家用洗衣機(jī)的模糊變頻控制

1、第16卷 第2期 五邑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版） Vol.16 No.2 2002年6月 JOURNAL OF WUYI UNIVERSITY (Natural Science Edition) June 2002 文章編號(hào)：1006-7302（2002）02-0052-06家用洗衣機(jī)的模糊變頻控制佟雨兵，吳今培（五邑大學(xué) 智能技術(shù)與系統(tǒng)研究所，廣東 江門529020）摘要：從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面，系統(tǒng)地介紹了采用MC68HC705單片機(jī)與IPM模塊實(shí)現(xiàn)洗衣機(jī)模糊變頻控制的方法；并對(duì)開發(fā)過程中的某些關(guān)鍵問題給出了較為詳細(xì)的論述.關(guān)鍵詞：模糊控制；PWM；變頻技術(shù)；MCU中圖分類號(hào)：TP271

2、 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A目前，家用洗衣機(jī)已逐漸成為人們生活中不可缺少的部分. 隨著科技的發(fā)展，特別是嵌入式技術(shù)的進(jìn)步，全自動(dòng)、智能化成為洗衣機(jī)產(chǎn)品發(fā)展的趨勢(shì). 同時(shí)，人們對(duì)洗衣質(zhì)量的要求也逐步提高，節(jié)水、省電、洗衣效果好是洗衣機(jī)用戶的整體要求. 一般的家用全自動(dòng)洗衣機(jī)能夠自動(dòng)完成洗滌、漂洗和脫水等功能，但開機(jī)后，需要使用者自己對(duì)衣物重量和衣物質(zhì)地做出判斷并手工設(shè)置諸如洗衣時(shí)間、漂洗方式等洗衣機(jī)控制參數(shù). 這樣做，一方面可能會(huì)因?yàn)閼{主觀設(shè)置參數(shù)帶來較大的誤差，浪費(fèi)資源；另一方面洗滌效果的好壞也并不明顯. 并且，該類洗衣機(jī)中電機(jī)作恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，通過離合器使脫水桶得以高速轉(zhuǎn)動(dòng). 洗滌過程中，僅有水流方式的變化，

3、而沒有電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，不能很好地保證衣物的洗凈度和磨損率，而這在洗滌貴重衣物時(shí)又是必須考慮的.模糊控制能夠模擬人腦的思維方法，總結(jié)專家的經(jīng)驗(yàn). 與常規(guī)方法相比，它具有響應(yīng)快、控制曲面平滑、魯棒性好和易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，較適用于被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型難于求取或無法求取的系統(tǒng)，特別是那些時(shí)變的、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)1 . 洗衣機(jī)中衣物的洗滌過程是通過洗衣機(jī)的機(jī)械部分和電子電路部分一起實(shí)現(xiàn)的. 洗衣過程相對(duì)較為復(fù)雜，精確的數(shù)學(xué)模型很難建立；并且由于洗衣機(jī)的生產(chǎn)工藝、使用時(shí)間和使用環(huán)境等因素的不同，也很難保證洗衣機(jī)的性能和工作狀態(tài)始終一致. 因此，可以采用模糊控制的方法對(duì)洗衣過程中的水位、洗衣粉量、洗滌轉(zhuǎn)速（頻率

4、增量）等受控變量進(jìn)行控制，提高洗衣質(zhì)量. 連續(xù)變頻調(diào)速屬于無級(jí)調(diào)速. 洗衣機(jī)中的電機(jī)采用變頻調(diào)速方法，旨在針對(duì)不同質(zhì)地的衣物，確定不同的洗滌速度和脫水速度，大大降低衣物的磨損率，提高衣服的洗凈度. 同時(shí)，在用水、用電及噪聲處理等方面，采用變頻技術(shù)的洗衣機(jī)的性能也比以前同類產(chǎn)品有所改善. 變頻調(diào)速洗衣機(jī)代表了當(dāng)今洗衣機(jī)技術(shù)的最高水平.為實(shí)現(xiàn)洗衣機(jī)的模糊變頻控制，本文采用常規(guī)8位MOTOROLA單片機(jī)MC68HC705SR3作為主控芯片（MCU），利用軟件實(shí)現(xiàn)模糊控制功能；由單片機(jī)產(chǎn)生PWM（脈沖寬度調(diào)制）信號(hào)作為IPM模塊的逆變電路中IGBT的觸發(fā)信號(hào). 當(dāng)PWM信號(hào)的占空比改變時(shí)，交流電機(jī)定第

