（机械工程专业论文）滚筒洗衣干衣机测试平台的开发与应用.pdf

中文摘要 影响滚筒洗寝机熬体性能的因素较多且又彼此互相联系， 在现有机械结构基本不变静情况下力求各个嗣豢的最佳结合而 获得具有市场竞争力的高性能产晶是各制造商追求的目标。而 这耩i 最佳结会冀能通道大量的实验才能褥出，驻然利用现裔洗 衣机程控器辅之于部分参数的改变是远邋不能达到耳的的，因 ，诧本文立足这一出发点设计汗发了我国第一台镨能纯滚筒流衣 于农机测试平台。 本文溺绕测试平螽的设计原理、构成及控制程序迸 亍了全 面她研究，并对模糊控制理论在滚筒洗农机上的应用进行了颇 有价值的系统探讨。 1 立足技术需求，研制了国内第一台全自幼滚筒洗衣于衣 瓶测试平台：程茂乎螽上送行了大量静洗衣极性能豹综合测试 并对测试结果进行了深入分析，获得了舆有指导意义及实际应 露价值翡参数缀合。 2 通过该平台可以任意设置洗衣机的各种参数组合，并保 存谯数疆薅中，灏试平台裰据竣定豹参数组合来控制；在洗衣 机z 作时可以邋时监掇记录洗衣机工作状态，并且能显示、打 印浚衣梳的工俸过程瀚线餐对院分丰厅。 3 对模糊控制理论在洗农机上的应用进行了丌拓性探讨； 提密了逶麓予滚筒洗衣梳较系统静模籀控翻筑娴及实验方法与 途径，实验结果证明切实有效。 辱逶遗对该平台豹进一步的并发完善，本文嗣蠲该平台对 小鸭滚筒洗衣机进行了多参数分析及优化并应用于产品开发， 磷髓了嵩综合戆麓静滚麓洗寝撬。实践滋臻它对市场起嚣了积 极地推动作用。 关键词：滚筒洗衣机测试平台模糊控制 a b s t r a c t t h e r ea r em a n yi n t e r c o n n e c t e df a c t o r sa f f e c t i n gt h ew h o l e p e r f o r m a n c eo ff r o n t l o a d i n gw a s h i n gm a c h i n e e a c hm a n u f a c t u r e rt r i e st of i n dt h eb e s tc o m b i n a t i o no f f a c t o r sw i t ht h eg i v e nm e c h a n i c a lc o n s t r u c t i o n ，s ot h a tt h e yc a ng e tc o m p e t i t i v eh i g h - p e r f o r l t l a n c ep r o d u c t s al o to fe x p e r i m e n t ss h o u l db ed o n e i ti sc l e a rt h a tw ec o u l d n o tr e a c ht h ed e s t i n a t i o no n l yw i t hp r e s e n tf i x e d f u n c t i o nc o n t r o l l e rb yc h a n g i n g s o m ep a r a m e t e r s i nt h i sa r t i c l e ，a ni n t e l l i g e n tt e s t i n gp l a t f o r mo ff r o n t - l o a d i n g w a s h i n ga n dd r y i n gm a c h i n ei sd e v e l o p e ds u c c e s s f u l l ) d e s i g nt h e o r y , c o n s t r u c t i o na n dc o n t r o lp r o g r a mo ft h et e s t i n gp l a t f o r ma r e s t u d i e d f u z z yl o g i cc o n f f 0 1t h e o r yo nw a s h i n gm a c h i n ei ss y s t e m a t i c a l l yd i s c u