论文总字数：20013字

摘 要

本文主要研究的是基于滑模观测器的洗衣机电机控制，具体针对对象是基于永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor——PMSM）的洗衣机系统。

滚筒洗衣机的洗衣方法是模仿棒槌敲击衣服，从而将泥垢与衣物分离。滚筒洗衣机的主要是由不锈钢的内筒，高度自动化的洗衣控制程序，经过若干特殊工艺打造的外壳，若干用于平衡滚筒旋转时产生的巨大离心力的巨大水泥块组成。

永磁同步电机的构造使得它具有如下特点：体积小、强耦合、能耗低、对环境适应性好、可靠性高、精度高等诸多优点。正因为如此，永磁同步电机越来越受到人们的欢迎。

本文在做了调查之后，主要介绍了洗衣机的原理、发展状况以及对未来使用状况的估计；其次介绍了永磁同步电机的构造和原理，详细推算了永磁同步电机的矢量控制数学模型，并对其做出了simulink仿真图。在最后一章做了一些关于滑模观测器的研究报告，解释了他的工作原理并对画出了他的仿真图，对仿真结果分析之后做了适当的调整改。

关键词：洗衣机 永磁同步电机 无传感器 滑模观测器 矢量控制 转子转速

Study on control system of SENSORLESS washing machine

Abstract

The article is mainly about how to control the motor of washing machine without using a sensor.More precisely, my study object is permanent magnet synchronous motor of drum washing machine.

The working method of a drum washing machine is to imitate stick hammer to hit clothes. By this way, the dirt will be separated from clothes. The drum washine machine is made of stainless steel inner barrel, mechanical program controller, a shell protected by phosphating, electrophoresis and spraying, and some bulky cement blocks whitch is used to resist the huge centrifugal force created from high speed rotating roller.

The permanent magnet synchronous motor has the character of small volume, strong coupling, low energy consumption, good adaptability to environment, high reliability and high accuracy. As a result of so many advantages, PMSM has received more and more attention and has been more and more popular with practical application.

After the investigation, my paper mainly introduces the principle and developing status of the washing machine and the estimation of the future usage. Then the paper introduces the structure and principle of permanent magnet synchronous motor. The vector control mathematics model of permanent magnet synchronous motor is calculated in detail and is simulinked in matlab. In the last chapter, some research reports on the sliding mode observer are made, some working principle and simulation chart are also explained. In the end, the paper gives methods to improve the traditional sliding mode observer.

KEYWORDS: washing machine，PMSM , sensorless, sliding mode observer, parke inverse transform, vector control, rotor position

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 项目背景 1

1.1.1 目标 1

1.1.2 项目背景和意义 1

1.2 洗衣机的发展状况 2

1.2.1 波轮洗衣机 2

1.2.2 滚筒洗衣机 4

1.3 永磁同步电机的发展状况 7

1.4 方案分析 8

1.4.1 运行环境 8

1.4.2 设计内容划分 8

1.4.3 功能描述 8

1.5 项目安排 8

1.5.1项目思路 8

1.5.2章节布局 9

第2章 传统的洗衣机控制 10

2.1 永磁同步电机结构分析 10

2.1.1 永磁同步电机的分类和构造 10

2.1.2 永磁同步电机的数学模型 11

2.2 两种坐标变换 12

2.2.1 系统结构图 12

2.3 永磁同步电机的数学表达式模型及控制方法 13

2.3.1 永磁同步电机的数学模型 13

2.3.2 矢量控制永磁同步电机方法的一些举例 14

2.4 永磁同步电机矢量控制实现 16

如图2.4是永磁同步电机的矢量控制系统框图 16

第3章 无传感器的洗衣机控制 19

3.1 滑模观测的理论基础 19

3.1.1 引言 19

3.1.2 滑模观测器的运行原理 19

3.2 基于滑模观测器的PMSM控制 20

3.2.1 数学模型 20

参考文献 26

致谢 27

绪论

项目背景

目标

本毕业设计的最终目标是实现洗衣机的无传感器控制，实现途径是使用滑模观测器（Sliding Mode Observer，SMO）取代机械传感器，将滑模观测器作为反馈环节估测出洗衣机电机的转子转速，最终实现对洗衣机电机的转速控制。但是在本文中，对于实践还有一些条件不足，故暂时只做了无传感器的永磁同步电机的simulink仿真，通过调节PI环节的参数和滑模观测器的参数，能实现对转子位置的精确控制，并且具有一定的抗干扰能力，最后提供有传感器和无传感器转速仿真曲线、有传感器和无传感器的位置（角度）仿真曲线，以及有传感器和无传感器的仿真曲线对比。

