CN103898713A - 一种基于单片机控制的bldcm洗衣机系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于单片机控制的BLDCM洗衣机系统，其包括分光光度计传感器、模糊控制器、动作控制模块和直流无刷电机，其中，所述分光光度计传感器通过检测洗涤液透明程度，测出洗涤液中的污泥含量x∈[0，100]％和油脂含量y∈[0，100]％；所述模糊控制器根据该污泥含量x和油脂含量y，进行处理，计算出洗涤时间t∈[0，60]，并控制所述动作控制模块动作，所述动作控制模块控制所述直流无刷电机动作。本发明利用单片机控制的无刷直流电机，将模糊控制技术用于全自动洗衣机后，可以根据对被洗衣物的检测，自动地获得最佳的洗涤方式，计算洗衣时间，进而达到智能和节能的效果。

Description

一种基于单片机控制的BLDCM洗衣机系统

技术领域

本发明涉及无刷直流电机领域，尤其涉及基于单片机控制的BLDCM洗衣机系统。

背景技术

模糊集合理论的提出，为处理具有模糊性的信息构筑了基本理论框架和强有力的工具。模糊控制技术基于模糊数学理论，通过模拟人的近似推理和综合决策过程，使控制算法的可控性、适应性和合理性提高，成为智能控制技术的一个重要分支；家用电器的自动化、智能化，尤其节能是最主要的发展方向，其控制正是一种难以建立精确数学模型的控制问题。

传统全自动洗衣机从控制角度看，实际上是一台按事先设定好的参数进行顺序控制的机器。从这个意义上说，其“全自动”并不具有任何智能，它不能根据情况和条件的变化来改变参数。而模糊逻辑控制的全自动洗衣机向真正的智能化迈出了一大步。1990年日本松下电器首先设计生产了模糊洗衣机，这是世界上第一个应用模糊控制器的消费产品。它的目标，是要求根据所洗衣服的数量、种类和脏的程度来决定水的多少、水流的强度和洗衣的时间，并可以动态地改变参数，以达到在洗干净衣服的情况下还要尽量不伤衣服、省电、省水、省时的目的；另外要求操作简单，任何人都可轻松的使用，即“一个按钮”一按就行；进一步还要求机器能“人性化”、对人“友好”，不要像个黑箱子，而能把其工作情况和过程显示出来。

家庭常用洗衣机由于应用的电机本身噪音大，体积大，重量大，导致洗衣机的体积很大、噪音也很大，所以给家庭带来不方便。而利用计算机板控制洗衣机的工作状态：洗涤、漂洗、脱水等，智能化程度不够高。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得7本创作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于单片机控制的BLDCM洗衣机系统，用以克服上述技术缺陷。

为实现上述目的，本发明提供一种基于单片机控制的BLDCM洗衣机系统，其包括分光光度计传感器、模糊控制器、动作控制模块和直流无刷电机，其中，

所述分光光度计传感器通过检测洗涤液透明程度，测出洗涤液中的污泥含量x∈[0，100]％和油脂含量y∈[0，100]％；

所述模糊控制器根据该污泥含量x和油脂含量y，进行处理，计算出洗涤时间t∈[0，60]，并控制所述动作控制模块动作，所述动作控制模块控制所述直流无刷电机动作；

所述模糊控制器最终设立的九条模糊控制规则如下表所示，

表1模糊洗衣机的洗涤控制规则表

表中每条模糊规则都给出一个F蕴含关系R_i(i=1，2，…，9)，这九个F蕴含关系R_i的并，就构成系统总的模糊蕴含关系R，即：

$R=R_{1}U{R}_2...U{R}_9=\underset{j=1}{\overset{9}{U}}{U}_j$

表中，x表示污泥含量，y表示油脂含量，t表示洗涤时间；SD、MD和LD表示污泥含量x的三个模糊子集；NG、MG和LG表示油脂含量y的三个模糊子集；VS(1)、S(2)、M(3)、M(4)、M(5)、L(6)、L(7)、L(8)、VL(9)表示九种规则。

进一步，所述模糊控制器，对于污泥含量x，选定三个模糊子集：污泥少(SD)、污泥中(MD)和污泥多(LD)，用于涵盖输入量x的论域[0，100]，它们的隶属函数如公式(1)所示，

SD(x)=(50-x)／50，0≤x≤50

$\mathrm{MD}\left(x\right)=\left\{\begin{array}{c}x/\mathrm{50,0}\&le;x\&le;50\\ (100-x)/\mathrm{50,50}<x\&le;100\end{array}---\left(1\right).\right.$