s s e d 1 i ti st h ef i r s tf u ua u t o m a t i cf r o n t - l o a d i n gw a s h i n ga n dd r y i n gm a c h i n et e s t i n g p l a t f o r mi nc h i n a m a n yc o m p r e h e n s i v ee x p e r i m e n t so nt h ep e r f o r m a n c eo f w a s h i n gm a c h i n ea r em a d eo nt h et e s t i n gp l a t f o r i l l w i t ht h ea n a l y s i so ft h e t e s t i n gr e s u l t s ，s o m ep r a c t i c a lr i s e f u lp a r a m e t e rc o m b i n a t i o n sh a v eb e e nt u r n e d o u tf o r t h ed i f f e r e n tp u r p o s e s 2 t h ep a r a m e t e r so fw a s h i n gm a c h i n ea r es e to nt h et e s t i n gp l a t f o r ma n ds a v e di n t h ed a t a b a s e t h ct e s t i n gp l a t f o r mc a i n _ c o n t r o lt h eb e h a v i o ro fw a s h i n gm a c h i n e b yt h ed i v e r s ep a r a m e t e rg r o u p s t h er e a lw o r k i n gc o n d i t i o no fw a s h i n gm a c h i n e i sr e c o r d e d t h ew o r k i n gc u r v eo f w a s h i n gm a c h i n ec a nb ed i s p l a y e da n d p r i n t e d 。 3 i ti st h ef i r s ts y s t e m a t i c a ld i s c u s s i o n so nt h ea p p l i c a t i o no ff u z z yc o n t r 0 1m e o r yi n f r o n t l o a d i n gw a s h i n gm a c h i n e t h ew h o l ef u z z yl o g i cc o n t r o lr u l e sa n dr o u t e s w h i c ha r ev e r ys u i t a b l ef o rf r o n t - l o a d i n gw a s h i n gm a c h i n ea r ep r e s e n t e d t h e t e s t i n gr e s u l t sh a v eb e e np r o v e dt ob ev e r ye f f e c t i v eb ye x p e r i m e n t s 4 w i t ht h eh e l po fp a r a m e t e r sa n a l y s i sa n d o p t i m i z a t i o nont h ep l a t f o r m s o m en e w t y p e so fw a s h i n gm a c h i n e sw i t hh i g hc o m p r e h e n s i v ef u n c t i o n sf i r ep u s h e dt ot h e m a r k e t ， k e yw o