项目背景和意义

在21世纪，节能节水已经成为了耳熟能详的口号，为了做到这一点，不仅工业大机器要更新工作原理工作方式，而且我们日常所需的交通工具、家用家电都要升级更新。洗衣机几乎是每个家庭必备的家用电器，这就是的它成为了节能节水的一个必要环节。据数据统计，用于风机、水泵、空调、冰箱、洗衣机、电梯和传输等应用领域的电动机消耗着全球半数以上的电能[4]，原因是其中很多电器的电机控制落后，只能做到简单的开启关断，而这是非常损耗电能的。仅仅在家用电器中使用变频技术就能使这些电机的工作效率提高至原先的2.5倍。如果再使用无传感器的控制方法来控制洗衣机内桶的转速，那工作效率将又会提高2倍，总的工作效率就是原先的5倍，节能方面将产生非一般的成果。

洗衣机在过去十年里还不是非常普及，但是如今几乎家家必备洗衣机。毕竟现代人整天忙于工作，没有太多的时间去洗衣服，洗衣机的普及使得很多家庭主妇省去了很多时间，缓解了他们在家务劳动上过多的压力。放眼未来，洗衣机从过去的不普及到现在普及，照这种轨迹发展下去，将来的情况将会是洗衣机从现在的低性能到未来的高性能。普通的洗衣机将不能满足未来的需要。

无传感器的滚筒洗衣机在节能节水方面的优点是任何洗衣机都无法撼动的，在加上滚筒洗衣机对衣物的磨损量小，单次洗涤量大，可以洗涤高档衣物等优势，极有可能成为将来的主流洗衣机。滚筒洗衣机已经有八十多年的历史，在洗涤方面的技术可以说一流，如果继续新增一些更高级的功能，将会备受欢迎。大致的方向有洗涤效率，对衣物的保养，杀菌消毒等等[2]。

自二十世纪八十年代，就有很多学者开始研究无传感器的永磁同步电机控制方法。直至今日，该项技术研究已经有些成果，现在的大致情况就是：对于PMSM的控制要分两个速度区间，一个是低速的无传感器控制，一个是中高速的无传感控制，但是如果要实现全速范围的电机控制，目前的研究成果还不是太成熟。不管怎么说，该技术在很大程度上保证了传感器的不必要安装，而且很多实际应用中并不需要永磁同步电机的全速控制。本文的滚筒洗衣机控制就属于中高速的无传感器永磁同步电机控制。

无传感器的永磁同步电机控制有利于提高和改善交流调速系统的控制性能，国内外的专家学者尝试了多种控制方法，目前比较常见的有:自适应控制、非线性反馈线性化控制、滑模变结构控制等等[8]。

无传感器相对于有传感器的好处是：适应性强，无传感器控制很少会受到环境的限制，他的动态特性、稳态误差等控制效果受温度、湿度、电磁噪声等因素的影响很小。这是非常可喜的，这样就能大大提高电机控制过程的精度。而且无传感器器的控制方法只是在控制环节中使用了一种新的算法，需要增加的成本仅仅是电脑中的一点点内存，省去的成本确实价值昂贵的传感器及其安装成本。

关于无传感器的PMSM控制，国内外都有一些进展。国外的研究展开时间较早，早在1993年，美国威斯康星大学就有教授Lorenz提出高频信号注入法，这是一种低转速时的电机控制方法，需要电机具有较强的凸极极性。该教授近年来又在研究中高速的电机控制方法。在1995年，韩国Seung-ki教授提出了多种可用于无传感器电机控制的方法。意大利、日本、斯洛伐克、巴西等等国家也有所研究。

我国对无传感器的电机控制研究起步比较晚，是近几年才逐渐热火起来。清华大学、沈阳工业大学、南航、天大、浙大许多大学都有发表过相关论文，对于无传感器的电机控制有较大的改进和拓展并受到国外的重视。