LD(x)＝(x-50)／50，50<x≤100

进一步，所述模糊控制器，对于油脂含量y，选定三个模糊子集：油脂少(NG)、油脂中(MG)和油脂多(LG)，用于涵盖输入量y的论域[0，100]，它们的隶属函数如公式(2)所示，

NG(y)=(50-y)／50，0兰y≤50

$\mathrm{MG}\left(y\right)=\left\{\begin{array}{c}y/\mathrm{50,0}\&le;y\&le;50\\ (100-y)/\mathrm{50,50}<y\&le;100\end{array}---\left(2\right).\right.$

LG(y)=(y-50)／50，50<y≤100

进一步，所述模糊控制器，

对于洗涤时间t，选定五个模糊子集：很短(VS)、短(S)、中等(M)、长(L)和很长(VL)，用于涵盖输出量t的论域[0，60]，它们的隶属函数如公式(3)所示，

VS(t)=(10-t)／10，0≤t≤10

$\begin{array}{c}S\left(t\right)=\left\{\begin{array}{c}t/\mathrm{10,0}\&le;t\&le;10\\ 25-t)/\mathrm{15,10}<t<25\end{array}\right.\\ M\left(t\right)=\left\{\begin{array}{c}(t-10)/\mathrm{15,10}\&le;t\&le;25\\ (40-t)/\mathrm{15,25}<t\&le;40\end{array}\right.\\ L\left(t\right)=\left\{\begin{array}{c}(t-25)/\mathrm{15,25}\&le;t\&le;40\\ (60-t)/\mathrm{15,40}<t\&le;60\end{array}\right.\end{array}---\left(3\right).$

VL(t)=(t-40)／20，40<y≤60

进一步，所述动作控制模块包括逆变器、电流测量模块、电流滞环控制器、速度控制器、电流运算模块和位置计算模块，

其中，所述电流测量模块与所述无刷直流电机的相线连接，测量其实际电流值，并传输至所述电流滞环控制器；

所述速度控制器将系统设定的参考速度信息与无刷直流电机的速度进行比较，获取电流值；

所述位置计算模块将所述无刷直流电机的位置信息计算后输出；

所述电流运算模块将所述速度控制器获取的电流值与位置计算模块的电机位置信息进行计算后，获取每相参考电流，并传输至所述电流滞环控制器中，其与所述实时测量电流比较运算后，由所述逆变器转换，向所述无刷直流电机供电，控制器启停及转速。

进一步，

所述模糊控制器控制无刷直流电机工作，所述无刷直流电机4控制执行机构，进而控制洗涤系统工作，完成洗涤过程；同时，所述模糊控制器控制电磁铁得失电，所述电磁铁控制离合系统和排水阀工作，完成排水过程；

水位压力开关将开关信息传输至所述模糊控制器中，所述水位压力开关通过进水电磁阀控制洗涤过程中的加水和断水动作；

所述洗涤系统将洗涤信息反馈至所述水位压力开关。

进一步，所述洗衣机系统还包括指示灯、安全开关；电源，其向洗衣机供电。

与现有技术相比较本发明的有益效果在于：本发明利用单片机控制的无刷直流电机，将模糊控制技术用于全自动洗衣机后，可以根据对被洗衣物的检测，自动地获得最佳的洗涤方式，计算洗衣时间，进而达到智能和节能的效果。

附图说明

图1为本发明基于单片机控制的BLDCM洗衣机系统的功能框图；

图2为本发明覆盖污泥含量x论域的模糊子集分布图；

图3为本发明覆盖油脂含量y论域的模糊子集分布图；

图4为本发明覆盖洗涤时间t论域的模糊子集分布图；

图5为本发明无刷直流电机的控制系统功能框图；

图6为本发明洗衣机的电路简图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

本发明采用单片机控制的无刷直流电机，提供一种采用模糊PID控制算法的无刷直流电机的单片机控制系统及方法，将其用于全自动洗衣机后，可以根据对被洗衣物的检测，自动地获得最佳的洗涤方式，进而达到智能和节能的效果；本发明以被洗衣物的重量和脏净程度作待测对象，提供一系列适合不同衣物的清洗方式。

请参阅图1所示，其为本发明基于单片机控制的BLDCM洗衣机系统的功能框图，其包括分光光度计传感器1、模糊控制器2、动作控制模块3和直流无刷电机4，所述分光光度计传感器1通过检测洗涤液透明程度，测出洗涤液中的污泥含量x∈[0，100]％和油脂含量y∈[0，100]％；所述模糊控制器2根据该污泥含量x和油脂含量y，进行处理，计算出洗涤时间t∈[0，60]，并控制所述动作控制模块3动作，所述动作控制模块3控制所述直流无刷电机4动作。

