水转速●◆●▲•○，但考虑到◁▷： (1)电机的驱动特性的限制▼◁，使得滚筒的实际转速将大大落后于电机转速◇=▽○， 浙江人学硕士学位论文 第一章绪论 从而使振动系统出现较大的振动▲◇★•☆●。 (2)脱水中的衣物没有经过一个逐步升速的过程◆▪◁-，其含水量也将没有逐步 减小☆□-▲★▪，使得高速时整个系统偏心较大而导致系统的振动也较大◆•□-□f低振动滚筒洗衣机驱。 根据以上分析△•▲◇◁□，比较理想的洗衣机脱水升速过程为【201▼○：首先缓慢升速☆◁，逐 渐升高滚筒的速度◆△，在此过程中◆▲★▷▲，衣物中的含水量逐渐减少○■▼□▽，使得整个系统的 偏心质量减少☆○■…：当整个系统接近共振频率时●★，利用直流无刷电机的硬特性●▲☆★△△，快 速提高滚筒的旋转频率●=-，使其平稳通过共振频率范围▲=，然后再逐渐提高转速▼★■◇▲。 需要注意的是●-☆▲=，洗衣机振动系统在不同负载时▽□◇，固有频率的变化较大◁◆□★，因此▷★-☆， 为了得到较好的振动控制效果▽…☆▪★，必须针对不同的负载状况▲◆▼…▲•，结合衣物的含水率 与电机的特性◁★=△▲，改变系统的升速过程◇◆，以达到较好的振动控制效果●▽◇◁●。具体应用 步骤为【lIl▲▽☆： (1)根据隔振理论和洗衣机的负载变化范围•◁，确定合适的洗衣机吊杆刚度▼▽•， 保证系统的隔振效果▷☆◆=；通过理论计算和实验综合确定各种负载状况下▷■☆▷•，振动系 统固有频率和需要抑制较大振动的频率范围☆◇。 (2)在考虑电机特性情况下□☆◇□，计算出各种负载下电机通过共振区域的最佳 升速率◁▲▽；根据相关参数编写电机升速控制软件▪●★-◆□。在实际使用中◁★=，需要运用载荷 识别技术▷■■◆，确定洗衣机每次洗衣的实际负载量-▽▲◇=。 §1．4．5振动设计技术 首先通过实验方法▷▲○□，针对不同的负载状况…=■▼•■，实验测试各种斩波频率的综合 效果-★▷，求得各种情况下的最佳斩波频率★•△•，并编写电机控制软件••▷◆▽▽。在实际使用时…▷•， 可运用载荷识别技术△-○△，通过查表自动调用相关实验数据◆•。 §1．5本文主要工作 总结以上的内容可以发现▼☆□○□，目前低振动滚筒洗衣机的设计思路主要有以下 两种▷◇▲： (1)对洗衣机物理结构的优化设计-■…=： 在传统的低振动洗衣机开发中●◆，由于性能与成本的要求◆◁▽●，在设计中又不能 采用太复杂的减振机构◁●，洗衣机结构优化成为了减振设计的重要手段★▪▽■。通过采用 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 合适的洗衣机箱体…○-○▽▪，滚筒★▲□▽=◇，支撑机构以及隔振装置▲▽◇，可以在一定程度上控制洗 衣机的振动●△△○，但是振动降低幅度不大••▲…◁■，而且开发成本较高▼…。 (2)对于滚筒洗衣机驱动系统控制方法的开发▷○…=△： 随着机械▼☆-•-□、电子=•▲□△、电机技术的进步以及在滚筒洗衣机上的应用•△-●，新型驱动 电机◇▲▪，例如永磁同步电机的使用•▲◁，以及驱动控制系统的更新☆•；从机电一体化系 统的角度出发□★○，利用驱动系统及电机控制技术开发降低洗衣机振动的方法▷=▽◇；不 仅能有效提高洗衣机的振动控制效果以及工作性能-◆-，而且可以降低开发成本-▪△●。 同时由于不改变产品的部件结构★■，能够使产品有较好的延续性■▼□◆=，适当简化了开 发的程序□□●…▲，缩短了开发周期■▼▽★=◁。 比较以上两种设计思路可得◁…▽▷○，采用新型驱动及控制技术○▷，开发基于低振动 滚筒洗衣机的驱动系统控制方法▲◁=…，对于不断改进产品的性能及提高其质量…□◇◆•☆，同 时简化开发程序并降低开发成本有着重要的意义与较大的潜力▷▲■☆。 NA．V82 本文的研究工作与日本松下公司合作进行◆▷•▪☆▷，针对松下公司National Electric 型号滚筒洗衣机▲★；采用MatsushitaWorks公司出品的3D加速度传感器 GS3 以及霍尔传感器对电机转速以及转子位置信号进行测量▼○▲▼=；以MyWay技研株式 3对传感器信号进行采集 会社出品的电力电子用数字控制开发系统PE．Expert 并使用电力电子系统综合开发工具PE．View开发了实时测定偏心负载位置及质 量的模型以及低振动的滚筒洗衣机驱动控制方法◆=◆★◆，从而控制逆变器单元 PE．