洗衣机的发展状况

波轮洗衣机

洗衣机分两种，一种是波轮洗衣机，波轮洗衣机是比较常见的洗衣机，它是由日本人发明的，是典型的日式洗衣机，许多大学的洗衣房就是这种洗衣机。波轮洗衣机的重要结构是桶底的一个圆盘波轮，上面装有凸起来用于增大摩擦的筋。如图1.1中的圆盘波轮就有五道凸起的筋。图1.2为是滚筒洗衣机的工作原理图。

图1.1 波轮洗衣机

图1.2 波轮洗衣机的工作原理图

当洗衣机工作时，波轮正反转动，带动桶内的水流正反转动，水流又带动衣服的正反转动，并且让衣物漂浮起来。这样，在水流的冲击、衣服间摩擦、衣物与桶壁间摩擦的作用下，很容易就能将衣物洗干净。波轮洗衣机的优点是1.结构简单，维修方便，洗净率高，操作也方便，用电量低。操作方便是波轮洗衣机最大的优点，即使是上了年纪的人，使用起来也非常轻松；另外，如果您在洗涤过程中发现还有衣物没有放入洗衣机，可以随时打开洗衣机盖子添加，这一点相较于滚筒洗衣机来说要略胜一筹。2.波轮洗衣机还有一个优点就是省电，在洗衣过程中，可以直接用冷水浸泡衣物一段时间就直接清洗而且洗涤效果不错。但是如今的科技已经使得很多滚筒洗衣机带有变频技术，这样就缩短了波轮和滚筒洗衣机在好点方面的优势。3.波轮洗衣机机箱整体比较轻，也算是一个优点，这比较方便搬运，对于讲究生活效率，平时生活很忙，生活空间又狭小的人来说，波轮洗衣机是最恰当的选择。4.波轮洗衣机价格低廉，一般玖佰元元就能买到一台以供家庭使用。5洗涤时间快，如果是双缸洗衣机，单次洗衣时间只需十分钟左右，一般的全自动波轮洗衣机整个流程下来也只需四十分钟。缺点是1.波轮洗衣机的用水量很大，这与节水的口号相违背，当代社会很多文明人尤其是是一些拥有根深蒂固思想的老年人是极其反对的。2.而且它的洗衣方法容易造成衣物缠绕，对衣物的损害大，不适宜清洗一些羊毛羊绒、真丝等高档衣物。对于这些衣物，只能单独送到特定的洗衣房中。

滚筒洗衣机

另一种洗衣机是滚筒洗衣机，也是本文所选择的洗衣机，它是由欧洲人发明的。滚筒洗衣机的大致构造就是一个横放的不锈钢滚筒，一个精确控制洗衣机电机的自动控制程序，一个经过多重工艺打磨的合金壳，若干用于减小洗衣机振动的水泥石块。如图1.3为滚筒洗衣机外部示意图，图1.4为滚筒洗衣机的内桶及其工作原理。

图1.3 滚筒洗衣机

图1.4 滚筒洗衣机的工作原理

不锈钢内桶不用多说，就是放衣服的，与波轮洗衣机不同的是波轮洗衣机的内桶是竖着的，而滚筒洗衣机是横着的，波轮洗衣机的凸起的筋在桶底的圆盘波轮上，而滚筒洗衣机的凸起的筋在滚筒的桶壁上。水泥块的作用是平衡离心力，因为滚筒的转速比较快，所产生的离心力相当大。滚筒洗衣机的洗衣方法是模仿手搓，或者说是模仿木棒拍打衣物，滚筒洗衣机开始工作时，在滚筒的摩擦力和离心力的共同作用下，桶壁带动衣物旋转上升，上升到一定高度时衣物在在重力作用下掉落桶底，这样不断循环往复，加上洗衣粉和水的共同作用，衣服就洗干净了。显然，最好洗涤方式就是衣物上升到滚筒的顶点时掉线来，这样洗涤的力度大，洗净速度快，对滚筒的大小也有着较好的利用。要控制衣物在滚筒的顶点掉下来，关键就是要控制滚筒的转速，这个转速称之为临界转速，超过临界转速，衣物就会一直沿着滚桶壁旋转而不会掉落，低于这个转速，衣物会上升到一定高度就会掉落或过早掉落，导致衣服洗不干净，洗衣效率低。出于该转速时，衣物在上升到滚筒顶点时，自身的重力和旋转产生的离心力平衡，也不会从滚桶壁自然掉落，所以在实际控制系统中，可以将参考转速设定为比临界转速稍微小一点[11]。

