家用洗衣機的模糊變頻控制

1、第16卷 第2期 五邑大學學報（自然科學版） Vol.16 No.2 2002年6月 JOURNAL OF WUYI UNIVERSITY (Natural Science Edition) June 2002 文章編號：1006-7302（2002）02-0052-06家用洗衣機的模糊變頻控制佟雨兵，吳今培（五邑大學 智能技術與系統(tǒng)研究所，廣東 江門529020）摘要：從硬件設計和軟件設計兩個方面，系統(tǒng)地介紹了采用MC68HC705單片機與IPM模塊實現(xiàn)洗衣機模糊變頻控制的方法；并對開發(fā)過程中的某些關鍵問題給出了較為詳細的論述.關鍵詞：模糊控制；PWM；變頻技術；MCU中圖分類號：TP271

2、 文獻標識碼：A目前，家用洗衣機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，特別是嵌入式技術的進步，全自動、智能化成為洗衣機產品發(fā)展的趨勢. 同時，人們對洗衣質量的要求也逐步提高，節(jié)水、省電、洗衣效果好是洗衣機用戶的整體要求. 一般的家用全自動洗衣機能夠自動完成洗滌、漂洗和脫水等功能，但開機后，需要使用者自己對衣物重量和衣物質地做出判斷并手工設置諸如洗衣時間、漂洗方式等洗衣機控制參數(shù). 這樣做，一方面可能會因為憑主觀設置參數(shù)帶來較大的誤差，浪費資源；另一方面洗滌效果的好壞也并不明顯. 并且，該類洗衣機中電機作恒速運轉，通過離合器使脫水桶得以高速轉動. 洗滌過程中，僅有水流方式的變化，

3、而沒有電機的轉速調節(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又是必須考慮的.模糊控制能夠模擬人腦的思維方法，總結專家的經驗. 與常規(guī)方法相比，它具有響應快、控制曲面平滑、魯棒性好和易于實現(xiàn)等優(yōu)點，較適用于被控對象的數(shù)學模型難于求取或無法求取的系統(tǒng)，特別是那些時變的、非線性的復雜系統(tǒng)1 . 洗衣機中衣物的洗滌過程是通過洗衣機的機械部分和電子電路部分一起實現(xiàn)的. 洗衣過程相對較為復雜，精確的數(shù)學模型很難建立；并且由于洗衣機的生產工藝、使用時間和使用環(huán)境等因素的不同，也很難保證洗衣機的性能和工作狀態(tài)始終一致. 因此，可以采用模糊控制的方法對洗衣過程中的水位、洗衣粉量、洗滌轉速（頻率

4、增量）等受控變量進行控制，提高洗衣質量. 連續(xù)變頻調速屬于無級調速. 洗衣機中的電機采用變頻調速方法，旨在針對不同質地的衣物，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，在用水、用電及噪聲處理等方面，采用變頻技術的洗衣機的性能也比以前同類產品有所改善. 變頻調速洗衣機代表了當今洗衣機技術的最高水平.為實現(xiàn)洗衣機的模糊變頻控制，本文采用常規(guī)8位MOTOROLA單片機MC68HC705SR3作為主控芯片（MCU），利用軟件實現(xiàn)模糊控制功能；由單片機產生PWM（脈沖寬度調制）信號作為IPM模塊的逆變電路中IGBT的觸發(fā)信號. 當PWM信號的占空比改變時，交流電機定第

5、16卷 第2期 佟雨兵等：家用洗衣機的模糊變頻控制53子端電源頻率也發(fā)生變化，電機的轉速就相應地得到調節(jié)2. 本文從硬件設計和軟件設計兩個方面，著重論述了模糊控制和變頻技術的結合及其在洗衣機中的應用. 變壓變頻（VVVF）調速原理忽略定子漏阻抗壓降時，交流電動機定子端電動勢方程為：U1=E1=4.44f1W1KW1m； （1） 交流電機轉速表達式為：60f1(1s). （2） P其中，U1定子相電壓；E1定子每相感應電動勢的有效值；f1定子端電源頻率（Hz）；W1；n電機轉速；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=磁極對數(shù)；s轉差率.電機調速時，氣隙磁通m保持為

