CN108166208B - 一种零重力宇航洗衣机动力系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种零重力宇航洗衣机动力系统，包括：按键模块、指示灯、蜂鸣器、显示模块、测速模块、过流检测模块、控制模块、驱动模块、动力模块和若干突轴，其中所述按键模块、指示灯、蜂鸣器、显示模块、测速模块和过流检测模块均与所述控制模块连接，所述控制模块与所述驱动模块连接，所述驱动模块与所述动力模块连接；所述突轴以两排对位的方式设置在洗衣机的内部，并与所述动力模块连接；所述动力模块为步进电机，所述测速模块为光电编码器，其与所述步进电机同轴设置。本发明机械挤压的方式，可以在任意角度对衣物进行拟人的揉搓，不依赖于重力的场景，并能达到合理的洗涤效果。

Description

一种零重力宇航洗衣机动力系统

技术领域

本发明涉及洗衣机技术领域，具体地是涉及一种零重力宇航洗衣机动力系统。

背景技术

空间站时代，航天员有时候在太空需要半年之久。他们的衣物穿久了也会弄脏。一直以来，航天员在太空换洗的衣服都是通过货运飞船传送到空间站，但毕竟这种运输费用极其昂贵，且承载的重量有限。

因此，本发明的发明人亟需构思一种新技术，其不依赖于重力的场景，并能达到合理的洗涤效果。

发明内容

本发明旨在提供一种零重力宇航洗衣机动力系统，其可以在任意角度对衣物进行拟人的揉搓，不依赖于重力的场景，并能达到合理的洗涤效果。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种零重力宇航洗衣机动力系统，包括：按键模块、指示灯、蜂鸣器、显示模块、测速模块、过流检测模块、控制模块、驱动模块、动力模块和若干突轴，其中所述按键模块、指示灯、蜂鸣器、显示模块、测速模块和过流检测模块均与所述控制模块连接，所述控制模块与所述驱动模块连接，所述驱动模块与所述动力模块连接；所述突轴以两排对位的方式设置在洗衣机的内部，并与所述动力模块连接；所述动力模块为步进电机，所述测速模块为光电编码器，其与所述步进电机同轴设置。

优选地，所述驱动电路包括驱动芯片U1、二极管D0、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D7，其中所述驱动芯片U1的第二脚分别与所述二极管D0的正极、二极管D4的负极连接；所述驱动芯片U1的第三脚分别与所述二极管D1的正极、二极管D5的负极连接；所述驱动芯片U1的第十三脚分别与所述二极管D2的正极、二极管D6的负极连接；所述驱动芯片U1的第十四脚分别与所述二极管D3的正极、二极管D7的负极连接。

优选地，所述过流检测模块包括运算放大器U1A、运算放大器U1B、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R15，其中所述电阻R10的一端与驱动芯片U1的第一脚连接，另一端与所述运算放大器U1A的第二脚连接；所述电阻R11设置在所述运算放大器U1A的第三脚和第四脚之间，所述电阻R12设置在所述运算放大器U1A的第一脚和第二脚之间；所述运算放大器U1A的第一脚与所述运算放大器U1B的第四脚连接，所述电阻R12设置在所述运算放大器U1B的第二脚和第三脚之间。

优选地，所述控制模块为DSP2808芯片。

优选地，所述驱动芯片U1为L298N驱动芯片。

优选地，所述运算放大器U1A为LF353D运算放大器。

优选地，所述运算放大器U1B为LM339AD运算放大器。

优选地，所述步进电机采用45ZY24-25-N型步进电机。

优选地，所述显示模块为LCD12864液晶显示器。

采用上述技术方案，本发明至少包括如下有益效果：

本发明所述的零重力宇航洗衣机动力系统，洗衣机工作时，通过突轴的上下移动实现衣物的击打揉搓效果，这种挤压力量不依赖于重力，所有动力来自于步进电机驱动的突轴。洗衣时，上下突轴交替伸出和收回，衣物夹在上下突轴中间，收到挤压和揉搓的力量，从而实现脏污分离。即机械挤压的方式，可以在任意角度对衣物进行拟人的揉搓，不依赖于重力的场景，并能达到合理的洗涤效果。

