家用洗衣机的模糊变频控制

1、第16卷 第2期 五邑大学学报（自然科学版） Vol.16 No.2 2002年6月 JOURNAL OF WUYI UNIVERSITY (Natural Science Edition) June 2002 文章编号：1006-7302（2002）02-0052-06家用洗衣机的模糊变频控制佟雨兵，吴今培（五邑大学 智能技术与系统研究所，广东 江门529020）摘要：从硬件设计和软件设计两个方面，系统地介绍了采用MC68HC705单片机与IPM模块实现洗衣机模糊变频控制的方法；并对开发过程中的某些关键问题给出了较为详细的论述.关键词：模糊控制；PWM；变频技术；MCU中图分类号：TP271

2、 文献标识码：A目前，家用洗衣机已逐渐成为人们生活中不可缺少的部分. 随着科技的发展，特别是嵌入式技术的进步，全自动、智能化成为洗衣机产品发展的趋势. 同时，人们对洗衣质量的要求也逐步提高，节水、省电、洗衣效果好是洗衣机用户的整体要求. 一般的家用全自动洗衣机能够自动完成洗涤、漂洗和脱水等功能，但开机后，需要使用者自己对衣物重量和衣物质地做出判断并手工设置诸如洗衣时间、漂洗方式等洗衣机控制参数. 这样做，一方面可能会因为凭主观设置参数带来较大的误差，浪费资源；另一方面洗涤效果的好坏也并不明显. 并且，该类洗衣机中电机作恒速运转，通过离合器使脱水桶得以高速转动. 洗涤过程中，仅有水流方式的变化，

3、而没有电机的转速调节，不能很好地保证衣物的洗净度和磨损率，而这在洗涤贵重衣物时又是必须考虑的.模糊控制能够模拟人脑的思维方法，总结专家的经验. 与常规方法相比，它具有响应快、控制曲面平滑、鲁棒性好和易于实现等优点，较适用于被控对象的数学模型难于求取或无法求取的系统，特别是那些时变的、非线性的复杂系统1 . 洗衣机中衣物的洗涤过程是通过洗衣机的机械部分和电子电路部分一起实现的. 洗衣过程相对较为复杂，精确的数学模型很难建立；并且由于洗衣机的生产工艺、使用时间和使用环境等因素的不同，也很难保证洗衣机的性能和工作状态始终一致. 因此，可以采用模糊控制的方法对洗衣过程中的水位、洗衣粉量、洗涤转速（频率

4、增量）等受控变量进行控制，提高洗衣质量. 连续变频调速属于无级调速. 洗衣机中的电机采用变频调速方法，旨在针对不同质地的衣物，确定不同的洗涤速度和脱水速度，大大降低衣物的磨损率，提高衣服的洗净度. 同时，在用水、用电及噪声处理等方面，采用变频技术的洗衣机的性能也比以前同类产品有所改善. 变频调速洗衣机代表了当今洗衣机技术的最高水平.为实现洗衣机的模糊变频控制，本文采用常规8位MOTOROLA单片机MC68HC705SR3作为主控芯片（MCU），利用软件实现模糊控制功能；由单片机产生PWM（脉冲宽度调制）信号作为IPM模块的逆变电路中IGBT的触发信号. 当PWM信号的占空比改变时，交流电机定第

5、16卷 第2期 佟雨兵等：家用洗衣机的模糊变频控制53子端电源频率也发生变化，电机的转速就相应地得到调节2. 本文从硬件设计和软件设计两个方面，着重论述了模糊控制和变频技术的结合及其在洗衣机中的应用. 变压变频（VVVF）调速原理忽略定子漏阻抗压降时，交流电动机定子端电动势方程为：U1=E1=4.44f1W1KW1m； （1） 交流电机转速表达式为：60f1(1s). （2） P其中，U1定子相电压；E1定子每相感应电动势的有效值；f1定子端电源频率（Hz）；W1；n电机转速；P定子每相绕组串连匝数；KW1基波绕组系数；m每极气隙磁通量（W）n=磁极对数；s转差率.电机调速时，气隙磁通m保持为

6、恒定值是一个很重要的因素. 磁通太弱，电机铁芯没有充分利用，造成浪费；磁通太强，则铁芯饱和，励磁电流增加，造成电机过热. 由（1）式可以看出，适当地控制U1和f1使U1/f1为常数，可以达到控制m的目的，通常这种调速系统称为变压变频（VVVF）调速系统. 同时，由（2）式可知，当改变定子端电源频率f1时，若保持转差率s不变 (实际中，允许s有较小的波动)， 则转速n与定子端电源频率f1将成比例关系，即可以实现变频调速的目的3. 硬件电路设计洗衣机控制器以单片机为中心，外围电路从总体上可以分为人机交互部分、检测部分和执行输出部分，系统硬件框图如图1所示.图洗衣机控制器硬件框图其中，主控芯片即微型