6、恒定值是一個很重要的因素. 磁通太弱，電機鐵芯沒有充分利用，造成浪費；磁通太強，則鐵芯飽和，勵磁電流增加，造成電機過熱. 由（1）式可以看出，適當?shù)乜刂芔1和f1使U1/f1為常數(shù)，可以達到控制m的目的，通常這種調速系統(tǒng)稱為變壓變頻（VVVF）調速系統(tǒng). 同時，由（2）式可知，當改變定子端電源頻率f1時，若保持轉差率s不變 (實際中，允許s有較小的波動)， 則轉速n與定子端電源頻率f1將成比例關系，即可以實現(xiàn)變頻調速的目的3. 硬件電路設計洗衣機控制器以單片機為中心，外圍電路從總體上可以分為人機交互部分、檢測部分和執(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、結構、存儲量和芯片性能等對整個系統(tǒng)的結構和性能有很大的影響. 系統(tǒng)中主控芯片型號為MC68HC705SR3（與MC68HC05SR3兼容）. 該單片機為8位機，40引腳，采用DIP封裝， 具有內部A/D轉換電路、多功能計時器，近4K字節(jié)的內部存儲空間，其中3.75K字節(jié)的54五邑大學學報（自然科學版） 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5種中斷，能夠完成系統(tǒng)所需的功能. 另外，該類單片機采用統(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，簡化指令系統(tǒng)，縮短程序長度4. 人機交互部分

8、人機交互部分包括功能鍵、顯示和蜂鳴報警3個部分. 功能鍵可以實現(xiàn)洗衣程序選擇和洗衣參數(shù)設置. PB7端口外接NPN型三級管以共射集方式驅動蜂鳴器. 按鍵和顯示電路部分屬于常規(guī)電路設計部分5，此處不予重復. 檢測部分該部分包括電壓過零檢測、水位檢測、溫度檢測、布量檢測等. 電壓過零檢測信號取自全波整流信號，單片機可以據(jù)此信號通過內部程序控制可控硅SCR的通斷并發(fā)送PWM信號到IPM逆變電路的觸發(fā)端子. 水位檢測采用鑒頻式水位傳感器，溫度檢測采用熱敏電阻和其它電阻的分壓電路，分壓值經過內部A/D轉換后成為MCU可以處理的數(shù)據(jù).布量檢測信號取自電機相間反電動勢，通過光電耦合器以及相關放大電路后成為脈

9、沖送入單片機中. 布量檢測是利用電機的發(fā)電制動原理，通過測定電機的慣性轉數(shù)來實現(xiàn)的6. 電機在斷電制動的過程中處于發(fā)電狀態(tài)，會產生反向電動勢，即電動機產生了能量. 單匝線圈中電動勢瞬時表達式7為：erq=Cndsin t （3）其中，C比例常數(shù)；n轉子轉速；d氣隙磁通；角頻率.隨著轉速n的不斷降低，該電動勢波形振蕩性衰減. 衣物量較多時，阻礙電機憑慣性旋轉的作用就較大，則電機繼續(xù)旋轉的時間就較短，單片機所檢測的通過光電耦合器的電壓波形就較少. 這樣就可以通過對單片機檢測的波形計數(shù)來反映衣物量的多少. 執(zhí)行輸出部分本部分包括兩個方面：一是MCU通過功率驅動元件SCR等驅動牽引器、排水閥門、進水閥

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），實質是一個變頻器件，采用ACDCAC結構8. 本系統(tǒng)利用軟件產生PWM信號，并把它作為IPM逆變電路IGBT的觸發(fā)脈沖. 正弦周期信號（圖2-a中僅畫出正弦波半個周期的波形）經過脈寬調制后成為等幅值不等寬度的脈沖信號，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. 在圖2-a中，將半個周期的正弦波沿時間軸等分為N個小區(qū)間（N實際為半周期內對正弦波采樣的次數(shù)），取第k+1個小區(qū)間則該區(qū)間對應的正

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：家用洗衣機的模糊變頻控制55與圖2-a中陰影部分相對應，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，任意一個時刻都有兩個IGBT同時導通，可以確定IGBT的開關時間為：ton= toff=將圖2-a中第k+1個區(qū)間對應的等效脈沖放大如圖3所示，一個脈沖含有的信息包 括脈沖的幅度和寬度，本文采用面積等

12、效法 生成的 PMW信號的幅值是相等的，可以將PWM 信號的幅值進行歸一化處理. 第k+1個區(qū)間在寬度上可以細分為四個小區(qū)間，如 圖3所示，每個小區(qū)間含有兩項信息：一是該區(qū)間的開關狀態(tài)，二是該區(qū)間開關的時間數(shù)據(jù). 每一項信息用2位十六進制數(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ROM內，利用這些數(shù)據(jù)做出PWM 信號.電機變頻調速時，當頻率過低時，需要進行電壓補償. 本系統(tǒng)對變頻裝置U/f控制特性設定如圖4中曲線2所示. 低頻時，適當?shù)靥Ц叨ㄗ佣穗妷褐罸0，可以增加電機拖動能力9. 進行硬件電路設計時，系統(tǒng)抗干擾是必須考慮的一個問題. 抗干擾問題主要取決于PCB板的電磁兼容性