Inverter驱动电机以降低洗衣机运行时驱动电机的振动◇◁▼●。实验证明-…◁▲，该模型 可以准确测定偏心负载位置及质量并有效降低滚筒洗衣机运行特别是甩干脱水 时的振动…△。 全文按如下内容组织结构▪●◆： 第一章介绍了滚筒洗衣机的发展现状☆◆▷★，通过对课题的背景介绍◆◁=，阐述了课 题的实际意义☆▽□=。其后结合对滚筒洗衣机振动源的分析▽•■，详细介绍了传统的机械 减振手段以及新型的通过电机控制技术实现的减振方法■◁▽。通过对两者的分析比 较▷▽◇■●=，提出了本文的主要工作及方案★▽◁…==。 浙江人学硕★•□▼□：1■◁▪●•：学位论文 第一章绪论 第二章内容主要分为以下三部分▷▽•： 首先介绍了驱动系统的主要硬件组成及各部分的性能特点○△□•◁☆，介绍了硬件平 台结构和各部分之间的连接▽□◇•，给出了驱动系统的详细连接图■•。 其后介绍了驱动开发工具及其主要功能☆▪◇◇▷，给出了基于矢量控制的驱动系统 基本控制方法的原理◆=•△，并通过框图形式加以说明=○。 在本章的最后介绍了滚筒洗衣机运行中的振动测量设备及安装方案•★◇，并通 过分析振动加速度传感器信号确定其使用方案==□▪。 第三章首先介绍了振动产生的机理▷▷◁◇▲，对振动规律进行分析▷■，得到负载偏心 情况下•◇■•□★，偏心负载是造成振动的主要原因这一结论▪△◇。在此基础之上■◁■◆□，提出了利 用加速度传感器对偏心负载位置以及质量的实时测定方法★■◇▪。 其次◆○，对电机输入电压与脉动转矩之间关系进行了分析及仿真实验△△=；对脉 动转矩与电机振动的关系进行了实验分析○★●▪△，证实了脉动转矩对电机振动的影响◆★◁□☆。 最后提出了基于脉动转矩的低振动的滚筒洗衣机驱动系统控制方法★◁：分段 线性化振动抑制法以及自振动抑制法◇◇=-□。 第四章通过实验研究=□，确定第三章中介绍的控制算法所需要的相关参数◆▷。 并通过实验验证了偏心负载位置以及质量实时测定方法的精度和基于脉动转矩 的低振动的滚筒洗衣机驱动系统控制方法的效果•△□○-▽。 第五章总结了研究的主要工作◁▽，并对未来的研究工作方向进行了一定的研 究和讨论★■▪■-…。 §1．6本章小结 本章介绍了滚筒洗衣机的发展现状▽•▪■，指出滚筒式洗衣机在其工作运转△•…★◁，尤 其是其脱水甩干时的振动…•，一直是个突出的问题▽○…●。通过对课题的背景介绍…▼，阐 述了课题的实际意义■○▽：开发低振动滚筒洗衣机□◆•，不但能够降低运行时的噪音■▪★， 延长设备使用寿命◇★；降低耗电量=□○△-▷、耗水量△◆□●-，而且能使滚筒转速上限得以提高▲▷■■， 为开发转速更高▼▽-□•，使用效果更好△★☆○▷，更节能的新产品打下坚实基础…▲△▷。其后结合对 滚筒洗衣机振动源的分析○◁■，详细介绍了传统的机械减振手段以及新型的通过电 机控制技术实现的减振方法…▽。通过对两者的分析比较△…■□◆▼，提出了本文的主要工作 及方案★◆◆▼■☆，并对本文各章阐述的工作及内容加以介绍▲◁◁…■•。 浙江大学硕J•●-◇▷：学位论文 第一章绪论 §本章参考文献 【l】虞国平○▼•☆…●，徐源=★•○▽●，游玉海等◁△▷◇▼☆，全自动洗衣机原理及维修▪▪□▼，北京●•：人民邮电 出版社◆■，1994． 【2】杨晓文☆▷△，滚筒式洗衣机的振动模念分析■◇•=◁，上海交通大学工程硕士专业学位 论文■▷，2006． 【3】陈忠•▼▲◇，邵汝椿▽▽•=，林颖等○○，滚筒洗衣机噪声和振动控制的研究●◇▷-▲，华南理 工大学学报(自然科学版)•●▲△▼，1997▪▲，25(10)▼-▪▷▼◇：78．82． 【4】4郑毅○=•▷•，赵国群▷○◆…▼◇，孙胜•□○•…-，洗衣机振动过程的计算机模拟研究▪○-△，振动▲□▷◇=○、测 试与诊断▽▲◇，2001▲▷，21(3)=◆◆：191—195． 【5】杨晓文▽△•，赵晓明○◇★，滚筒式洗衣机振动模态分析▽□，机械工程师▼□◁◆○，2007△=-，2●▲：30．31． 【6】6林颖■◁☆▼◁▪，黄镇昌▪▷▷=■□，邵汝椿等…★☆▽，XQG50218A滚筒洗衣机减振优化设计△◁□☆▪=，华南 理工大学学报(自然科学版)•▽=•，1997△◇▷▽-●，25(8)-68．71． 【7】翟俊峰…△△▲▽，倾斜轴滚筒洗衣机振动分析及减振方法▷▲□，家电科技○△☆，2002=◇△，12． 66·67． 