所述模糊控制器2对获取的污泥含量x和油脂含量y进行划分处理。对于污泥含量x，选定三个模糊子集：污泥少(SD)、污泥中(M D)和污泥多(LD)，用于涵盖输入量x的论域[0，100]，它们的隶属函数如公式(1)所示，其分布如图2所示。

SD(x)=(50-x)／50，0≤x≤50

$\mathrm{MD}\left(x\right)=\left\{\begin{array}{c}x/\mathrm{50,0}\&le;x\&le;50\\ (100-x)/\mathrm{50,50}<x\&le;100\end{array}---\left(1\right).\right.$

LD(x)=(x-50)／50，50<x≤100

对于油脂含量y，选定三个模糊子集：油脂少(N G)、油脂中(MG)和油脂多(LG]，用于涵盖输入量y的论域[0，100]，它门的隶属函数如公式(2)所示，其分布如图3所示。

NG(y)＝(50-y)／50，0≤y≤50

$\mathrm{MG}\left(y\right)=\left\{\begin{array}{c}y/\mathrm{50,0}\&le;y\&le;50\\ (100-y)/\mathrm{50,50}<y\&le;100\end{array}---\left(2\right).\right.$

LG(y)=(y-50)／50，50<y≤100

对于洗涤时间t，选定五个模糊子集：很短(VS)、短(S)、中等(M)、长(L)和很长(VL)，用于涵盖输出量t的论域[0，60]，它们的隶属函数如公式(3)所示，其分布如图4所示。

CS(t)=(10-t)／10，0≤t≤10

$\begin{array}{c}S\left(t\right)=\left\{\begin{array}{c}t/\mathrm{10,0}\&le;t\&le;10\\ 25-t)/\mathrm{15,10}<t<25\end{array}\right.\\ M\left(t\right)=\left\{\begin{array}{c}(t-10)/\mathrm{15,10}\&le;t\&le;25\\ (40-t)/\mathrm{15,25}<t\&le;40\end{array}\right.\\ L\left(t\right)=\left\{\begin{array}{c}(t-25)/\mathrm{15,25}\&le;t\&le;40\\ (60-t)/\mathrm{15,40}<t\&le;60\end{array}\right.\end{array}---\left(3\right).$

VL(t)＝(t-40)／20，40<y≤60

所述模糊控制器3根据污泥含量x和油脂含量y，计算洗涤时间t的过程为：根据下述算法建立元算过程，

“污泥越多，油脂越多，洗涤时间就越长”；

“污泥适中油脂适中，洗涤时间就适中”；

“污泥越少，油脂越少，洗涤时间就越短”。

污泥和油脂各分三档，进行组合搭配后，可设立九条模糊控制规则，如表1所示，

表1模糊洗衣机的洗涤控制规则表

表中每条模糊规则都给出一个F蕴含关系R_i(i=1，2，…，9)，这九个F蕴含关系R_i的并，就构成系统总的模糊蕴含关系R，即：

$R=R_{1}U{R}_2...U{R}_9=\underset{j=1}{\overset{9}{U}}{U}_j$

所述模糊控制器2根据该润含关系对所述动作控制模块3进行控制。

请参阅图5所示，其本发明无刷直流电机的控制系统功能框图，所述动作控制模块3包括逆变器41、电流测量模块42、电流滞环控制器43、速度控制器45、电流运算模块47和位置计算模块44，其中，所述电流测量模块42与所述无刷直流电机4的相线连接，测量其实际电流值，并传输至所述电流滞环控制器43；所述速度控制器45将系统设定的参考速度信息与无刷直流电机的速度进行比较，获取电流值；所述位置计算模块44将所述无刷直流电机4的位置信息计算后输出；所述电流运算模块47将所述速度控制器45获取的电流值与位置计算模块44的电机位置信息进行计算后，获取每相参考电流，并传输至所述电流滞环控制器43中，其与所述实时测量电流比较运算后，由所述逆变器41转换，向所述无刷直流电机4供电，控制器启停及转速。

所述全自动洗衣机还包括指示灯10、安全开关11也即洗衣机盖开关；电源12，其向洗衣机供电；所述模糊控制器2控制无刷直流电机4工作，所述无刷直流电机4控制执行机构13，进而控制洗涤系统14工作，完成洗涤过程；同时，所述模糊控制器2控制电磁铁15得失电，所述电磁铁15控制离合系统16和排水阀17工作，完成排水过程。