附图说明

图1为本发明所述的零重力宇航洗衣机动力系统的电气原理图；

图2为本发明所述的突轴的安装示意图；

图3为本发明所述的突轴的工作示意图；

图4为本发明所述的驱动模块的电路图；

图5为本发明所述的按键模块的电路图；

图6为本发明所述的过流检测模块的电路图；

图7为本发明所述的测速模块的电路图；

图8为本发明所述的零重力宇航洗衣机动力系统的整体流程图；

图9为本发明所述的零重力宇航洗衣机动力系统的显示子程序流程图；

图10为本发明所述的零重力宇航洗衣机动力系统的时钟程序流程图；

图11为本发明所述的零重力宇航洗衣机动力系统的驱动程序流程图；

图12为本发明所述的零重力宇航洗衣机动力系统的正反转程序流程图；

图13为本发明所述的零重力宇航洗衣机动力系统的故障处理控制流程图。

其中：1.突轴，2.洗衣机门。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图7所示，为符合本发明的一种零重力宇航洗衣机动力系统，包括：按键模块、指示灯、蜂鸣器、显示模块、测速模块、过流检测模块、控制模块、驱动模块、动力模块和若干突轴1，其中所述按键模块、指示灯、蜂鸣器、显示模块、测速模块和过流检测模块均与所述控制模块连接，所述控制模块与所述驱动模块连接，所述驱动模块与所述动力模块连接；所述突轴1以两排对位的方式设置在洗衣机的内部(优选地，两排突轴1在位于洗衣机门2的两侧对称设置)，并与所述动力模块连接；所述动力模块为步进电机，所述测速模块为光电编码器，其与所述步进电机同轴设置。

优选地，所述驱动电路包括驱动芯片U1、二极管D0、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D7，其中所述驱动芯片U1的第二脚分别与所述二极管D0的正极、二极管D4的负极连接；所述驱动芯片U1的第三脚分别与所述二极管D1的正极、二极管D5的负极连接；所述驱动芯片U1的第十三脚分别与所述二极管D2的正极、二极管D6的负极连接；所述驱动芯片U1的第十四脚分别与所述二极管D3的正极、二极管D7的负极连接。

优选地，所述过流检测模块包括运算放大器U1A、运算放大器U1B、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R15，其中所述电阻R10的一端与驱动芯片U1的第一脚连接，另一端与所述运算放大器U1A的第二脚连接；所述电阻R11设置在所述运算放大器U1A的第三脚和第四脚之间，所述电阻R12设置在所述运算放大器U1A的第一脚和第二脚之间；所述运算放大器U1A的第一脚与所述运算放大器U1B的第四脚连接，所述电阻R12设置在所述运算放大器U1B的第二脚和第三脚之间。

优选地，所述控制模块为DSP2808芯片。

优选地，所述驱动芯片U1为L298N驱动芯片。

优选地，所述运算放大器U1A为LF353D运算放大器。

优选地，所述运算放大器U1B为LM339AD运算放大器。

优选地，所述步进电机采用45ZY24-25-N型步进电机。

优选地，所述显示模块为LCD12864液晶显示器。

本发明的工作原理在于：洗衣机内部由两排对位的突轴1构成，洗衣机工作时，通过突轴1的上下移动实现衣物的击打揉搓效果，这种挤压力量不依赖于重力，所有动力来自于步进电机驱动的突轴1。洗衣时，上下突轴1交替伸出和收回，衣物夹在上下突轴1中间，收到挤压和揉搓的力量，从而实现脏污分离。

具体地：

1)按键模块与显示模块。该模块负责响应洗衣机5个按键输入信号，并利用L12864液晶显示当前工作状态。其中，L12864液晶显示启停、正转、反转、加速减速。

2)电源部分。该模块为整个系统从交流中整流出稳定的5V和24V供电电压。

3)电机部分。步进电机与驱动模块连接实现稳定的运转。

4)驱动模块。L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V,可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用DSP的IO口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。

