一种大扭矩滚筒洗衣机直驱电机的控制装置
技术领域
本发明涉及电机控制领域，更具体地，涉及一种大扭矩滚筒洗衣机直驱电机的控制装置。
背景技术
直驱电机，直接驱动式电机的简称。主要指电机在驱动负载时，不需经过传动装置(如传动皮带等)，主要利益点包括静音、节能、平稳、动力强劲，因此，近年来直驱电机越来越多的用于各类洗衣机的滚筒上。
但是由于现有的国产滚筒洗衣机对于直驱电机的控制方法较为简单粗暴，在滚筒洗衣机在低速工况时，输出扭矩小，仅能够达到5-6N·m，启动速度慢，电机使用范围受限，无法满足更大容量滚筒洗衣机的要求。所以直驱电机在纯国产的滚筒洗衣机中应用很少，依然大量采用串激电机进行滚筒的驱动，普通的串激电机效率较低，能耗较大。
因此，需要一种针对大扭矩滚筒洗衣机直驱电机的新型的控制装置，来解决上述问题。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种针对大扭矩滚筒洗衣机直驱电机的控制装置的新技术方案。
根据本发明的第一方面，提供了一种大扭矩滚筒洗衣机直驱电机的控制装置，包括：
数据采集模块，用于采集直驱电机的运行参数；
处理模块，用于对运行参数进行计算；
能量存储模块，用于将多余能量进行存储；
以及电能控制模块，对驱动所述直驱电机的电能进行控制；
所述数据采集模块以及所述电能控制模块均电连接至所述处理模块，所述能量存储模块电连接至所述电能控制模块，所述直驱电机电连接至所述电能控制模块。
优选地，所述数据采集模块至少包括转速检测模块以及PWM采集模块。
优选地，还包括：输入模块，用于输入直驱电机的目标转速；以及比较模块，用于比较当前转速与目标转速；所述输入模块以及所述比较模块均连接至所述处理模块。
优选地，所述能量存储模块为储能元件；所述电能控制模块包括整流电路，所述直驱电机的驱动端口通过所述整流电流连接至所述储能元件，所述电能控制模块还包括能量释放电路以及能量回收电路。
优选地，所述能量释放电路并联至所述直驱电机的驱动端口。
优选地，储能元件通过所述能量回收电路并联至所述直驱电机的驱动端口。
优选地，所述电能控制模块还包括直驱电机驱动电路，所述直驱电机驱动电路连接所述驱动端口，以驱动所述直驱电机。
根据本公开的一个实施例，本发明的直驱电机的控制方法通过监控负载的周期性变化规律，对过剩能量进行回收，并将该电能在负载较大时叠加至电机的驱动电能中，以提高扭矩，并且更加节省电能；
通过负载转动驱动直驱电机来回收过剩能量，并能够起到降速的作用，无需电控刹车，从而进一步节省了电能，优化了控制程序。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1是本发明实施例一的直驱电机的控制装置电路模块框图。
图2是本发明实施例二中直驱电机的控制方法的流程图。
图3是本发明实施例三中能量回收模块的电路结构示意图。
图4是本发明实施例三中能量回收模块的回收过程流程图。
图5是本发明实施例三中的信号处理电路。
图6是本发明实施例三中的直驱电机驱动电路。
图7是本发明实施例三中的主控模块电路。
图8是本发明实施例三中直驱电机的电源电路。
图9是本发明实施例三中的通讯电路。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
实施例一
如图1所示，本实施例中的大扭矩滚筒洗衣机直驱电机的控制装置，包括：数据采集模块，用于采集直驱电机的运行参数；
处理模块，用于对运行参数进行计算，以得出负载变化的周期性的规律；
能量存储模块，用于在负载较低时将多余能量进行存储；
以及电能控制模块，对驱动所述直驱电机的电能进行控制，将能量存储模块中的电能在负载较大时进行释放；
所述数据采集模块以及所述电能控制模块均电连接至所述处理模块，所述能量存储模块电连接至所述电能控制模块，所述直驱电机电连接至所述电能控制模块。
通过本实施例该方案，本发明的直驱电机的控制方法通过监控负载的周期性变化规律，对过剩能量进行回收，并将该电能在负载较大时叠加至电机的驱动电能中，以提高扭矩，并且更加节省电能。
在本实施例或其他实施例中，所述数据采集模块至少包括转速检测模块以及PWM采集模块。通过监控转速以及当前的PWM占空比，来计算负载的大小。
在本实施例或其他实施例中，还包括：输入模块，用于输入直驱电机的目标转速；以及比较模块，用于比较当前转速与目标转速；所述输入模块以及所述比较模块均连接至所述处理模块。通过比较当前转速与目标转速，控制输入直驱电机的PWM占空比，以控制当前转速。当当前转速大于目标转速时即为负载较低时，反之则为负载较大时。