7、控制单元MCU，它是控制系统的核心元件，其功能、结构、存储量和芯片性能等对整个系统的结构和性能有很大的影响. 系统中主控芯片型号为MC68HC705SR3（与MC68HC05SR3兼容）. 该单片机为8位机，40引脚，采用DIP封装， 具有内部A/D转换电路、多功能计时器，近4K字节的内部存储空间，其中3.75K字节的54五邑大学学报（自然科学版） 2002年OTPROM，128字节的用户定义RAM，64字节RAM专用于堆栈，响应5种中断，能够完成系统所需的功能. 另外，该类单片机采用统一编址方式，有10种寻址方式，并带有大量单字节指令，可方便寻址，简化指令系统，缩短程序长度4. 人机交互部分

8、人机交互部分包括功能键、显示和蜂鸣报警3个部分. 功能键可以实现洗衣程序选择和洗衣参数设置. PB7端口外接NPN型三级管以共射集方式驱动蜂鸣器. 按键和显示电路部分属于常规电路设计部分5，此处不予重复. 检测部分该部分包括电压过零检测、水位检测、温度检测、布量检测等. 电压过零检测信号取自全波整流信号，单片机可以据此信号通过内部程序控制可控硅SCR的通断并发送PWM信号到IPM逆变电路的触发端子. 水位检测采用鉴频式水位传感器，温度检测采用热敏电阻和其它电阻的分压电路，分压值经过内部A/D转换后成为MCU可以处理的数据.布量检测信号取自电机相间反电动势，通过光电耦合器以及相关放大电路后成为脉

9、冲送入单片机中. 布量检测是利用电机的发电制动原理，通过测定电机的惯性转数来实现的6. 电机在断电制动的过程中处于发电状态，会产生反向电动势，即电动机产生了能量. 单匝线圈中电动势瞬时表达式7为：erq=Cndsin t （3）其中，C比例常数；n转子转速；d气隙磁通；角频率.随着转速n的不断降低，该电动势波形振荡性衰减. 衣物量较多时，阻碍电机凭惯性旋转的作用就较大，则电机继续旋转的时间就较短，单片机所检测的通过光电耦合器的电压波形就较少. 这样就可以通过对单片机检测的波形计数来反映衣物量的多少. 执行输出部分本部分包括两个方面：一是MCU通过功率驱动元件SCR等驱动牵引器、排水阀门、进水阀

10、门等；二是MCU与IPM模块的通信. IPM即集成功率模块（Integrated Power Module），也称为智能功率模块（Intelligent Power Module），实质是一个变频器件，采用ACDCAC结构8. 本系统利用软件产生PWM信号，并把它作为IPM逆变电路IGBT的触发脉冲. 正弦周期信号（图2-a中仅画出正弦波半个周期的波形）经过脉宽调制后成为等幅值不等宽度的脉冲信号，如图2-b所示. 本文采用面积等效法由正弦波生成等幅值的PMW信号. 在图2-a中，将半个周期的正弦波沿时间轴等分为N个小区间（N实际为半周期内对正弦波采样的次数），取第k+1个小区间则该区间对应的正

11、弦曲线下的阴影面积为S1=k+1TN2kTUmaxN2sin tdt=Umaxkk+1(cosTcosT)， （4）2f2N2N第16卷 第2期 佟雨兵等：家用洗衣机的模糊变频控制55与图2-a中阴影部分相对应，图2-b中脉冲包围的面积为S2=US. （5） 其中，为脉冲宽度，US为脉冲幅值.采用面积等效法，S1=S2，则脉冲宽度为=其中，f为正弦波频率.IPM逆变电路中，任意一个时刻都有两个IGBT同时导通，可以确定IGBT的开关时间为：ton= toff=将图2-a中第k+1个区间对应的等效脉冲放大如图3所示，一个脉冲含有的信息包 括脉冲的幅度和宽度，本文采用面积等效法 生成的 PMW信号

12、的幅值是相等的，可以将PWM 信号的幅值进行归一化处理. 第k+1个区间在宽度上可以细分为四个小区间，如 图3所示，每个小区间含有两项信息：一是该区间的开关状态，二是该区间开关的时间数据. 每一项信息用2位十六进制数表示. 这样，可以把该脉冲所含的信息以数据的形式存在单片机ROM内，利用这些数据做出PWM 信号.电机变频调速时，当频率过低时，需要进行电压补偿. 本系统对变频装置U/f控制特性设定如图4中曲线2所示. 低频时，适当地抬高定子端电压至U0，可以增加电机拖动能力9. 进行硬件电路设计时，系统抗干扰是必须考虑的一个问题. 抗干扰问题主要取决于PCB板的电磁兼容性设计. 单片机系统中对噪

13、声最敏感的信号有时钟信号、复位信号、中断信号和控制信号等，电磁噪声侵入到这些信号中，容易干扰MCU，使系统产生误动作，因而这些信号的抗干扰是需要着重考虑的. 同时，出于抗干扰性能的要求，PCB板设计时在元件布局、电源及信号线布线上都有一定的原则可循10 .图第k+区间宽分割示意图图Uf线初始部分处理1Umaxkk+1(cosTcosT) （6）2fUS2N2N1(T) （7） 21(T+) （8） 2f 软件设计本系统程序总体上分为主程序和中断服务程序两大类. 主程序完成从开机启动到洗衣机操作正常结束或非正常结束的整个过程. 中断程序完成主程序运行过程中，中断条件允许时洗衣机应该做的工作. 本