5、16卷 第2期 佟雨兵等：家用洗衣機(jī)的模糊變頻控制53子端電源頻率也發(fā)生變化，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就相應(yīng)地得到調(diào)節(jié)2. 本文從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面，著重論述了模糊控制和變頻技術(shù)的結(jié)合及其在洗衣機(jī)中的應(yīng)用. 變壓變頻（VVVF）調(diào)速原理忽略定子漏阻抗壓降時(shí)，交流電動(dòng)機(jī)定子端電動(dòng)勢(shì)方程為：U1=E1=4.44f1W1KW1m； （1） 交流電機(jī)轉(zhuǎn)速表達(dá)式為：60f1(1s). （2） P其中，U1定子相電壓；E1定子每相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值；f1定子端電源頻率（Hz）；W1；n電機(jī)轉(zhuǎn)速；P定子每相繞組串連匝數(shù)；KW1基波繞組系數(shù)；m每極氣隙磁通量（W）n=磁極對(duì)數(shù)；s轉(zhuǎn)差率.電機(jī)調(diào)速時(shí)，氣隙磁通m保持為

6、恒定值是一個(gè)很重要的因素. 磁通太弱，電機(jī)鐵芯沒有充分利用，造成浪費(fèi)；磁通太強(qiáng)，則鐵芯飽和，勵(lì)磁電流增加，造成電機(jī)過熱. 由（1）式可以看出，適當(dāng)?shù)乜刂芔1和f1使U1/f1為常數(shù)，可以達(dá)到控制m的目的，通常這種調(diào)速系統(tǒng)稱為變壓變頻（VVVF）調(diào)速系統(tǒng). 同時(shí)，由（2）式可知，當(dāng)改變定子端電源頻率f1時(shí)，若保持轉(zhuǎn)差率s不變 (實(shí)際中，允許s有較小的波動(dòng))， 則轉(zhuǎn)速n與定子端電源頻率f1將成比例關(guān)系，即可以實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的目的3. 硬件電路設(shè)計(jì)洗衣機(jī)控制器以單片機(jī)為中心，外圍電路從總體上可以分為人機(jī)交互部分、檢測(cè)部分和執(zhí)行輸出部分，系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示.圖洗衣機(jī)控制器硬件框圖其中，主控芯片即微型

7、控制單元MCU，它是控制系統(tǒng)的核心元件，其功能、結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)量和芯片性能等對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性能有很大的影響. 系統(tǒng)中主控芯片型號(hào)為MC68HC705SR3（與MC68HC05SR3兼容）. 該單片機(jī)為8位機(jī)，40引腳，采用DIP封裝， 具有內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換電路、多功能計(jì)時(shí)器，近4K字節(jié)的內(nèi)部存儲(chǔ)空間，其中3.75K字節(jié)的54五邑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版） 2002年OTPROM，128字節(jié)的用戶定義RAM，64字節(jié)RAM專用于堆棧，響應(yīng)5種中斷，能夠完成系統(tǒng)所需的功能. 另外，該類單片機(jī)采用統(tǒng)一編址方式，有10種尋址方式，并帶有大量單字節(jié)指令，可方便尋址，簡(jiǎn)化指令系統(tǒng)，縮短程序長(zhǎng)度4. 人機(jī)交互部分