在本实施例或其他实施例中，所述能量存储模块为储能元件；所述电能控制模块包括整流电路，所述直驱电机的驱动端口通过所述整流电流连接至所述储能元件，所述电能控制模块还包括能量释放电路以及能量回收电路。实现对电能的存储以及电能的叠加功能。
在本实施例或其他实施例中，所述能量释放电路并联至所述直驱电机的驱动端口。
在本实施例或其他实施例中，储能元件通过所述能量回收电路并联至所述直驱电机的驱动端口。
在本实施例或其他实施例中，所述电能控制模块还包括直驱电机驱动电路，所述直驱电机驱动电路连接所述驱动端口，以驱动所述直驱电机。
根据本公开的一个实施例，本发明的直驱电机的控制方法通过监控负载的周期性变化规律，对过剩能量进行回收，并将该电能在负载较大时叠加至电机的驱动电能中，以提高扭矩，并且更加节省电能；
通过负载转动驱动直驱电机来回收过剩能量，并能够起到降速的作用，无需电控刹车，从而进一步节省了电能，优化了控制。
实施例二
如图2所示，本实施例中的大扭矩滚筒洗衣机直驱电机的控制方法，包括如下步骤：
S1100：周期性采集直驱电机的运行参数；
在本步骤中，可以利用传感器采集直驱电机的各种运行参数，该运行参数至少包括转速、扭矩、温度、负载情况等一种或多种数据信息。采集周期可以是按照同一时间间隔采集，或根据相同的圈数数量采集信息。
S1200：根据运行参数计算负载变化情况；
在本步骤中，直驱电机的运行参数能够间接的反应出负载的变化情况，例如滚筒转动时线速度的加速度值的变化、保持同一加速度时所需扭矩的变化、扭矩的变化所需电流值的变化等，均能够通过直驱电机的各种运行参数通过计算得出负载的变化情况。
S1300：当负载低于能量收集值时收集负载转动所产生的能量；
在本步骤中，由于洗衣机在转动过程中，滚筒中的衣物和水会因为离心力而贴至滚筒壁，进而惯性增大，使得转动越来越省力，应当认为是负载减小。所以在转速越来越大时，负载会越来越小，当负载达到特定值时，即为转速达到一定值，此时需要控制转速在一定范围内或减小转速后直至反转；传统的洗衣机通常进行刹车以减缓转速。在本实施例中停止对直驱电机供电，而使负载驱动直驱电机，使直驱电机变为发电机，从而实现负载的机械能转变为电能，便于储存。还能够起到对直驱电机刹车的效果。
S1400：当负载高于能量释放值时将所收集的能量转换为驱动负载转动的机械能。
在本步骤中，当洗衣机转动到下限值需要重新加速或反向转动时，即低速工况时，此时负载最大，直驱电机所需的扭矩更大，所以在本实施例中将上述步骤中收集到的能量叠加至直驱电机的驱动电流中，以提高扭矩，并且能够节省电能，使较小功率的直驱电机适用于较大容量的洗衣机上，提高制作成本以及使用成本。
通过本实施例的上述步骤，利用滚筒内水和衣物的转动造成的负载周期性变化，对负载过剩的动能进行收集并存储，在负载过大时进行释放，以达到提高扭矩以及节省电能的目的，达到了对直驱电机的控制优化。
在本实施例或其他实施例中，根据直驱电机当前转速计算旋转一圈所需的单位时间，在所述单位时间内均匀设置若干数据采集点，在所述数据采集点采集所述直驱电机的运行参数。每转动一圈均设有若干数据采集点，数据采集更密集，数据准确定更高。防止仅通过时间采集，随着转速的增大而漏采数据。
在本实施例或其他实施例中，所述运行参数至少包括：直驱电机的当前转速以及输入直驱电机的当前PWM占空比。利用当前转速设置数据采集点，并根据当前PWM占空比计算直驱电机的扭矩，并结合当前转速值从而得出负载的变化情况。
在本实施例或其他实施例中，对当前的数据采集点所采集的当前PWM 占空比与前后若干个数据采集点所采集的当前PWM占空比进行模糊计算，得出目标PWM占空比。计算得出的目标PWM占空比即为该转速区间内的最优值，对该目标PWM占空比进行存储，并将当前转速与目标PWM占空比进行匹配存储。
在本实施例或其他实施例中，还包括如下方法：将所述当前转速与目标转速相比较，根据所述当前转速与所述目标转速的转速差值更改输入所述直驱电机的PWM占空比。通过调整PWM占空比进行直驱电机的扭矩调整，从而使当前转速达到目标转速，该目标转速为人为设定，即当滚筒达到特定转速时停止加速或进行减速。
在本实施例或其他实施例中，所述负载低于能量收集值时为转速差值为正时，中断PWM输出；负载驱动所述直驱电机转动，为能量回收模块充电。当负载低于特定值时，由于大扭矩的输出会导致转速一直升高，表现为当前转速大于目标转速，需要降低当前转速。因此中断PWM输出，并将直驱电机转变为发电机，以此来实现机械能向电能的转变，并使用能量回收模块对该电能进行存储。