14、部分主要论述利用模糊推理确定变频增量，在洗衣机中通过软件设计实现模糊控制与变频技术相结合的方法.模糊检测、推理模糊检测、推理主要指对布量进行判断以及由布量和温度作为推理前件，通过模糊推理得到水位、洗衣粉量、洗衣时间、脱水时间和频率增量的模糊语言值并进行反模糊化. 其中布量56五邑大学学报（自然科学版） 2002年 的判断是以布量检测电路所得的脉冲作为模糊推理前件，采用三角形和半梯形隶属函数依据MAXMIN推理而得到布量值.采用模糊推理确定频率增量时，模糊控制器采用双输入双输出结构. 两个输入量为温度和布量，同时作为模糊推理前件；输出量为决定电源频率高低的数字量SOURCE. 洗衣机中电机采用变

15、频调速后，衣物洗涤时的电机转速和脱水时电机的转速是不一样的. 二者都可以采用同一种隶属函数，但一般脱水转速要高于洗衣转速，二者在进行模糊推理时有所不同；同时还要结合具体情况考虑，例如洗涤贵重衣物时，转速高容易损伤衣物等.模糊输入量采用三角形和半梯形的隶属函数. 程序中用点斜率法表示三角形隶属函数需要3个字节：第一个字节用于描述三角形的第一个底点（X轴的坐标），第二个字节描述三角形的顶点（X轴的坐标），第三个字节表示三角形的第二个斜边线段的斜率. 当用点斜率法对半梯形隶属函数描述时，它们在存储单元中，也要占用三个字节：第一、第二顶点和第二斜边线段的斜率或者第一顶点，第一斜边线段的斜率和第二顶点.

16、 由此，得到布量的隶属函数描述如图5-a所示，温度隶属函数略；而输出量SOURCE为数字量，其隶属函数如图5-b所示.布量的隶属度函数描述输出量的隶属度函数描述图输入、输出量属度函数描述在进行洗涤转速的模糊推理时，采取if andthen的模糊规则形式，采用Mamdani推理法1. 例如如果布量极少，则洗涤转速低，该控制规则可以描述如下：IF BU=GL THEN XN=L；如果布量多且水温高，则洗涤转速高，该控制规则可以描述如下：IF BU=M AND WT=H THEN XN=H；模糊推理得到的输出量用于控制时，必须将其反模糊化. 为了减少运算量，又考虑到洗衣控制的特点，程序中采用最大隶属

17、度法1进行反模糊化处理.在模糊控制规则形成的基础上，进行输入量模糊化以及输出量解模糊以后，可以形成一个可供直接调用的模糊控制查询表. 该表略.在单片机内存贮模糊规则时，用一个字节的高四位表示模糊推理第一前件的语言值，低四位表示第二前件的语言值，相应的推理后件也用一个字节的低四位表示，而以最高位取1来表示与前件的区别.软件抗干扰出于系统抗干扰性能要求，在程序过零中断服务程序中插入相关指令，定期刷新I/O口的数据寄存器和方向寄存器，减少系统误动作的可能. 另一方面，为了防止因噪声干扰导致程序指针指向空存储单元，特意向这些单元写入SWI（软件中断指令），可以防止程序执行时发生错误的跳转.第16卷 第

18、2期 佟雨兵等：家用洗衣机的模糊变频控制 57 结束语本文系统介绍了洗衣机中利用普通单片机实现模糊变频控制的方法；并就PWM信号的产生、模糊推理过程及其单片机实现和抗干扰设计等问题作了较为详细的论述. 洗衣机采用模糊变频控制后，相对普通全自动洗衣机来说，虽然机械结构和电气结构等略为复杂，洗衣机成本有所提高，但洗衣效果好，尤其洗涤贵重衣物时，可以相应地选择洗涤速度、脱水速度，有效地减轻衣物的磨损. 在调速、节能、降噪等方面，变频技术有着优良的品质，相信随着变频技术实现成本的降低，它的应用会越来越广泛；目前，部分家用电器如冰箱、空调等已经在逐步采用变频技术了.参考文献：1 汪培庄. 模糊集合论及其

19、应用M. 上海: 上海科学出版社，1983.2 JOACHIM HOLTZ. Pulse width Modulation for Electronic Power Conversion J. Proceedings of the IEEE,1994, 82(8): 1194-1214.3 陈伯时. 交流调速系统M. 北京：机械工业出版社，1997.12.4MOTORALA MC68HC05 TECHNICAL DATAZ. USA: MOTOROLA LTD.，1996.5 余永权. 单片机应用系统的功率接口技术M. 北京：北京航空航天大学出版社，1992.6 余永权. 模糊控制技术与模糊家用电器 M.北京：北京航空航天大学出版社，2000.7 顾绳谷. 电机及拖动基础 M. 北京：机械工业出版社，1995.5.8Karl H Edelmoser，Felix A Himmelstoss. Analysis of a New High-Efficiency DC-to-AC Inverter J. IEEETransactions On Power Electronics. 1999，14(3