5)蜂鸣器提示输出部分。该模块完成洗衣机的告警提示，在一般工作情况下，蜂鸣器都将发声告警(例如电机运行超时)。

6)指示灯，优选为发光二极管指示。洗衣机在各种工作状态下使不同二极管发光以明确表示洗衣机的运行情况。

步进电机采用45ZY24-25-N型步进电机，四相步进电机根据不同的通电规律可分为几种工作模式：

四相单四拍：A-B-C-D；

四相双四拍：AB-BC-CD-DA；

四相单八拍：A-AB-B-BC-C-CD-D-DA；

四相双八拍：AB-ABC-BC-BCD-CD-CDA-DA-DAB。

假设有四相ABCD，如果对各个相依次单独通电，"A-B-C-D"，磁场旋转一周需要换相四次，则称为四相单四拍；如果每次对两相同时通电，"AB-BC-CD-DA"，则称为四相双四拍；也可以每次对三相同时通电，"ABC-BCD-CDA-DAB"；将单四拍和双四拍交替使用，就称为四相八拍，如："A-AB-B-BC-C-CD-D-DA"、"AB-ABC-BC-BCD-CD-CDA-DA-DAB"，此时磁场旋转一周需要换相八次。双四拍每次对多相同时通电，与单四拍比较起来，每相通电的时间长，消耗的电功率增大，电机所得到的电磁转矩也大。同时，采用多相励磁会产生电磁阻尼，会削弱或消除振荡现象，使得电机不易产生失步。四相八拍与四相四拍相比较，步距角减小了一倍，有利于削弱振荡，提高电机的带负载能力。步进电机控制系统需要以下部分：其中的脉冲发生器用于产生频率变化的脉冲信号；脉冲分配器根据方向控制信号将脉冲信号转换成有一定逻辑关系的环形脉冲；功率放大器将脉冲分配器输出的环形脉冲放大,用于控制步进电机的运转，这些部分都可以由专门的电路来实现。

步进电机的驱动电路采用常用的电动机驱动芯片L298N内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。它能够接受标准的TTL电平控制信号，驱动电机，具有过热保护功能，逻辑“0”的输入电压达到1.5V。L298在控制器的控制下驱动一个步进电动机，控制器产生L298年需的控制信号，以控制步进电机的运动状态。为了防止定子绕组的电感作用，使得电流切换时产生过电压，步进电机每相绕组两端都须并联一个用天在换相时起续流作用的肖基特二极管。L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以取得一个四相电机，输出电压最高可达50V,可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用DSP的IO口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。

引脚接口说明：

VSS：芯片电压5V。

VS：电机电压，最大可接50V,接电机A+～D+。

GND：共地接法。

OUT1～OUT4：输出端，接电机A-～D-。

EN1、EN2：高电平有效，EN1、EN2分别为IN1和IN2、IN3和IN4的使能端。

IN1～IN4：输入端，输入端电平和输出端电平是对应的,接DSP。

ISENA、ISENB脚是输出反馈引脚，在通常使用中可以直接接地。

4脚接电源电压，电压范围VIH为+2.5～46V。输出电流可达2.5A，可驱动电感性负载。1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。L298可驱动2个电动机，2脚和3脚，13脚和14脚之间可分别接电动机，1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反。续流管的作用:续流二极管通常是并联在线圈的两端，线圈在通过电流时，会在其两端产生感应电动势。当电流消失时，其感应电动势会对电路中的原件产生反向电压。当反向电压高于原件的反向击穿电压时，会把原件如三极管，等造成损坏。续流二极管并联在线两端，当流过线圈中的电流消失时，线圈产生的感应电动势通过二极管和线圈构成的回路做功而消耗掉。丛而保护了电路中的其它原件的安全。

按键模块的选择:

键盘的连接一般有两种方式，一种是独立式键盘；一种是行列式键盘。独立式键盘就是各个键相互独立，每个键盘接一根输入线，通过检测输入线的电平状态来确定那个键按下。这种键盘的输入线较多，结构复杂，一般适用于按键较少操作速度较高的场合。而行列式键盘是由行和列按键交叉组成，一般用于按键较多的场合。本次设计一共用5个按键因此采用独立式键盘。其中两个按键分别控制步进电机加减速，第三个控制步进电机正反转，第四个按键用来开启和停止步进电机工作。