8、人機(jī)交互部分包括功能鍵、顯示和蜂鳴報(bào)警3個(gè)部分. 功能鍵可以實(shí)現(xiàn)洗衣程序選擇和洗衣參數(shù)設(shè)置. PB7端口外接NPN型三級(jí)管以共射集方式驅(qū)動(dòng)蜂鳴器. 按鍵和顯示電路部分屬于常規(guī)電路設(shè)計(jì)部分5，此處不予重復(fù). 檢測(cè)部分該部分包括電壓過零檢測(cè)、水位檢測(cè)、溫度檢測(cè)、布量檢測(cè)等. 電壓過零檢測(cè)信號(hào)取自全波整流信號(hào)，單片機(jī)可以據(jù)此信號(hào)通過內(nèi)部程序控制可控硅SCR的通斷并發(fā)送PWM信號(hào)到IPM逆變電路的觸發(fā)端子. 水位檢測(cè)采用鑒頻式水位傳感器，溫度檢測(cè)采用熱敏電阻和其它電阻的分壓電路，分壓值經(jīng)過內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換后成為MCU可以處理的數(shù)據(jù).布量檢測(cè)信號(hào)取自電機(jī)相間反電動(dòng)勢(shì)，通過光電耦合器以及相關(guān)放大電路后成為脈

9、沖送入單片機(jī)中. 布量檢測(cè)是利用電機(jī)的發(fā)電制動(dòng)原理，通過測(cè)定電機(jī)的慣性轉(zhuǎn)數(shù)來實(shí)現(xiàn)的6. 電機(jī)在斷電制動(dòng)的過程中處于發(fā)電狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)，即電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生了能量. 單匝線圈中電動(dòng)勢(shì)瞬時(shí)表達(dá)式7為：erq=Cndsin t （3）其中，C比例常數(shù)；n轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；d氣隙磁通；角頻率.隨著轉(zhuǎn)速n的不斷降低，該電動(dòng)勢(shì)波形振蕩性衰減. 衣物量較多時(shí)，阻礙電機(jī)憑慣性旋轉(zhuǎn)的作用就較大，則電機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)的時(shí)間就較短，單片機(jī)所檢測(cè)的通過光電耦合器的電壓波形就較少. 這樣就可以通過對(duì)單片機(jī)檢測(cè)的波形計(jì)數(shù)來反映衣物量的多少. 執(zhí)行輸出部分本部分包括兩個(gè)方面：一是MCU通過功率驅(qū)動(dòng)元件SCR等驅(qū)動(dòng)牽引器、排水閥門、進(jìn)水閥

10、門等；二是MCU與IPM模塊的通信. IPM即集成功率模塊（Integrated Power Module），也稱為智能功率模塊（Intelligent Power Module），實(shí)質(zhì)是一個(gè)變頻器件，采用ACDCAC結(jié)構(gòu)8. 本系統(tǒng)利用軟件產(chǎn)生PWM信號(hào)，并把它作為IPM逆變電路IGBT的觸發(fā)脈沖. 正弦周期信號(hào)（圖2-a中僅畫出正弦波半個(gè)周期的波形）經(jīng)過脈寬調(diào)制后成為等幅值不等寬度的脈沖信號(hào)，如圖2-b所示. 本文采用面積等效法由正弦波生成等幅值的PMW信號(hào). 在圖2-a中，將半個(gè)周期的正弦波沿時(shí)間軸等分為N個(gè)小區(qū)間（N實(shí)際為半周期內(nèi)對(duì)正弦波采樣的次數(shù)），取第k+1個(gè)小區(qū)間則該區(qū)間對(duì)應(yīng)的正

11、弦曲線下的陰影面積為S1=k+1TN2kTUmaxN2sin tdt=Umaxkk+1(cosTcosT)， （4）2ðf2N2N第16卷 第2期 佟雨兵等：家用洗衣機(jī)的模糊變頻控制55與圖2-a中陰影部分相對(duì)應(yīng)，圖2-b中脈沖包圍的面積為S2=×US. （5） 其中，為脈沖寬度，US為脈沖幅值.采用面積等效法，S1=S2，則脈沖寬度為=其中，f為正弦波頻率.IPM逆變電路中，任意一個(gè)時(shí)刻都有兩個(gè)IGBT同時(shí)導(dǎo)通，可以確定IGBT的開關(guān)時(shí)間為：ton= toff=將圖2-a中第k+1個(gè)區(qū)間對(duì)應(yīng)的等效脈沖放大如圖3所示，一個(gè)脈沖含有的信息包 括脈沖的幅度和寬度，本文采用面積等