r d s ：f r o n t l o a d i n gw a s h i n gm a c h i n et e s t i n gp l a t f o r m f u z z yl o g i cc o n t r o l i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：飞斌2 ) 撇签字日期： 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤注盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 猢论文作者签名：i 哟i 狮导师签名：王叫 签字f 1 期 天津人学l ：程硕十学位论文 第一章绪论 1 1 滚筒洗衣机的结构及控制要求 由丁不同地区的生活习惯不同，在发展过程中洗衣机大致形成了三 大主流类型：一是搅拌式洗衣机，它依靠搅拌叶，j 往复摆动洗涤衣物， 主要流行于以美田为代表的荑洲地区。一是滚筒式洗衣机它依靠滚筒 有规律的正反旋转运动洗涤衣物，主要流行欧洲地区。三是波轮式洗衣 机，它依靠波轮连续或有规律的正反转洗涤衣物，主要流行于以卜 本为 代表的业洲地区。( 三者问的优缺点见表卜1 ) 表l1 三类洗衣机优缺点的对比表 类型优点缺点 洗净率较高，磨损率较低，结构复杂，沈涤时间长， 搅拌式 洗涤衣物币易缠绕噪音较大。 磨损率低，洗涤剂及水量较洗净率较低，洗涤时问 滚筒式少，洗衣容量大，可热水洗长，耗电大，结构复杂， 涤及烘干。 体积大而重。 沈净率高，洗涤时间短，耗磨损率高，衣物易缠绕， 波轮式 电量小，结构简单。用水量大，噪音大。 滚筒洗衣机工作原理是：滚筒洗衣机出外筒盛放洗涤液，外筒内装 有一个多孔的不锈钢内简，洗涤液可从小孔中自由流入流出，内筒内壁 沿轴向设置了三个凸筋亦称举升筋，洗涤衣物时，内筒在电动机带动下 通过举升筋及离心力的作用带动织物向上运动，当上升到接近顶部时， 织物由于重力大于离心力便从顶部掉下来，跌落在洗涤液中并与之发生 撞击，将衣物的洗涤液挤出来，而落入内筒的低部的衣物又重新吸进洗 涤液又在举升筋的作用下，被举起抛下如此反复循环，衣物在洗涤液中 与内筒内壁和举升筋产生揉搓作用，同时举升筋将衣物举起一定高度， 洗涤物自由落下与液面产生擦洗作用。于是织物与织物之间，织物与筒 天津人学r 稃硕士学何论文 壁之暗j 不断发生磨擦、撞击、揉搓产生机械力从而把衣物洗涤干净。同 时为了提高洗净度，滚筒机还具有加热功能，可对洗涤液自动加热，温 度可在3 0 - 9 0 之间调节，加快了分子的运动速度。加速了洗涤剂的化 学作用，所以滚筒机洗衣机是依靠上述机械、化学力和热力三种作用达 到洗净目的，洗涤结束后洗衣机进行自动进水二二到四次及若干次高速脱 水将衣物卜沈涤液漂冼干净并排出机外。 根据以上分析可以看出：影响滚筒洗衣机整体性能的主要因素是机 械摩擦力、洗涤时i h j 、洗停比、洗涤温度、脱水次数、脱水速度、水量 多少。其中机械摩擦力、洗涤时间、洗涤温度主要影响洗涤性能，洗涤 温度、水量多少主要影响能耗指标，但这些因素又紧密联系互相影响， 闭此如何把他们进行优化组合便是我们的i ：作重点。为了进一步了解这 些冈素对整机性能的影响程度，下而就各个凼素分别进行分析：1 机械 力 划素：主要包括衣物与内筒内壁、衣物与衣物之i 训磨擦力( 即类似手 洗的揉搓力) 和衣物与洗涤液问的撞击力( 即类似手洗的棒打力) 两个 力面的机械力，虽然这个因素主要与洗衣机本身的机械结构有关，同时 也是生产商不易改进的地方，但可以通过设置洗涤速度及最佳水位等其 他手段来改善。例如可以将洗涤速度短时提高以增加衣物与洗涤液问的 磨擦力。2 + 洗涤转速：它是根据内筒直径的大小计算出当衣物转至最 高点时e 好落下来的速度，即洗涤时摔打力最大的速度，但不同的衣物 选择不同的洗涤转速。目前一般设定在4 5 6 5r p m 之间，对一些特殊衣 物应采取特殊的速度，如洗涤羊绒衣物一般采3 0 r p m 左右的速度，它主 要利用羊绒织物在水中的轻揉的洗刷而不至于损伤纤维。因此一般情况 下洗涤转速对整机性能影响不大。