【8】钱静■•◇□■，带平衡环顶装式波轮洗衣机振动模型及动态特性分析●◆▲▲▪■，淮海工学 院学报•▷●■，2001●□▽▲▽▼，12▷▼▲◁○：14．17． 【9】9林耕★◇■■◇■，滚筒式洗衣机减隔振系统刚度阵的计算…●▲▲▲◆，力学与实践●△◇▪，1995▪•◁…•◁，3-△-★： 22．35． 【lO】吴君力★◆▷◇，国外家电降噪技术和分析方法简介◇◇，家用电器科技…▽，1999★◁★…，4…★★★•▲：11．13． 【11】顾乾坤▷◁▷，张世平▷□-…★☆，李才友等▼☆★，小振动低噪声洗衣机的开发-▼◆=，噪声与振动控 制☆▽，2003=◇，5-▽★-●：42．44． 【12】刘玉春•◆，倾斜滚筒洗衣机动力学建模与仿真分析○◁◆☆◇▽，天津大学硕士学位论 文★▽☆，2002． 【13】胡海燕▼•▼◆★◇，滚筒洗衣机的建模与运动仿真研究▷□△■○▲，武汉交通科技大学硕士学 位论文★▷○，2000． 【14】刘庆亮-▼▷-•，滚筒洗衣机的振动分析▷★◁•△☆，天津大学硕士学位论文▪▲□▼●，2001． 【15】张艳青○□，滚筒洗衣机动力学特性研究★★◆●☆…，山东大学硕士学位论文-◁●•▷◁，2001． 【16】衣同颖▽△•▷，滚筒洗衣机力学建模与支承轴承校验=…••，天津大学硕士学位论文●=☆， 2002． 浙江人学硕一I-=□：学位论文 第一章绪论 【17】硕楠▲◁，全自动滚筒洗衣机洗涤效果的综合实验研究▽▲•▽，天津大学硕士学位 论文=■○，2002． 【18】郭秉毅■•■▪=，洗衣机用DD无刷直流电机仿真分析与实验研究◁=，哈尔滨工业大 学硕士学位论文▼▷△●•，2003． 【19】顾乾坤■▼●，陈建新-☆○▼◇，变频技术在控制洗衣机振动上的应用探讨▪■▪★△★，家用电器科 技◁▼，2001□▽-，9■△：63．64． 【20】顾乾坤◁…○▽，陈建新■▪，全电子控制的搅拌式洗衣机◁▲-▷□▲，家用电器科技◁○☆•▷，2002•…●▽◆▷，2★☆●◆◆： 59．60． *Ⅱ夫学捌I▷□。学位论文 ∞一章洗农机Ⅲ日秉统＆*曲测量幕统 第二章洗衣机驱动系统及振动测量系统 目前滚筒洗衣机有两种驱动方式…▷□： (11『BJ接驱动方式…□●-。驱动电机通过皮带■▽、皮带轮等中问传动机构将输出转 矩传输到洗衣机的洗衣简•▲◆。因为中问传动环竹的存在☆…◇•，驱动电机要在克服摩擦 中损耗掉部分输出的功率☆-…▪◆•。而且中问的机械结构容易产生振动并产生噪音△▲▲。同 时因为皮带与皮带轮的摩擦…▼▼▷☆，容易出现皮带断裂等机械故障-••▼-。 (21直接驱动方式•●▽-。电机转子轴与滚筒转轴直接联接-○。去除了易产生故障 的中间传动机构▷…△，有效地降低了噪音和振动▽-▽。电机直接驱动滚筒▷-◆，减少了中矧 的能量消耗环节◆◁◇，提高了整个系统的效率▼◆。由于滚筒洗衣机在洗涤■▷☆•、脱水状态 下内筒都转动．不存在使用离合器的问题★□◇-◇=，所以滚筒洗衣机使用直接驱动方式 有着特殊的优势○-■。 本次研究课题设备采用的直接驱动方式=▪…。采用这种驱动模式背景是△☆★：研究 目的是开发一种降低振动的电机驱动系统控制技术=▪…▲，而非控制系统本身◆◇。首先 对基本的驱动系统作一简单介绍…△●◆▼■，系统具体组成如2．1图所示◁●○-☆： 圈2-1驱动系统组成 浙江大学硕上学位论文 第二章洗农机驱动系统及振动测量系统 其中采用永磁同步电机作为驱动电机•◇★▽▷，电机内置的霍尔对转子位置进行检 测★…，采用旋转编码器E6H．CWZ6C测定转子转速▪☆，逆变器单元对电机进行供电•★○•， 逆变器单元由TMS320C6713．225 DSP为核心的数字控制系统PE．Expel3加以 供控制软件的开发环境▲◆=••。 驱动系统大致可分为驱动系统硬件和驱动控制软件两部分▽•△●•，本章将详细说 明驱动系统的硬件组成以及各部分之间的接口=◇•，同时介绍驱动控制的相关基本 算法▲★。在本章的最后…▼，提出了振动测量的相关解决方案□■★-…。 §2．1驱动系统的硬件组成部分 驱动系统的硬件主要由以下几个部分组成◆-：NationalNA．V82型号滚筒洗衣 机所用的永磁同步电机(已安装霍尔传感器)□▪▪▽□，OmronE6H．CWZ6C旋转式编 分具体介绍如下□◇： §2．1．1驱动电机 目前应用于滚筒洗衣机驱动的电动机有双速单相电容运转感应电机▽…=，单相 串激电机★•=★■★，开关磁阻电机以及永磁同步电机=▪•。