12、效法 生成的 PMW信號(hào)的幅值是相等的，可以將PWM 信號(hào)的幅值進(jìn)行歸一化處理. 第k+1個(gè)區(qū)間在寬度上可以細(xì)分為四個(gè)小區(qū)間，如 圖3所示，每個(gè)小區(qū)間含有兩項(xiàng)信息：一是該區(qū)間的開關(guān)狀態(tài)，二是該區(qū)間開關(guān)的時(shí)間數(shù)據(jù). 每一項(xiàng)信息用2位十六進(jìn)制數(shù)表示. 這樣，可以把該脈沖所含的信息以數(shù)據(jù)的形式存在單片機(jī)ROM內(nèi)，利用這些數(shù)據(jù)做出PWM 信號(hào).電機(jī)變頻調(diào)速時(shí)，當(dāng)頻率過低時(shí)，需要進(jìn)行電壓補(bǔ)償. 本系統(tǒng)對(duì)變頻裝置U/f控制特性設(shè)定如圖4中曲線2所示. 低頻時(shí)，適當(dāng)?shù)靥Ц叨ㄗ佣穗妷褐罸0，可以增加電機(jī)拖動(dòng)能力9. 進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)抗干擾是必須考慮的一個(gè)問題. 抗干擾問題主要取決于PCB板的電磁兼容性

13、設(shè)計(jì). 單片機(jī)系統(tǒng)中對(duì)噪聲最敏感的信號(hào)有時(shí)鐘信號(hào)、復(fù)位信號(hào)、中斷信號(hào)和控制信號(hào)等，電磁噪聲侵入到這些信號(hào)中，容易干擾MCU，使系統(tǒng)產(chǎn)生誤動(dòng)作，因而這些信號(hào)的抗干擾是需要著重考慮的. 同時(shí)，出于抗干擾性能的要求，PCB板設(shè)計(jì)時(shí)在元件布局、電源及信號(hào)線布線上都有一定的原則可循10 .圖第k+區(qū)間寬分割示意圖圖Uf線初始部分處理1Umaxkk+1(cosTcosT) （6）2ðfUS2N2N1(T) （7） 21(T+) （8） 2f 軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)程序總體上分為主程序和中斷服務(wù)程序兩大類. 主程序完成從開機(jī)啟動(dòng)到洗衣機(jī)操作正常結(jié)束或非正常結(jié)束的整個(gè)過程. 中斷程序完成主程序運(yùn)行過程中，中

14、斷條件允許時(shí)洗衣機(jī)應(yīng)該做的工作. 本部分主要論述利用模糊推理確定變頻增量，在洗衣機(jī)中通過軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)模糊控制與變頻技術(shù)相結(jié)合的方法.模糊檢測(cè)、推理模糊檢測(cè)、推理主要指對(duì)布量進(jìn)行判斷以及由布量和溫度作為推理前件，通過模糊推理得到水位、洗衣粉量、洗衣時(shí)間、脫水時(shí)間和頻率增量的模糊語言值并進(jìn)行反模糊化. 其中布量56五邑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版） 2002年 的判斷是以布量檢測(cè)電路所得的脈沖作為模糊推理前件，采用三角形和半梯形隸屬函數(shù)依據(jù)MAXMIN推理而得到布量值.采用模糊推理確定頻率增量時(shí)，模糊控制器采用雙輸入雙輸出結(jié)構(gòu). 兩個(gè)輸入量為溫度和布量，同時(shí)作為模糊推理前件；輸出量為決定電源頻率高低的數(shù)字