3 洗涤时间、转停比：洗涤时间( 即 内筒有效转动时间) 由整个程序运行时间和转停比来决定。一般来讲洗 净性能随洗涤时间增长而提高，但不是无限制的增长，根据实验经验。 滚筒机的主沈时间一般在7 0 5 0 r a i n 之问( 到第一次排水) ，整个洗涤时 问一般在1 1 0 1 2 0 r a i n ( 含漂水、脱水时间) ，因此要解决滚筒机洗衣时 间长问题的前提是保证有效洗涤时间不变( 即保证洗净率不变) 而提高 转停比( 单位时间内内筒转动与停止时间比) 。但是并不是转停比越大 越好，因为转停比过大容易造成衣物缠绕反而影响了洗净率的提高。目 天津大学工程硕士学位论文 前电脑滚筒机转停比的设置一般有：洗5 停1 5 、洗l5 停7 、洗1 6 停5 、 洗5 5 停3 5 、洗8 停l6 、洗4 停1 2 、洗2 停2 8 等各种选择。4 脱水 速度与次数：衡量脱水性能的主要指标是含水率( 即脱水后衣物的含水 量与干衣的比率) 。影响含水率的因素较多，主要有脱水速度、脱水次 数、内简的直径、内筒网孔的大小及密度等，脱水速度越高含水率越低。 但脱水速度高低的设置同时要考虑整机的机械强度。同时脱水速度与次 数也是影响衣物漂洗干净度的主要因素，速度越高次数越多，漂洗就越 干净。但二者也有一个结合问题，即高速脱水速度可以减少脱水次数。 另外内筒上孔的密度越大、直径越大就越有利于降低含水率。5 洗涤温 度和化学力因素：在洗涤过程中洗涤剂中的化学物质与衣物的污垢发生 反应并溶解，使一些污垢与织物的结合力减小或失去从而在水的作用下 去除污垢。沈涤液体温度的升高有助于污垢溶解与分离，同时温度还影 响着洗涤剂酶的活性。一般来讲4 0 左右酶的活性最强。因此在4 0 z r ：右保持一定洗涤时j 有助于提高洗涤性能。但温度达到一定值时，沈 涤率基本就不在变化了。因此加热沈涤应综合考虑衣物的种类、污垢的 成分以及对杀菌消毒的要求，不能只顾某一方面，经验表明采取边加热 边沈涤的工作方式效果更好。6 水量的多少：水量的多少主要影响整机 的洗涤率、耗水量、耗电量等指标。一般讲水位过高，会影响洗涤液的 浓度和降低衣物下落的高度，既影响洗涤性能，同时增加耗水量、耗电 量。水位过低又可能达不到预期的效果同时会严重影响漂洗性能，因此 较理想的情况是可以通过控制器设置洗涤水位较低，漂洗水位较高。这 样较好的保证了整机的洗涤性能，漂洗性能，又不致使耗水量耗电量增 加过大。 以上这些因素对整机的影响均是从理论的角度进行的分析。具体每 个因素对整机每个指标的影响以及各个因素的改变对整机性能的影响， 必须依靠大量的实验、实践才能得出。这样就必须对洗衣机的各种控制 参数进行全方位地优化设置。一般情况下参数大都设置在洗衣机的控制 器中。但已商品化的洗衣机的控制器参数均己设置好，很难进行改变。 这就要求我们设计一种各种参数均可调的控制器来实现对整机的控制， 以便形成各种参数的最优结合提高整机性能。 天津大学i ：拌硕士学位论文 1 2 滚筒洗衣机控制策略的发展 原始滚筒机山于洗涤、脱水分别进行，他们的动作亦分别用发条式 控制器控制电机运转束保证。随着技术的发展，人们逐步将洗涤筒和脱 水筒合：为一，控制方式 分别控制发展到集中控制，后来将进水、排 水的控制与电机控制组合在一起，便形成了目前的机械式程控器控制的 全自动滚筒沈衣机，从而实现了洗衣机的进水、洗涤、漂洗、脱水、排 水自动控制于一身。此类滚筒洗衣机的控制系统只是山设计者根据自己 的经验，将洗涤衣物分为两类或三类，并根据各类衣物的特点分另u 设计 成转停比为一种或几种的有规律组合，而且只有一种洗涤转速、和彳i 同 的固定沈涤时i 训。例如棉麻织物的洗停比较大，强洗涤水流和较高的脱 水速度、洗涤时i u j 长等。因此用户只能自我判断所要洗的衣物的质地、 数量、脏污程度来相应选择不同的洗涤方式、洗涤时i n j 和洗涤速度，而 对进水的多少无法判断选择或只在较少空间选择。这样，整机的洗涤性 能、耗水耗电等性能指标的优化便不能得到更好的实现。在这种情况f 作为全电子模糊控制的过渡产品一一机电复合程控器便应运而生。它的 控制方式只是在机械控制方式的基础上增加简单的模糊判断，达到对不 同的衣物质地和重量，控制不同的进水量以降低水耗、能耗的目的。