各种电机特点如下▽△▷▷•△： (1)双速单相电容运行感应电机定子具有两套独立的不同极对数的电枢绕 组◇▽-，同时每套绕组都有与之正交的辅绕组=△，辅绕组电路中并联上启动电容和运 转电容▷…▲◁◆…。在启动的时候•…◆▪○○，两个电容同时接入□=；转速升高后▪■☆，离心开关将启动电 容电路断开▼…。由于启动▪…=▷•、运转电容独立选择不同的电容容量◆◆□◆，使得电机具有较 大的启动转矩和良好的工作性能☆○。双速单相电容运行感应电机最大的缺点是只 有两档转速□◁，且两档转速差异较大•▲★，不能实行宽幅调速【I】=•◁▷。 (2)单相串激电机是带换向器的电枢绕组经电刷和定子励磁绕组串联的单 相电机◆○-■。特点是转速高★▪▪▷、体积小▷★□、启动转矩大…●◆▼□，通过调压调速•=◆▽•□，因此调速方便▼▲。 但是因为电刷的存在▲○▽，会产生换向火化干扰无线电和缩短电动机寿命II】▷=◇○▷▷。 (3)开关磁阻电机的转矩具有磁阻特性☆-△○，其运行原理遵循△•△-▼★“磁阻最小原理▼△…○◁▪， 即磁通总是沿磁阻最小的路径闭合-▼▼★●…，因磁场扭曲而产生切向的磁拉力●▪•。开关磁 浙Ⅱ^学碰l岸恤m文 第章洗杠机驱动系统腱振功测量系统 阻电机应用在滚筒洗农机中具有明显的优点-○-：低洗涤速度▪=■▽：较好的滚筒平衡性☆○-： 最大转速高○▽★•●，低速转矩大☆▽◁：机械特性易调等【2】★…▷。但是存在噪音较大的缺点□◆■。 (4)近几年▷=，引入了永磁同步电机作为滚筒洗衣机的驱动电机●-。永磁同步 电机的定子结构与同步电机定子相同…■-•，转子铁芯上装有永磁磁钢…★▽。具有结构简 单-▷○▲▼、运行可靠▽◁=◆、维护方便◁□•□●▲、运行效率高-▼•、无励磁损耗以及调速性能好等诸多优 点Ⅲ▽■☆△○•。因此采用永磁同步电机作为驱动是滚简洗衣机驱动电机发展的趋势-◁●★=。 National NA—V82型号滚筒洗衣机采用一台j下弦波嵌入式三相永磁同步电 机(IPM)作为驱动电机◇•◇，永磁体安装在转子内▪▲○…▷，定子具有通常的三相正弦绕 组=▼◁•□。具有以下特点14I◇●••： (11电机坚固○▽☆◆，允许高速运行▽◇▽▷-。 (21同步旋转坐标系直轴d上的有效气隙大于交轴q上的有效气隙■◆=☆，使得 电机具有明显磁极．Ld．(直轴励磁电感)k-◁▷•。(交轴励磁电感)•★★△◁▼。 (31有效气隙减小☆•◇▽-，电枢反应起决定作用•☆▼▷。外观如图2—2所示▷▲◁★=： 图2-2永磁同步电机 这台永磁同步电机的具体参数为●■◇▷：极对数2●=-；齿槽数12◁•；永磁体数8□▷▷▲：内 置霍尔传感器3•=▽-▽●；单位电流产生的转矩5．3Nm／A★=▼▷•◆；输出转矩11．0Nm(129W)◁…◇★◇， 2．5N(295W)▽•▲□■。 §2．1．2旋转式编码器 编码器是把角位移或直线位移转换成电信号的一种装置▪■=★■。按照工作原理编 码器可分为绝对式和增量式两类▽•。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的 数字码☆△○，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关☆◆，而与测量的中『自J过程 无关■◆=◁◆。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号．再将电信号转为计数脉 冲．用脉冲的个数表示位移的大小▽•。增量型编码器通常有三路信号输出▪▽：A○▽▷△■，B 浙Ⅱ^学顾L学位论i 第#％女目1％Ⅻ系统厦振_功i4量系统 和z…★◁-，一般采用TTL电平○□，A脉冲在前▽△，B脉冲在后●=，A■=◆，B脉冲相差90度▪□▷， 每圈发出一个z脉冲●-•●，可作为参考机械零位▪▼。并利用A超前B或B超前A进 行方向判断▷◇…•★。通过对编码器信号的采集处理=■☆▼…•，町以得到电机的实时转速☆=▷◇★。 图20咖．CWZ6C增量式编码器 本次研究采用OraronE6H．CWZ6C增量型编码器▽•=-，外观如图2-3所示=▷□▼■。工 5to 作电压DC 24V△-•▪▲：I△■△◇•：作消耗电流70mAmax◁○☆○■：一作频率100kHz•••■▽▲；输出IU压 35 VDC／llax-△▲◁：输出电流35 辨率为3600P／R[▲-△…•□”□▽■。