15、量SOURCE. 洗衣機(jī)中電機(jī)采用變頻調(diào)速后，衣物洗滌時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速和脫水時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速是不一樣的. 二者都可以采用同一種隸屬函數(shù)，但一般脫水轉(zhuǎn)速要高于洗衣轉(zhuǎn)速，二者在進(jìn)行模糊推理時(shí)有所不同；同時(shí)還要結(jié)合具體情況考慮，例如洗滌貴重衣物時(shí)，轉(zhuǎn)速高容易損傷衣物等.模糊輸入量采用三角形和半梯形的隸屬函數(shù). 程序中用點(diǎn)斜率法表示三角形隸屬函數(shù)需要3個(gè)字節(jié)：第一個(gè)字節(jié)用于描述三角形的第一個(gè)底點(diǎn)（X軸的坐標(biāo)），第二個(gè)字節(jié)描述三角形的頂點(diǎn)（X軸的坐標(biāo)），第三個(gè)字節(jié)表示三角形的第二個(gè)斜邊線段的斜率. 當(dāng)用點(diǎn)斜率法對(duì)半梯形隸屬函數(shù)描述時(shí)，它們?cè)诖鎯?chǔ)單元中，也要占用三個(gè)字節(jié)：第一、第二頂點(diǎn)和第二斜邊線段的斜率或者第一

16、頂點(diǎn)，第一斜邊線段的斜率和第二頂點(diǎn). 由此，得到布量的隸屬函數(shù)描述如圖5-a所示，溫度隸屬函數(shù)略；而輸出量SOURCE為數(shù)字量，其隸屬函數(shù)如圖5-b所示.布量的隸屬度函數(shù)描述輸出量的隸屬度函數(shù)描述圖輸入、輸出量屬度函數(shù)描述在進(jìn)行洗滌轉(zhuǎn)速的模糊推理時(shí)，采取if andthen的模糊規(guī)則形式，采用Mamdani推理法1. 例如如果布量極少，則洗滌轉(zhuǎn)速低，該控制規(guī)則可以描述如下：IF BU=GL THEN XN=L；如果布量多且水溫高，則洗滌轉(zhuǎn)速高，該控制規(guī)則可以描述如下：IF BU=M AND WT=H THEN XN=H；模糊推理得到的輸出量用于控制時(shí)，必須將其反模糊化. 為了減少運(yùn)算量，又考慮

17、到洗衣控制的特點(diǎn)，程序中采用最大隸屬度法1進(jìn)行反模糊化處理.在模糊控制規(guī)則形成的基礎(chǔ)上，進(jìn)行輸入量模糊化以及輸出量解模糊以后，可以形成一個(gè)可供直接調(diào)用的模糊控制查詢表. 該表略.在單片機(jī)內(nèi)存貯模糊規(guī)則時(shí)，用一個(gè)字節(jié)的高四位表示模糊推理第一前件的語言值，低四位表示第二前件的語言值，相應(yīng)的推理后件也用一個(gè)字節(jié)的低四位表示，而以最高位取1來表示與前件的區(qū)別.軟件抗干擾出于系統(tǒng)抗干擾性能要求，在程序過零中斷服務(wù)程序中插入相關(guān)指令，定期刷新I/O口的數(shù)據(jù)寄存器和方向寄存器，減少系統(tǒng)誤動(dòng)作的可能. 另一方面，為了防止因噪聲干擾導(dǎo)致程序指針指向空存儲(chǔ)單元，特意向這些單元寫入SWI（軟件中斷指令），可以防止程

18、序執(zhí)行時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤的跳轉(zhuǎn).第16卷 第2期 佟雨兵等：家用洗衣機(jī)的模糊變頻控制 57 結(jié)束語本文系統(tǒng)介紹了洗衣機(jī)中利用普通單片機(jī)實(shí)現(xiàn)模糊變頻控制的方法；并就PWM信號(hào)的產(chǎn)生、模糊推理過程及其單片機(jī)實(shí)現(xiàn)和抗干擾設(shè)計(jì)等問題作了較為詳細(xì)的論述. 洗衣機(jī)采用模糊變頻控制后，相對(duì)普通全自動(dòng)洗衣機(jī)來說，雖然機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣結(jié)構(gòu)等略為復(fù)雜，洗衣機(jī)成本有所提高，但洗衣效果好，尤其洗滌貴重衣物時(shí)，可以相應(yīng)地選擇洗滌速度、脫水速度，有效地減輕衣物的磨損. 在調(diào)速、節(jié)能、降噪等方面，變頻技術(shù)有著優(yōu)良的品質(zhì)，相信隨著變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)成本的降低，它的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛；目前，部分家用電器如冰箱、空調(diào)等已經(jīng)在逐步采用變頻技術(shù)了.參

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