图5所示，这部分的电路组成包括：R1、R2、R3、R4、R5阻值均为1K，用于上拉电阻。见图系统原理图按键部分。假设程序每2ms做1次按键检和显示。首先将字型和要显示的数据送到LCD12864的并行口，然后产生第1个选通信号，显示所需工作方式；在下一个2ms到来的时候从新检测并显示。由于2ms依次循环检测，因此可以迅速地检测到按键。

过流检测模块的选择：

如图6所示,为过流检测电路,其作用为检测电路中的过流信号使其变成低电平的脉冲信号，从而使过流信号保护电路起到作用。电路接L298N的电流反馈接口ISEN A,再通过LF353放大，接着和LM339中预定值比较，最后输出中断信号给DSP，通过指令使洗衣机停止工作。以下假设主电路出现过流信号，过流信号经过过流检测保护电路。过流信号经过R10，由集成运算放大器LF353与R12组成的积分电路将电流信号放大。当放大电流信号经过电阻R13(电流在R13处形成压差，使下一步的运算放大器LM339能够运行，R13与LM339可以看成并联电路)，过流信号经过运算放大器LM339的处理，出来的为脉冲信号。由5V电压与电阻R15组成的电路是使没有过流时保持高电平。变阻器R14可通过调节其大小，来实现多档检测的目的，从而确定反向过流的具体设定值。变阻器R14所在接口与进LM339的信号接口形成比较，使出来的信号保持低电平，所以可以通过调节R14来起到多档的作用。

LF353输入放大级是由两只P沟道JFET组成的共源极差分电路，并且用镜像恒流源做负载来提高增益；在输入差分放大级和主电压放大级之间是一个由射极跟随器构成的电流放大级，用来提高主电压放大级的输入阻抗和共源极差分电路的负载增益；主电压放大级是一个简单的单级共射极放大电路，为了保证放大器的稳定性，在主电压放大级的输出端到输入差分放大级的输出端加入了一个电容补偿网络，跟补偿电容并联的二极管保证单级共射极放大电路构成的主电压放大级不进入饱和状态工作；输出电流放大级是NPN和PNP构成的互补射极跟随器，两个100Ω的电阻用来稳定输出电流放大级的静态电流，200Ω的电阻用来限制输出短路电流。

测速模块的选择：

测速模块选择光电编码器,如图7所示，测速时将它和电机同轴,它将检测好的速度通过A通道和B通道传递给DSP。

光电编码器原理:

光电编码器设计光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。

整体软件流程如下；

整体程序执行进程：初始化后进行洗涤过程，经过系统，等初始化后，电机开启，显示初始状态；选择洗涤的模式，预约洗涤时间，计时器开始计时，最后定计器计时时间与预约时间比较：

1)若计时时间小于预约时间，中途用户可根据自己个人情况选择别的洗涤方式，即重新判断按键是否。

2)若计时时间大于预约时间，蜂鸣器将发出警告声音来提醒用户洗涤时间到了可以进行按键重选，警告5分钟后，用户无任何指令输入，洗衣机将进入睡眠。以免长时间洗涤造成影响。

3)若计时时间等于预约时间，洗衣机将将提示等待用户输入新的工作指令。如图8所示。

显示子程序流程图

程序进程:开始初始化后LCD、LED显示初始数据，判断按键情况，检测信号LCD进入预定显示阶段。如图9所示。

时钟程序流程图

程序进程：分别对秒、分、时进行记数，满60次进位。预约功能是对设定时间与计时时间对比，然后进行洗涤工作安排。如图10所示。

驱动程序流程图

本设计的调速是通过软件实现的，根据PWM对步进电机进行调速。设计了5档，设定5个占空比不同的脉冲来驱动步进电机，如图11所示，实现5档的调速方式。

设计档位如表：

档位	1档	2档	3档	4档	5档
						占空比	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6