输出电路如图2-4所示•-： E6H▲●-…◁‘WZ$C 输}}f信号时序如图2-5所不 Te360…▼。1羔L一 ～□★◁▷○。ON Rh广 №B▽▼☆•“ ◇◇●★▪：广]广] OFF—j—-一114±1／8f∞喇5■□•☆■。l Hmz J L—————一 图25E6HdVZ6C输出信号时序 浙Ⅱ人学碗L学位葩空 第一章沈在机驱动系统Ⅱ振动测量系统 PE-Inverter逆变器单元 辩．13 国2_6PE—Inve啦r逆变器单元 将逆变器重要功能(包括传感器◇▼☆，保护回路等)集成化…★▼：IPM模块或者MOSFET◆▲•■■、 二极管整流模块搭载▲▪；主回路电源由AC／DC整流模块或者DC电源构成…○▪▼□；控制 回路电源和丰回路电源独立■☆……；放电电阻可接续△◇◁；配有输入电压□☆★•■●，主回路电流●★▪◇•▼； 内置过电压过电流保护回路-☆•=•：通过中问电路板◆◁□，可以与PE—Expert系列控制器 产品接续▼•◇，实行能多扩张功能【6】…•。凼此具有小型轻重量功能齐仝的特点☆◁▲。舣据 用户的需要●□，口r以从3个种类的单元中(装置的容量=△，AD／I)C整流单元的输入 电压=◆□◁-，控制回路电压)选择最适合的类型●□。本次研究采用MWINV-4R222型号 的产品．例2—7为MWINV-4R222逆变器单兀的原理图●□： H_1 亳 M_★◆▲’]m★◁▽•▷：◇■◁--◇：▷■●◆▪。 k_m_∞ …◆▪；}◇◆=◇-； ． 器…•▲；端冀翟篡 x¨•▽■，国•=□□‘鲤哆o-4 }一t二○▷▲’型=-◆▷▽：■○•▪▷=’ 一 _一▼▽△◆“•●“◇◁-”毒▲■△?嚣g 嘲 瞄 盟j一上i 图2-7MWINV-4R222逆变器单元娘理圈 浙江大学硕一I●--■-：学位论文 第二章洗农机驱动系统及振动测量系统 MWINV-4R222逆变器单元规格如表2．1所利6】•△•△…： 表2-1MWINV-4R222产品规格 型号 WMINV-4R222 额定容量 4．2k-▽■▪、／A 额定电流 ACllA 输出 过负载容量 额定电流的150％1分钟 额定电压 AC220V 输入 AC输入 m之40V DC输入 O—400V 载波频率 Max20kHz l 控制电路电源 可选择AC00V／200V•○◁…◆•；DC280V 保护电路 直流过电压…●□□，过电流◇◇☆▼•； 输出过电压▲★，过电流 输入直流电流◇□-； 检测电路 直流母线电压-▷…▼=； 输出交流电压(2通道)▲•▪◁； 输出交流电流(2通道) 使用IP～【／MOSFET 三菱电机PM30RFS060 外部面板 柔性导线pin)连接 冷却方式 强制风冷 外形尺寸 180*160*90mm 质量 约2．0kg 使用温度范围 o^40℃ §2．1．4驱动控制系统 DSPTMS320C6000的电力电子用数字控制系统•▽☆○，为电机电源控制等电力电子控 制提供了必要的软硬件综合开发环境-•◇■◁▽，提升了研究开发的效率【刀△▽▼▽□○。系统由以下 几部分构成◇▷■•--：DSP板☆○…-▲；PE板…★○；机箱…□。具体实物图如图2．8所示•●■☆●◁： *扛^学颤L学位论史 第一章沈＆机％动系统驶振动测量系统 图2{PE-Expert3实物图 PE-Expert3技术特征如下★☆：使用高速浮点型DSP☆…=：可实现多种控制等多通 道pWM输出▷•◆○…☆；有FPGA功能扳□▽▼，用户可独自进行PWM丌发○☆▽；使片j光耦与PC 机通信●●★，保持电气绝缘性■△▼；通过独特的实时波形显示工具△□▪▽，使控制程序的调试 更简单●○△●，可讧省大量调试时『自J□=□◆。图2-9显示了PE-Expert3具体结构与基本应用▲●○： 罩 士平亍罕 ．申 =■。申 ．中 占甲 ．申 母圈圜c 迁准鲁了其他鲁种各样的功髓摄 图2-9PE-Experl3结构与基本应用图 各主要部分具体规格介绍如下 表2-2DSPMWI▷■?E3一C6713规格 CPU 1MS320C6713-225 内部RAM 64kx32bit 外部RAM 2Mx32bit ROM FLASH 256k×16bit 数据总线A 浙江大学硕★□◁’L学位论文 第二章洗衣机驱动系统及振动测量系统 表2-3PE板MWPE3．