在本实施例或其他实施例中，所述当负载高于能量释放值时为转速差值为负时，将当前直驱电机的PWM占空比更改为下一目标PWM占空比。当负载高于特定值时，即扭矩需要增大以提高转速，表现为当前转速低于目标转速，为保证当前转速的提高，将当前的PWM输出更改为目标PWM占空比输出，以此来得到更优的扭矩；并且更改为下一转速区间中的目标PWM 占空比，实现提前对负载的预判，从而提前增加扭矩，避免了对直驱电机控制的滞后性，使得转速提高速度更快，效率更高。
在本实施例或其他实施例中，当所述转速差值为负时，所述能量回收模块输出存储电能，所述存储电能与所述直驱电机的驱动电能叠加，以驱动所述直驱电机转动。对上一负载变化周期中，负载较小时所收集的能量在该周期中负载较大时进行释放，以提高扭矩，并节省了电能。
在本实施例或其他实施例中，当所述转速差值为负时，关闭所述能量回收模块。首先调节能量回收模块的开关，再对直驱电机的驱动PWM参数进行更改，避免在直驱电机的驱动PWM在输出过程中，对能量回收模块充电，造成电路损坏或电能的消耗过大。
在本实施例或其他实施例中，对同一转速下的更改后的目标PWM占空比进行模糊计算，得出该转速下的标准PWM占空比；在当前转速低于目标转速时，将当前直驱电机的PWM占空比更改为标准PWM占空比。对洗衣机运行过程进行数据的统计，并对所输出的PWM占空比进行不断的优化，得出在该转速下的更优的标准PWM占空比，从而使洗衣机不断的学习，不断的适应，不断的修改自身参数，并不断修正提前量，以提高清洗效率。
根据本实施例实施例，本发明的直驱电机的控制方法通过监控负载的周期性变化规律，对过剩能量进行回收，并将该电能在负载较大时叠加至电机的驱动电能中，以提高扭矩，更加节省电能；
通过负载转动驱动直驱电机来回收过剩能量，并能够起到降速的作用，无需电控刹车，从而进一步节省了电能，优化了控制程序。
解决了传统的控制方案里PID算法中，控制简单粗放、调节滞后的缺陷，本发明采用自学习算法，预判下一时刻的负载，提前调整扭矩，达到避免滞后，即时控制的目的；并在运转过程中不断修正，优化提前量，提高洗衣机的工作效率。
通过本方法实际测试发现，在最优工况下，普通串激电机效率在60％-70％左右，直驱电机可达80％；洗涤效率，使用串激电机时，只有30％左右，使用直驱电机可以达到55-60％；整个工作周期的效率，使用直驱电机，可以节能15％以上。
实施例三
如图3和图4所示，本实施例中的电能回收装置工作原理如下：U、V、 W为电机的3相驱动端口，D_1、D_2、D_3、D_4、D_5、D_6为能量回收整流电路，E_1为回收能量储能元件，D_7、D_8为能量释放电路组成部分， Q_1、Q_2、R_1、R_2、R_3为能量回收电路。MCU通过Q_2来控制Q_1导通与关断，在电机驱动时Q_1处于关断状态电容不充电，当电机惯性超速运转时MCU停止电机驱动，并驱动Q_1导通，电机反向充电构成回路，多余能量通过整流电路对E_1充电，进行能量回收。当电机驱动输出达到峰值时，主回路电容充电速度跟不上放电速度电压会降低，当VBus电压低于 V_recyle电压时，E_1通过D_7、D_8回路进行放电，完成峰值驱动叠加。当检测到转速高于目标转速并且电机驱动PWM为0时，控制触发能量回收。电机每次驱动前先关闭能量回收，在驱动输出，避免主储能电容通过功率器件对能量回收电容E_1充电。
如图5所示的信号处理电路，用于采集的信号处理传递给主控模块，通过芯片内部集成运放、比较器，配合外部电阻电容进行信号处理，节省外部芯片，可以节省布局空间、节省成本。
图6所示为直驱电机的驱动电路，用于驱动直驱电机转动，采用集成一体化芯片，布线简洁、可靠性高。
图7所示为处理模块的电路，用于对整个洗衣机系统进行控制，其引脚功能定义与信号输入、电机驱动输出部分电路一一对应。
图8所示为直驱电机的电源电路，用于为直驱电机和所有控制模块进行供电，其中的R4电阻用于上电浪涌抑制，电容预充电后继电器再闭合导通。
图9所示为通讯电路，用于电机驱动板与主控板进行通讯，采用光耦隔离保护，元件少电路较为简洁，并采用三线通讯，节省一根导线，从而节省电路板的空间，从而节省制作成本。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。