13、設計. 單片機系統(tǒng)中對噪聲最敏感的信號有時鐘信號、復位信號、中斷信號和控制信號等，電磁噪聲侵入到這些信號中，容易干擾MCU，使系統(tǒng)產生誤動作，因而這些信號的抗干擾是需要著重考慮的. 同時，出于抗干擾性能的要求，PCB板設計時在元件布局、電源及信號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 軟件設計本系統(tǒng)程序總體上分為主程序和中斷服務程序兩大類. 主程序完成從開機啟動到洗衣機操作正常結束或非正常結束的整個過程. 中斷程序完成主程序運行過程中，中

14、斷條件允許時洗衣機應該做的工作. 本部分主要論述利用模糊推理確定變頻增量，在洗衣機中通過軟件設計實現(xiàn)模糊控制與變頻技術相結合的方法.模糊檢測、推理模糊檢測、推理主要指對布量進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、洗衣時間、脫水時間和頻率增量的模糊語言值并進行反模糊化. 其中布量56五邑大學學報（自然科學版） 2002年 的判斷是以布量檢測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，模糊控制器采用雙輸入雙輸出結構. 兩個輸入量為溫度和布量，同時作為模糊推理前件；輸出量為決定電源頻率高低的數(shù)字

15、量SOURCE. 洗衣機中電機采用變頻調速后，衣物洗滌時的電機轉速和脫水時電機的轉速是不一樣的. 二者都可以采用同一種隸屬函數(shù)，但一般脫水轉速要高于洗衣轉速，二者在進行模糊推理時有所不同；同時還要結合具體情況考慮，例如洗滌貴重衣物時，轉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). 程序中用點斜率法表示三角形隸屬函數(shù)需要3個字節(jié)：第一個字節(jié)用于描述三角形的第一個底點（X軸的坐標），第二個字節(jié)描述三角形的頂點（X軸的坐標），第三個字節(jié)表示三角形的第二個斜邊線段的斜率. 當用點斜率法對半梯形隸屬函數(shù)描述時，它們在存儲單元中，也要占用三個字節(jié)：第一、第二頂點和第二斜邊線段的斜率或者第一

16、頂點，第一斜邊線段的斜率和第二頂點. 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)描述在進行洗滌轉速的模糊推理時，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，必須將其反模糊化. 為了減少運算量，又考慮

17、到洗衣控制的特點，程序中采用最大隸屬度法1進行反模糊化處理.在模糊控制規(guī)則形成的基礎上，進行輸入量模糊化以及輸出量解模糊以后，可以形成一個可供直接調用的模糊控制查詢表. 該表略.在單片機內存貯模糊規(guī)則時，用一個字節(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，相應的推理后件也用一個字節(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程序中插入相關指令，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)誤動作的可能. 另一方面，為了防止因噪聲干擾導致程序指針指向空存儲單元，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)行時發(fā)生錯誤的跳轉.第16卷 第2期 佟雨兵等：家用洗衣機的模糊變頻控制 57 結束語本文系統(tǒng)介紹了洗衣機中利用普通單片機實現(xiàn)模糊變頻控制的方法；并就PWM信號的產生、模糊推理過程及其單片機實現(xiàn)和抗干擾設計等問題作了較為詳細的論述. 洗衣機采用模糊變頻控制后，相對普通全自動洗衣機來說，雖然機械結構和電氣結構等略為復雜，洗衣機成本有所提高，但洗衣效果好，尤其洗滌貴重衣物時，可以相應地選擇洗滌速度、脫水速度，有效地減輕衣物的磨損. 在調速、節(jié)能、降噪等方面，變頻技術有著優(yōu)良的品質，相信隨著變頻技術實現(xiàn)成本的降低，它的應用會越來越廣泛；目前，部分家用電器如冰箱、空調等已經在逐步采用變頻技術了.參

19、考文獻：1 汪培莊. 模糊集合論及其應用M. 上海: 上?？茖W出版社，1983.2 JOACHIM HOLTZ. Pulse width Modulation for Electronic Power Conversion J. Proceedings of the IEEE,1994, 82(8): 1194-1214.3 陳伯時. 交流調速系統(tǒng)M. 北京：機械工業(yè)出版社，1997.12.4MOTORALA MC68HC05 TECHNICAL DATAZ. USA: MOTOROLA LTD.，1996.5 余永權. 單片機應用系統(tǒng)的功率接口技術M. 北京：北京航空航天大學出版社，1992.6 余永權. 模糊控制技術與模糊家用電器 M.北京：北京航空航天大學出版社，2000.7 顧繩谷. 電機及拖動基礎 M. 北京：機械工業(yè)出版社，1995.5.8Karl H Edelmoser，F(xiàn)elix A Himmelstoss. Analysis of a New High-Efficiency DC-to-AC Inverter J. IEEETransactions On Power Electronics. 1999，14(3):