正反转程序流程图

当检测到位置信号发生跳转时，换相子程序将在脉冲捕捉中断子程序中被调用。

如图12所示，该过程主要是对电机正反转进行控制，假如电机是在正转3档时进行反转的话那它直接变为反转3档。

图13给出了故障判断处理程序的流程。该子程序模块首先检测用户是否已经按下停机按键，如果按下，软件立即将PWM输出信号强制置高(PWM信号外部驱动低有效)，确保首先断开驱动信号，紧接着关闭中断，停止定时器运行；而硬件电路会立即断开主接触器，经过一段延时后系统复位，重返待机状态，等待用户再次操作。如果没有按下停机键，程序接下来检测系统是否存在过流故障。故障信号都是由上一章介绍的检测保护电路提供的。为了保证系统可靠，避免误动作，故障信号不断检测，如果主程序连续三个执行周期中都检测到同一故障信号，则认为产生该类型故障，程序中立即将PWM输出信号强制置高，关断所有中断，断开主电路，同时显示故障代码。对故障紧急处理后，软件进入死循环，用户只有按下复位键才能使系统重新运行，回到待机状态。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种零重力宇航洗衣机动力系统，其特征在于，包括：按键模块、指示灯、蜂鸣器、显示模块、测速模块、过流检测模块、控制模块、驱动模块、动力模块和若干突轴，其中所述按键模块、指示灯、蜂鸣器、显示模块、测速模块和过流检测模块均与所述控制模块连接，所述控制模块与所述驱动模块连接，所述驱动模块与所述动力模块连接；所述突轴以两排对位的方式设置在洗衣机的内部，并与所述动力模块连接；所述动力模块为步进电机，所述测速模块为光电编码器，其与所述步进电机同轴设置；洗衣时，上下突轴交替伸出和收回，衣物夹在所述上下突轴中间，受到挤压和揉搓的力量，从而实现脏污分离；

所述零重力宇航洗衣机动力系统整体程序执行进程：初始化后进行洗涤过程，经过系统初始化后，电机开启，显示初始状态；选择洗涤的模式，预约洗涤时间，计时器开始计时，最后计时器计时时间与预约时间比较：

1) 若计时时间小于预约时间，中途用户可根据自己个人情况选择别的洗涤方式，即重新判断按键是否；

2）若计时时间大于预约时间，蜂鸣器将发出警告声音来提醒用户洗涤时间到了可以进行按键重选，警告5分钟后，用户无任何指令输入，洗衣机将进入睡眠，

以免长时间洗涤造成影响；

3）若计时时间等于预约时间，洗衣机将提示等待用户输入新的工作指令。

2.如权利要求1所述的零重力宇航洗衣机动力系统，其特征在于：所述驱动模块包括驱动芯片U1、二极管D0、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D7，其中所述驱动芯片U1的第二脚分别与所述二极管D0的正极、二极管D4的负极连接；所述驱动芯片U1的第三脚分别与所述二极管D1的正极、二极管D5的负极连接；所述驱动芯片U1的第十三脚分别与所述二极管D2的正极、二极管D6的负极连接；所述驱动芯片U1的第十四脚分别与所述二极管D3的正极、二极管D7的负极连接。

3.如权利要求2所述的零重力宇航洗衣机动力系统，其特征在于：所述过流检测模块包括运算放大器U1A、运算放大器U1B、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R15，其中所述电阻R10的一端与驱动芯片U1的第一脚连接，另一端与所述运算放大器U1A的第二脚连接；所述电阻R11设置在所述运算放大器U1A的第三脚和第四脚之间，所述电阻R12设置在所述运算放大器U1A的第一脚和第二脚之间；所述运算放大器U1A的第一脚与所述运算放大器U1B的第四脚连接，所述电阻R12设置在所述运算放大器U1B的第二脚和第三脚之间。

4.如权利要求1-3任一所述的零重力宇航洗衣机动力系统，其特征在于：所述控制模块为DSP2808芯片。

5.如权利要求2所述的零重力宇航洗衣机动力系统，其特征在于：所述驱动芯片U1为L298N驱动芯片。

6.如权利要求3所述的零重力宇航洗衣机动力系统，其特征在于：所述运算放大器U1A为LF353D运算放大器。

7.如权利要求3所述的零重力宇航洗衣机动力系统，其特征在于：所述运算放大器U1B为LM339AD运算放大器。

8.如权利要求1所述的零重力宇航洗衣机动力系统，其特征在于：所述步进电机采用45ZY24-25-N型步进电机。

9.如权利要求1所述的零重力宇航洗衣机动力系统，其特征在于：所述显示模块为LCD12864液晶显示器。

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