其 原理是根据不同的衣物质地、不同的衣物重量所吸水的多少不同即进水 时间的不同来模糊判断决定不同的加水量，也就是吸水量越大的衣物， 所需的水量越多加水时间就越长，i 司时这类洗衣机办容易实现根据衣物 的偏心量的大小来自动选择脱水速度以减少整机脱水震动噪音的目的。 近几年，随着电子行业的发展，全电子控制系统的设计成功，使滚筒洗 衣机在整机性能上有了大的提高。它具有洗涤方式多、操作简单、模糊 控制省水省电等鲜明特点。他将洗衣机的进水、洗涤、加温、漂洗、脱 水、排水、于衣等功能实现集中控制；能够通过对被洗农物的重量、质 地、脏净程度和洗涤温度自动识别，经过综合分析和判断后以最佳的洗 涤方案自动完成洗衣干衣的全过程。但这些自动完成的参数选择必须建 立在大量的实验基础上才能达到“最佳”。另外，由于全电子控制系统 能够和计算机、互联网实现数字连接，生产商便可以容易地对洗衣机实 天津人学j ：氍硕十学位论文 施监控。目前德国一家公司f 在研究通过因特网与洗衣机实现对话功 能，它的洗涤程序可通过与机器相连的计算机选择，语言输出可为用户 提供已进入哪一功能和状况( 程序，温度，脱水速度) 的信息，一旦机 器主页接通，屏幕即可读出功能和状况，主页阅读器通过某一单独阶段 进行工作并发出声音，同时等待输入指示采用的程序。当所有参数确定 后洗衣机通过计算机指令开始工作，对洗衣机进行遥控和监控并有自动 报警和反馈功能及实况显示功能。 滚筒洗衣机控制系统的电子模糊化使洗衣机较容易地实现了提高洗 涤性能、降低水耗能耗的目的。因此洗衣机的控制方式逐步电子化，机 械控制滚筒洗衣机的市场容量呈现逐年递减趋势，全电子控制的滚筒洗 衣机逐步获得用户的认可，市场占有率逐年上升。据统计，2 0 0 0 年欧 洲市场共销售滚筒洗衣机约1 8 0 0 万台，其中机械控制的约占4 0 ，机 电复合控制的约占5 0 ，全电子控制的约占1 0 ，预计2 0 0 2 年滚筒洗 衣机的市场容量约为1 9 0 0 万台，但机械控制的只占1 l ：机电复合控 制的占2 6 ，而全电子控制的洗衣机将达到6 3 即1 2 0 0 万台左右。 s i m e n s 公司在2 0 0 1 年投放中国市场的四款智能全电子滚筒洗衣机获 得较大的市场份额并呈现良好的上升趋势也是很好的例证。 由于提高脱水性能的需要和目前常用的串激电机本身的限制，所以 采用高转速的电机并通过对控制系统的变频化以求得进一步提高整机性 能。目前已经出现全电子的控制方式有： u m a c( 相位控制) u m d c( 相位控制) u m d c ( 主动相位控制) u m d c( 斩波控制) a s m ( c i m )( 三相变频) s r丌关磁阻电机( 三相脉冲控制) b l p m 带位置传感器( 三相变频) d d p m a c ( 三相交频) 由此滚筒洗衣机的全电子模糊化、变频化、网络化便成为其控制系 统的发展潮流。 天津大学1 ：程硕十学位论文 1 3 滚筒洗衣机的发展现状与趋势 在欧洲滚筒洗衣机已经有了近百年的历史，它以独有的能耗小、具 有加热功能的特点获得当地居民的一致青睐，并处于绝对主导地位。2 0 0 0 年度欧洲全自动滚筒机的销量约为l8 0 0 万台，占全世界销量的9 1 。 主要制造商有s i m e n s 、e l e cr l 、r o l u x 、m i e i e 、i n d e s i t 、a e g 、c a n d y 等。2 0 世纪9 0 年代以前，滚筒洗农机主要以机械式程控器控制为主， 后来随着电子行业的迅猛发展，诞生了全电子模糊型洗衣机并获得了市 场j “泛认可。随着社会的发展、生活水甲的提商，人们对能耗、环保的 要求越来越高，于是欧盟在1 9 9 5 年实行了滚筒洗衣机能效等级标签 9 5 12 e c 制度，在这个能效等级标签中规定了洗衣机的能效等级、洗涤 性能和含水率二个指标，分别分为a 、b 、c 、d 、e 、f 、g 七个等级( 如 表1 2 所示) 。但只有三项指标都达到d 级以上的产品才能上市。另外 越来越多的政府聚取提供免税、补贴等各种备样的优惠政策鼓励居民购 买a 级产品。 