水位压力开关18将开关信息传输至所述模糊控制器2中，所述水位压力开关18通过进水电磁阀19控制洗涤过程中的加水和断水动作；同时，所述洗涤系统14将洗涤信息反馈至所述水位压力开关18。

请参阅图6所示，其为本发明洗衣机的电路简图，该洗衣机的工作过程为：

步骤1，打开洗衣机桶盖，放入衣物，用专用软管连接水龙头和进水阀，打开水龙头；

步骤2，插上电源后，CPU开始工作，面板上的相应指示灯点亮，按动面板上的开关选择合适的洗衣程序，并选择合适的水位，CPU内置的程序启动，进水电磁阀线圈得电，开始进水；

步骤3，进水电磁阀工作，开始进水；此时CPU相应的引脚输出控制电压，触发晶闸管V1，进水阀HV线圈得电，电磁阀打开；

步骤4，洗涤；

水位到达预定水位高度，水位开关K1断开，CPU进水阀控制脚停止输出控制电压，晶闸管V1截止，进水阀线圈断电，电磁阀关断，停止进水。

所述分光光度计传感器1通过检测洗涤液透明程度的方法，测出洗涤液中的污泥含量x∈[0，100]％和油脂含量y∈[0，100]％；所述模糊控制器2根据该污泥含量x和油脂含量y，进行处理，计算出洗涤时间t∈[0，60]；

同时相应电动机控制引脚输出控制电压，使晶闸管V3导通，V3、V4均截止，V4导通，V3、V4均截止，从而洗涤电动机M1反复正转，停止，反转。同时时间显示屏上的时间开始倒计时。

步骤5，排水；

预定洗涤时间到，CPU电动机控制引脚停止输出控制电压，晶闸管V3、V4截止，电动机停止转动。同时CPU排水控制引脚输出排水指令，晶闸管V2的栅极得电，V2导通，牵引器电动机得电旋转，拉动排水阀，开始排水。

步骤6，脱水；

当水桶内的水排完后，水位开关K1闭合，CPU的电动机控制引脚输出持续信号，晶闸管V3持续导通，洗涤电动机M1开始正向持续旋转，通过离合器的作用，脱水内桶高速旋转开始脱水，同时牵引器M2继续通电，排水阀持续排水。

步骤7，漂洗；

当预定脱水时间到后，CPU停止输出电动机控制信号和排水信号，晶闸管V2、V3截止，电动机M1和M2相继失电，停止转动，排水阀关闭，同时在刹车的作用下电动机、内桶立即停止转动，同时CPU发出进水控制信号，进水电磁阀工作，开始二次进水。进水停止后，CPU启动漂洗程序，洗涤电动机反复正反转。

步骤8，二次脱水；

预定时间到后，CPU输出排水信号，排水电磁阀得电，开始排水，重复第五、第六步的工作。

步骤9，三次进水，二次漂洗，再脱水；

重复步骤7、8，脱水时间加长。

步骤10，结束。

最后一次脱水后，工作时间归零，排水阀线圈、牵引器电动机、洗涤电动机断电，同时CPU发出指令，使蜂鸣器得电呜叫，提醒拿取衣物，洗衣全过程结束。

本发明利用单片机控制的无刷直流电机，将模糊控制技术用于全自动洗衣机后，可以根据对被洗衣物的检测，自动地获得最佳的洗涤方式，计算洗衣时间，进而达到智能和节能的效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于单片机控制的BLDCM洗衣机系统，其特征在于，其包括分光光度计传感器、模糊控制器、动作控制模块和直流无刷电机，其中，

所述分光光度计传感器通过检测洗涤液透明程度，测出洗涤液中的污泥含量x∈[0，100]％和油脂含量y∈[0，100]％；

所述模糊控制器根据该污泥含量x和油脂含量y，进行处理，计算出洗涤时间t∈[0，60]，并控制所述动作控制模块动作，所述动作控制模块控制所述直流无刷电机动作；

所述模糊控制器最终设立的九条模糊控制规则如下表所示，

表1模糊洗衣机的洗涤控制规则表

表中每条模糊规则都给出一个F蕴含关系R_i(i＝1，2，…，9)，这九个F蕴含关系R_i的并，就构成系统总的模糊蕴含关系R，即：

$R=R_{1}U{R}_2...U{R}_9=\underset{j=1}{\overset{9}{U}}{U}_j$

表中，x表示污泥含量，y表示油脂含量，t表示洗涤时间；SD、MD和LD表示污泥含量x的三个模糊子集；NG、MG和LG表示油脂含量y的三个模糊子集；VS(1)、S(2)、M(3)、M(4)、M(5)、L(6)、L(7)、L(8)、VL(9)表示九种规则。