PEV规格 3相PWM输出 2路 电压型三角波○△□•，电压型空间矢量 直接门控制功能 调试方法 死区时间◇-▼△●▲：20ns-10．229s 载波频率◁■◁：5Hz-IMHz PWM精度•△=▷：12bit(载波频率10knz) AD转换 12bit●☆▷▷●，8ch／2us◇▽▼，同时采样4ch 数字输入／输出 16bit／16bit 编码器输入 32bitABZ计数 表2-4高速AID板MVCPE3．ADC规格 输入通道数 120h 额定输入电压范围 ±4．5V(输入阻抗10kf2) 采样精度 14bit(包含符号) AD转换时间 1．29s 输入滤波器频率 95kHz 同时采样通道数 4ch 表2-5高速DA板MWPE3-DAC规格 输出通道数 8ch 额定输出电压范围 •☆△○◁□：e10V 转换精度 16bit(包含符号) 输出响应时间 109s 输出截止频率 72l(Hz 负载电流 最大+10mA 输出电压补偿 垒15Inv *Ⅱ人学倾I学位论Ⅱ 第一章诜杠机驱动系统Ⅱ饭∞Ⅻ量系统 §2．1．5驱动系统备部分之间的连接 A B Z 的CNT计数端口(OPENCIN=…•，OPENCIN=▲□◆，OPENCIN)★○★，埔过ABZ计 数功能计算得到转子转速▲★…◆： HallIC信号输入DSP的数据IO I】fDl0▲☆●，D11．D12)□▪◆△☆▲，通过DSP¨算得到转 了位置★=…▼； DSP的AD I](CHO～CH5)对逆变器的=梢电压电流阻及直流电压电流进行 到逆变器○○□-★•，逆变器驱动永磁州步电机运行□△▷。 图2．10驱动系统连接示意图 浙Ⅱ凡学砸L学位论立 第一章诜杠目L％动系统＆振动Ⅻ盛系统 其中◁●▷=，DSP与Pc的连接与具体端口的功能如图2-11所示 囤2-11 Pc与PE—Experl3连接示意图 至此▲□▽-，完成了对驱动系统各组成部分特点咀及功能的介绍…-◇■，并在实际工作 中完成了驱动系统硬件的措建工作▪◁☆▼▲□。 §2．2驱动控制软件 驱动控制软件的丌发及调试是在PE—View软件环境软件中进行的◆=…○，PE—View 是电机控制★•▲▪▼，电源控制等电力电子产品的控制程序Jr发的一个软件环境◆○▷…，是一 种集成了从程序编=-◆•☆?-☆■◁△▪：j(采用C语言进行程序编□■’i■▷○▪△，执行模块生成-▽，程序下载／执 行等)到参数波形表示等各种调试工具-◆，并把这系列功能通过简单操作综合起 来的软件开发环境系统○◆。 PE-Vicw具体功能介绍 §2．2．1 PE．View功能如下【8I◆□•： 项目管理系统——进行控制程序的变更以及版本的管理 *江^学顿I▪☆▲。学位论i 第帝诜t机Ⅶ曲系统慢振动测量系统 编辑功能——进行程序的编辑•▽…•； 运行功能——进行程序的编译◇★◁▽： 下载功能——对相应DSP进行程序写入☆…●： Execute／Stop功能——对程序的执行／停止进行控制○▽=☆□☆： Inspector功能——·Ⅱ以在程序执行中进行内部参数的实时读写▽▽■； 实时波形表示Wave功能——町咀在柙序执行中进行内部参数的实时管理○▼●■•☆； 虚拟输入输出VirtualI／O功能——进行参数实时碌示与修政☆--○…： 数据记忆DataR．ec功能——数据保存与读出…•： 函数发生器FunctionGenerator功能——通过分段编辑功能进行函数的白定 义 §2．2．2基本驱动控制软件算法 图2—12驱动系统基本控制算法示意图 控制系统采用矢量控制作为基本控制算法•□，示意图如图2一12所示▲•，算法的原 理如下•□☆： 通过霍尔传感器和编码器检测计算出转子的位置0和转速■●，并将其转换成 电角度如和转速m★★◁▷。▷□◁，给定转速和反馈转速的偏差经过速度调节器Speed 浙江人学硕t=学位论文 第一二章洗衣机驱动系统及振动测量系统 Controller计算得到定子电流参考输入／d ref=▪▷☆…，幻refo定子相电流经AD转换电 路被采样▽◇★•■■，经过Clarke变换将其转换到定子两相静止坐标系◇•★◁◁●，再经过Park变换 到d-q旋转坐标系中得到尉☆▷☆□，幻●△☆◆-☆。d-q坐标系中的电流信号尉•■▽▲，幻与它们的参考 Controller获得理想的控 输入值Id_ref▼▪■，Iqref相比较=•，通过电流控制器Current 制量蹦-■，峋□□○☆▼…。