滚筒洗衣机的优点是1.洗衣机质量可靠，滚筒洗衣机的发展时间比较长，至今已有八十余年了，在这八十多年里，技术上肯定得到了很大的进步，尽管如此，滚筒洗衣机的基本结构上与八十年前并没有多大差别，结构仍然是前文提到的四样东西：（一）不锈钢制成的滚筒，（二）控制洗衣机电机的自动控制程序，（三）经过多重特殊工艺加工的表壳，（四）用于减小洗衣机工作时产生振动的笨重水泥石块。滚筒洗衣机的构造基本都是一些经过特殊工艺保护的合金、钢铁，因此它的保质期也就是使用寿命非常长，使用个十五来年都非常常见，这于主要构造是塑料器件的波轮洗衣机相比，滚筒洗衣机的寿命要长的多得多。2.制作精巧紧凑，滚筒洗衣机的外形美观，给人一种光明和空灵的感觉，更为适宜室内家居环境，可以像开放式厨房一样放置。滚筒洗衣机虽然在重量上比波轮洗衣机重很多，但体积上却并不是这样，实际上平时长剑的滚筒洗衣机的占地面积只有波轮洗衣机的占地面积的一般，对于房价如天价的当今社会，节省一平方米的面积就能节省上千上万元，此外，滚筒洗衣机的重量也给人一种使用安全的感觉，这与实际情况是一致的，而且使用起来也比较方便。3.节约用水，滚筒洗衣机一般用水量只有波轮洗衣机的三分之一，因为滚筒洗衣机的工作原理是拍击衣服，将衣服旋转上升至一定高度，再让衣物自然掉落滚筒底部的积水中，而滚筒洗衣机的底部所需盛水不需要很多，不仅如此，滚筒洗衣机还采用节水技术，在浸泡漂洗拍击的整个洗衣过程中，能节约不少用水，而且这个过程中衣物的磨损率很低，没有缠绕，洗的也非常干净，可以说，滚筒洗衣机的一份水抵得上波轮洗衣机的三份用水，实际洗衣中，滚筒洗衣机每洗一千克衣物消耗的用水为十升。4.整个洗衣过程衣物无缠绕，对衣物的损坏率小，与波轮洗衣机相比要小百分之十，对于洗涤羊绒、羊毛、真丝等衣物，可以放心全面洗涤。滚筒洗衣机针对于洗涤效果还设计了加热功能，方便洗衣粉的加速溶解，使泡沫与衣物充分接触，增大洗衣粉的洗净效果。此外，滚筒洗衣机还有波轮洗衣机所不具备的消毒杀菌功能，衣物烘干功能，对于有着不同生活习惯不同经济状况的消费者的需求。缺点是：1.滚筒洗衣机的洗衣时间很长，一般要一个半小时，而波轮洗衣机只需要四十分钟。2.滚筒洗衣机自身构造都是很重的器件，比较笨重，不易被移动，位置更需固定。3.在用冷水洗涤的情况下洗涤效果没有波轮洗衣机好。4.耗电量大，不仅洗衣机本身耗电，对衣物干净度要求高的使用者必须使用热水才能满足其要求，洗衣机对洗衣水加热需要较多电能。总的来说，滚筒洗衣机适合经济水平较高的家庭使用，对于努力发展小康社会的我国，实用性还是很大的。本文选择研究的洗衣机正是滚筒洗衣机，由于滚筒洗衣机的节水能力已经非常强大，所以本文致力于研究怎样降低滚筒洗衣机的能耗。而且滚筒洗衣机的很多缺点也不是很大，对于洗衣时间长，可以在洗衣的时候不去管它，完全没有任何问题；对于机身笨重，很多情况下洗衣机都是放在卫生间里的，并不需要搬动；对于冷水洗衣效果差，可以看如下效果图。对于一般的衣物，洗涤相差也不是很大。

图1.5 效果对比图

永磁同步电机的发展状况

永磁同步电机（Permanent magnet synchronous machines,简称PMSM）在工业伺服领域已经使用许多年。因为这种电机采用的是永磁转子，和同样大小的感应电机相比，可以输出非常高的连续力矩，所以性能上是非常好的。但是，使用永磁同步电机必须用霍尔传感器或者旋转变压器等位置传感器来测量他的转子位置，而这种需求对于现在的技术水平要求是非常苛刻的，一次，永磁同步电机按虽然性能好，但是它的应用领域值局限于高端工业。

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