2.根据权利要求1所述的基于单片机控制的BLDCM洗衣机系统，其特征在于，所述模糊控制器，对于污泥含量x，选定三个模糊子集：污泥少(SD)、污泥中(MD)和污泥多(LD)，用于涵盖输入量x的论域[0，100]，它们的隶属函数如公式(1)所示，

SD(x)=(50-x)／50，0≤x≤50

$\mathrm{MD}\left(x\right)=\left\{\begin{array}{c}x/\mathrm{50,0}\&le;x\&le;50\\ (100-x)/\mathrm{50,50}<x\&le;100\end{array}---\left(1\right).\right.$

LD(x)=(x-50)／50，50<x≤100

3.根据权利要求2所述的基于单片机控制的BLDCM洗衣机系统，其特征在于，所述模糊控制器，对于油脂含量y，选定三个模糊子集：油脂少(NG)、油脂中(MG)和油脂多(LG)，用于涵盖输入量y的论域[0，100]，它们的隶属函数如公式(2)所示，

NG(y)=(50-y)／50，0≤y≤50

$\mathrm{MG}\left(y\right)=\left\{\begin{array}{c}y/\mathrm{50,0}\&le;y\&le;50\\ (100-y)/\mathrm{50,50}<y\&le;100\end{array}---\left(2\right).\right.$

LG(y)=(y-50)／50，50<y≤100

4.根据权利要求2或3所述的基于单片机控制的BLDCM洗衣机系统，其特征在于，所述模糊控制器，

对于洗涤时间t，选定五个模糊子集：很短(VS)、短(S)、中等(M)、长(L)和很长(VL)，用于涵盖输出量t的论域[0，60]，它们的隶属函数如公式(3)所示，

VS(t)=(10-t)／10，0≤t≤10

$\begin{array}{c}S\left(t\right)=\left\{\begin{array}{c}t/\mathrm{10,0}\&le;t\&le;10\\ 25-t)/\mathrm{15,10}<t<25\end{array}\right.\\ M\left(t\right)=\left\{\begin{array}{c}(t-10)/\mathrm{15,10}\&le;t\&le;25\\ (40-t)/\mathrm{15,25}<t\&le;40\end{array}\right.\\ L\left(t\right)=\left\{\begin{array}{c}(t-25)/\mathrm{15,25}\&le;t\&le;40\\ (60-t)/\mathrm{15,40}<t\&le;60\end{array}\right.\end{array}---\left(3\right).$

VL(t)=(t-40)／20,40<y≤60

5.根据权利要求1所述的基于单片机控制的BLDCM洗衣机系统，其特征在于，所述动作控制模块包括逆变器、电流测量模块、电流滞环控制器、速度控制器、电流运算模块和位置计算模块，

其中，所述电流测量模块与所述无刷直流电机的相线连接，测量其实际电流值，并传输至所述电流滞环控制器；

所述速度控制器将系统设定的参考速度信息与无刷直流电机的速度进行比较，获取电流值；

所述位置计算模块将所述无刷直流电机的位置信息计算后输出；

所述电流运算模块将所述速度控制器获取的电流值与位置计算模块的电机位置信息进行计算后，获取每相参考电流，并传输至所述电流滞环控制器中，其与所述实时测量电流比较运算后，由所述逆变器转换，向所述无刷直流电机供电，控制器启停及转速。

6.根据权利要求5所述的基于单片机控制的BLDCM洗衣机系统，其特征在于，

所述模糊控制器控制无刷直流电机工作，所述无刷直流电机4控制执行机构，进而控制洗涤系统工作，完成洗涤过程；同时，所述模糊控制器控制电磁铁得失电，所述电磁铁控制离合系统和排水阀工作，完成排水过程；

水位压力开关将开关信息传输至所述模糊控制器中，所述水位压力开关通过进水电磁阀控制洗涤过程中的加水和断水动作；

所述洗涤系统将洗涤信息反馈至所述水位压力开关。

7.根据权利要求6所述的基于单片机控制的BLDCM洗衣机系统，其特征在于，

所述洗衣机系统还包括指示灯、安全开关；电源，其向洗衣机供电。

Images