控制信号再通过Park逆变换•▪=，经过SVPWM产生6路PWM信号 并经逆变器输出三相电压控制电机的转速和转矩▽☆▲，从而构成一个完整的速度和 电流双闭环系统【9-19】▷△▽▷。 矢量控制的结构框图如图2．13所示△★： 图2．13矢量控制结构框图 其中对于速度反馈控制部分K—vel以及电流反馈控制部分K_id△●☆，K_iq的设 计结构框图分别如图2．14…◆，图2．15所示■◆•▪： 图2．14速度反馈控制框图 浙江人学硕…▽□=▼◁”J▷•■☆：学位论文 第二章洗农机驱动系统及振动测量系统 CurrentFeedbackControl 图2．15电流反馈控制框图 至此△▪-◆，完成对控制系统开发工具功能的介绍▽▼，并实现了驱动系统基本控制 算法的选择和设计=▲。 §2．3振动测量设备及方案 振动可以通过位移•▲□●，速度以及加速度的形式加以分类描述【201••。本次研究中 Electric Acceleration 采用MatsushitaWorks公司出品的3-AxisSensor力11速度传感 器AGS61331 Sensor对洗衣机工作时的振动加速度进行测量=▽◇□□△，在本文中以振动 加速度的形式描述振动▪=…☆◁▪。 §23．1加速度传感器特性 加速度传感器可同时测得两两正交的3个方向的加速度•…，外围电路连接如 图2．16所示【2I】-●=： 1)q 图2．16传感器电路连接图 -23． 浙江人学顾一l•▷◆□：学位论文 第二章洗衣机驱动系统及振动测量系统 加速度传感器的信号输出特性如图2．17所示【211○▲△△▲◁，传感器的输出电压与振动 加速度成线性关系▽△●△： a脚 …☆○：★●•□■△‘axb —Y．axb …--Zjo咖 2．5 ／ ／ }2．o 一r } ．／ 至．石 ／ l ／ t．0 厂 ．／ 0．5 00 ——^oceI·m奴m瞄 图2．17传感器信号输出特性 加速度传感器的电气特性如表2-6所示▽◆☆■○○： 表2-6加速度传感器电气特性 产品型号 AGS61331 项目 轴 单位 标准值 最小 典型 最大 加速度测量范围 X△△•★，Y▪•□，Z g -3 3 工作电压 V 2．7 3．0 3．6 工作电流 mA 1．7 2．5 精度 X☆=•○▲，Y★▽，Z V儋 0．313 0．3330．353 温度敏感特性 X-▽，Y•△，Z ％ ．9 9 偏置电压(0g) X★•-★▽，Y•○□，Z V 1．44 1．5 1．56 偏置电压温度敏感特性 X○▲…△，Y△●△，Z ％FS ．8 8 轴精度 X△▪-=，Y☆•△▼=，Z ％ -6 6 非线性程度 X■☆…▪△-，Y▽▪◇，Z ％FS -2 2 开通时间 X-◁，Y◆●□，Z mS 20 频率响应 X★□■，Y▽○=□▲，Z Hz DC 50 浙江人学硕士学位论文 第二章洗衣机驱动系统及振动测量系统 §2．3．2振动测量方案 Acceleration 采用加速度传感器(3一Axis Sensor)对振动进行测量★…▼○▷，并输出电压 信号★●=，通过PE-Expert3对信号进行采集和处理◆▷-△-。加速度传感器(3-Axis Acceleration 8所示●◇△-…： Sensor)安装位置如图2．1 图2-18加速度传感器(3Dsensor)安装位置 加速度传感器(3．AxisAccelerationSensor)输出信号对应编号如表2．7所示•○： Acceleration 表2．7加速度传感器O-Axis Sensor)输出信号对应编号 洗衣机外壳(编号为C) 4x 8y Z 滚筒后部(编号为B) 5x 6y 7z 滚筒前部(编号为A) 1x 2y 3z 在具体实验测量中发现◁◇=▽▪： (1)洗衣机外壳上的传感器(编号为C)输出信号强度较弱□◁…■，其幅值约为固定 于滚筒上的传感器输出信号的10％◁◁•★-●，因此不采用该传感器的信号•▪☆。 (2)滚筒后部(编号为B)和滚筒前部(编号为A)传感器输出信号幅值以及波 形基本相同☆★○△◁，因此只采用滚筒前部(编号为A)的传感器信号★○■◆◁。 (3)滚筒前部(编号为A)的传感器X方向的输出信号幅值较低而Y▽•▼□，Z方向 浙江大学硕上学位论文 第二章沈农机驱动系统及振动测量系统 的输出信号较强☆●，因此只采用Y●○■▲▲，z方向的输出信号-•。对应2y★▪◆▲，3z两路信号(为 了分析建模方便起见•▪，在下文中将Y-□◇☆•，z方向分别用X-★=，Y表示)△◆▲◇◇=。 在本节的内容中□▪★▷，介绍了振动测量设备的特性以及使用方法□▼…；并确定了设 备的安装与使用方案=▷-◆-。 §2．4本章小结 在本章的内容中首先介绍了驱动系统的主要硬件组△•▽，其中详细介绍了基于 能等◇▷•▷★。同时描述了硬件平台结构和各部分之间的连接★-▲，给出了驱动系统的详细 连接图…•▼▽◁，特别是DSP系统的外部接口以及DSP与逆变器◁▼•，驱动电机的连接方 式▼•…○。 其后介绍了驱动开发工具及其主要功能◆□△，给出了基于矢量控制的驱动系统 基本控制方法的原理○▲•▷▪，并通过框图形式加以说明●•○□。其中针对速度反馈控制部分 以及电流反馈控制部分的设计通过示意图加以说明•●△。 在本章的最后介绍了滚筒洗衣机运行中的振动测量设备及安装方案•□▪◁，详细 介绍了加速度传感器的连接电路◇☆○…-◆，电气特性和输出信号特性☆▽□△▲▼，并通过分析加速 度传感器信号确定其使用方案▲•-。 §本章参考文献 【1】韦宇聪□-■△○，DD滚筒洗衣机用无刷直流电机系统及控制策略研究▽◆☆◆◁□，哈尔滨工业 大学工程硕士学位论文◆•，2006． 【2】吴建华•▪●●●，开关磁阻电机设计与应用☆□◆◇★，北京○△▪：机械工业出版社▲•，2000． 【3】张琛◁-•○，直流无刷电动机原理及应用▪◁，北京○☆…▷•▼，机械工业出版社2004． 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brushless◆●，synchronous=●，permanentmagnet FourthInternationalConferenceonPowerElectronicsand Drives-◁， Variable—Speed 1991▪•△•○-：17．19． H-☆◁◆◇，DessaintL．A☆▪□•=，An currentcontrolschemeforPWM 【18】Le-Huy adaptive motor and TransactionsonPower simulation▼△，IEEE drives=◇-△●•：analysis synchronous Electronics○•■-，1989☆•★，4(4)☆…▽：486-495． P◇○◁--=，AllenC．R○■◁◆△，BudhabhathiR▽△□▼□◁，DSP—basedvectorandcurrentcontrollersfor 【19]Pillay a motor permanentmagnetsynchronous Society drive▽=◇★◇，IndustryApplications Annual Conference Meeting Record…-=，1990-▽，l(1)-□☆：539-544． Crowell▼•，RobedAmstutz•=，IEEE841motor BoIgh△▲▷○▲，Jim 【20】Dennis vibration•☆▽○◁，Industry Magazine▽◁，IEEE◆◇，2005•★，11(6)▼■：32—37． Applications Sensor Datasheet☆□▲□=○，Matsushita 【21】[技术资料]GS3 Company▽○○●◁，2006． -27． 浙江大学硕一I二学位论文 第三章降低振动的控制方法实现 第三章 降低振动的控制方法实现 本章将介绍了振动产生的机理○▼•▷，并对振动的规律进行了一定分析•☆▷▪▷▼，得到负 载偏心情况下振动产生的主要原因★••△○•。在此基础之上△-■▲◇•，提出一种利用加速度传感 器对偏心负载位置以及质量的实时测定方法•○★■▼=。其次•▪▽，对电机输入电压与脉动转 矩之间关系进行了分析及仿真实验▲□▷△；对脉动转矩与电机振动的关系进行了实验 分析▷▷★•，证实了脉动转矩对电机振动的影响△…。最后在仿真和实验的基础上▷○，提出 了基于脉动转矩的低振动的滚筒洗衣机驱动系统控制方法◇▽☆●：分段线性化振动抑 制法以及自振动抑制法★•◇●△。 §3．1振动产生机理及其规律分析 交流电机中的转子受到了两种不同的电磁力◁▽▷：洛仑兹力和麦克斯韦力【11▲▼。载 流