表1 2 欧洲滚筒洗衣机能效等级分类表 级别 指标 abcdefg 能耗 c 0 1 9 c0 2 3 c0 2 7 co 3 l c0 3 5 1 o op 0 9 7p 0 9 4p 0 9 1p 0 8 8 含水率 d 4 5 d5 4 d 6 3 d 7 2 d 8 l d 9 0 o 9 o 80 70 6 装置的用电量 k w h k o 1 9 0 o 2 5 00 3 0 0o 3 5 0 全自动 g 滚筒洗 用水量l k g 6 0 7 0 8 09 0 衣机 噪声 d b o 9 o 8o 70 6 装置的用电量 k w h k o 0 2 4 0 0 2 60 0 2 800 3 0 全自动 g 滚筒洗 用水量l k g 1 4 1 61 82 0 衣机噪声 d b 6 0 6 36 77 0 含水率 5 0 0 0 4 0 0 03 0 0 02 0 0 0 运行 天津大学i ：程硕十学位论文 无疑，进一步提高洗涤性能、脱水性能和降低水耗、电耗、噪音仍 是滚筒洗衣机孜孜追求的目标。从欧洲市场的洗衣机销售情况来看，滚 筒洗衣机还有以下发展趋势：1 全电子控制，l c d 大显示屏；2 倾斜向上的 操作盘设计，便于操作：3 直驱传动即由电机直接驱动内桶，以利于脱水速 度的提高和噪音的降低：4 增设网络接口，便于洗衣机的监控和维护。 1 4 本文的主要工作 根据前三节所述，影响滚筒洗衣机整体性能的因素较多，这些因素 间彼此互相联系，在机械结构基本不变的情况下各制造商力求各个因素 的最佳结合。而这种最佳结合只能通过大量的实验才能得出，显然利用 现有洗衣机程控器辅之于参数的改变的实验办法是远远不能达到目的 的，因此本项目立足这出发点设计丌发了洗衣干衣机测试平台。我们 能通过该平台随意设置沈衣机的各种参数组合并保存在数据库中，测 试平台根据设定的参数组合来控制 洗衣机工作，并记录洗衣机工作状态，洗衣程序结束后该平台能显 示、打印洗衣机的工作过程曲线，这样我们就可以根据洗涤效果和整机 动静态性能来判断预期设计是否合理，若不合理，我们可以对相关的控 制参数进行修改，再次测出洗衣机的性能参数指标并和上次的结果分析 比较，直到找出最佳的控制参数。 在本文主要阐述了该实验平台的总体设计方案、信号处理电路的设 计、上位机和p l c 控制系统的设计及初步测试结果。作为洗衣机未来 发展的主要控制方式，本文还探讨了模糊控制算法在洗衣机上的应用及 结果。 天津人学j l ：程硕： j 学位论文 第二章测试平台的总体设计方案与技术指标 针对目前国内滚筒洗衣机的发展现状及要解决的问题，本文研制开 发了全自动滚筒洗衣机干衣机优化测试平台，以期达到以下目的： 1 对现有型号的洗衣于衣机的洗衣干衣的每一工序的可变指标， 重新编制若干组参数，并在测试平台上测试优化出最佳参数。 2 进行不平衡测试试验，以改善甩干时的平衡状态进行机体振动测 试，寻找转速与振动的关系，以减小振动 3 对加热过程全面测擦，以寻找加热与洗涤效果的关系以及烘干 时的效果 4 在测试平台上探索模糊控制的对策与效果。 j 可对水位测量与控制，以优化出水量与洗涤效果的影响关系 6 可测控电机的转速，在各个阶段全面控制以解决洗涤甩干与不平 衡的依赖关系，以便于寻找优化关系。 7 在测试平台上探索目前定型洗衣机上还未加装的各种换感器( 如 洗涤度等) 。 针对上述目的，我们的总体设计方案如图2 1 所示： 匕= 信号处理电路 s 7 2 0 0 i 洗农干农机 驱动电路 p l c 2 v 。，先以1 2 m a 充电电流高加速， 然后以5ua 低加速，到达2 v 。电压后，又变为i 2 m a 高加速，到达v j ， 维持不变：拦v 。= 0 ，只有次高加速过程。 4 = | 夺制放大器( 引脚1 6 ) ：控制放大器将速度误差放大和校f 后驱 动触发脉冲发生器。利用l6 脚外界的阻容校矿嘲络按电动机和机械负 载的特性进行校f 补偿，得到最佳的闭环稳定性和瞬态响应，校正网络 通常由实验调试确定。 5 触发脉冲器( 引脚1 、2 、l3 、i 4 、15 ) ：该触发脉冲发生器有 四个功能。 ( 1 ) 在每个主回路的半周期内将控制放大器直流输出电平转换为 与之成比例的触发脚，发生触发脉冲。 ( 2 ) 脉冲宽度的校正。 ( 3 ) 若双向晶闸管故障或电动机电刷跳动引起电流中断，可重新发 出触发脉冲。 ( 4 ) 触发脉冲延迟到电流触发脚的零点。 l5 脚的电阻r i 2 和1 4 脚的电容c ，( 通常取4 7uf ) 决定锯齿波形。 c ，还决定脉冲宽度。l3 脚时触发脉冲输出端，应串上限流电阻，最大 允许电流为2 0 0 m a 。 6 电流限制器( 引脚3 ) ：电动机和晶闸管的安全是由电流限制器 保证的，当电流超过预定值后，使电动机转速下降。电机电流采样电阻 天津火学t 1 程硕十学位论文 r 。e 的信号经电阻r 。接3 脚。3 脚上的电阻r ，接v 。产l i 预置电流值。 在电机电流负半周时，若电流过大，使3 脚电压低于8 脚低电位，则有 电流流入限制器的放大器，经放大18 0 倍，造成7 脚的电容c 。放电， 从而使电动机转速下降，电动机电流随之降低。 3 2 2 转动不平衡测试 滚筒不平衡转动问题在脱水时是个严重的问题，不平衡是由多方因 素造成的，其中衣物摆放不匀是主要冈素。以什么样的速度和转动规律 摆平衣物是个很值得研究的过程。对洗衣机不平衡的检测有几种途 径，但限于成本和目前洗农机所具有的条件，采用直接检测内筒转动速 度并分析其规律是一条不增加成本的有效途径。 如图3 3 所示，测速r 乜机信号( 脉冲) 经过q ，、q ：组成的整形电路 处理彤成舰则方波，又经过光电隔离电路6 n b 7 后，由单片计算机8 9 c 5 1 测量方波的变化规律。方波的剧期变化代表了内筒的转动速度变化，内 筒在平衡时其测速电机的脉冲频率应是均匀的，在内简转动一周内，测 速电机的脉冲周期( 频率) 的变化反映了内筒的衣物摆放的不平衡程度。 单片计算机在内筒转动r 周内，对内筒速度作实时测量，记录入量 的数据，并同时分析出由于衣物摆放不匀而引起的速度变化值，反映了 不平衡度。单片机并将周的速度差映射为一调频信号输出即表示不平 衡度，作为p l c 的输入。 在测量时，单片机对脉冲信号是j ；= jl n t 。中断测量脉冲的周期，每 次中断时读内部的定时器t 。，计算出脉冲周期大小。代表不平衡度的 频率信号通过p 。发出，并输入到p l c 的高速计数输入端。 3 2 3 布量的测量 由于固定水位的水对内筒的阻力可视为一定值，洗涤衣物的重量直 接影响到内筒转动时所需的力矩大小，在目前的洗衣机所具有的条件下 无法直接测量力矩，而测定子转子绕组上的电压可反映力矩的大小。 即绕组电压的大小反映出布量的多少，同时测量进水浸泡衣物时补充水 盔鲨叁堂! 堡堡堂堡堡壅 量的多少，作为衡量不同布量和布质( 化纤、棉麻) 的另一因素，通过 多次实测标定出衣物重 r x , j 二者的影响关系。 图3 - 3d p 板电路原理图 天津人学l 样硕十学位论文 电机定子电压的测量电路如图3 3 所示，定子绕组电压经过2 2 0 v 9 v 变压器变换降压后整流，再经过r c 滤波电路变换为0 1 0 v 的直流信号 输入到p l c 的模拟信号输入通道。p l c 直接控制布量测量的过程，并 作数据处理。在布景测量时保持在最低水位上，由于衣物对水的吸收作 用，加入补充水以维持水位不变，i 司时对补充水的进水时问计时，作为 测如量的辅助因子。布量测量是在5 0 r p m 转速下进行测量的。 32 4 温度测量与控制 温度传感器采用负温度系数的2 0 3 a 。i 、型热敏电阻，在3 0 一1 1 0 对 心热阻值为16 12 0 k q o 9 8 l kq ，其温度( t ) 电限( r t ) 特性曲线 近似为 图3 4 温度变换电路 反对数特性，经过图3 - 4 所示电路变换后，温度( t ) 一电压( v ) 曲线 呈线性。经参数优化，当r = 4 3 k q ，r l = 2 0 kq ，r 2 = 5 k q ，r 3 = 3 9 k q 时，t = 1 4 2 8 6 v 4 2 8 6 v 可见t _ v 是良好的线性关系，采用本电路处理 后，适合远距离温度测量，抗干扰能力强，而且成本大大低于其它温度 传感器，其精度满足洗衣机测温要求。 犬律人学：科硕 学位论文 3 2 5 机体振动测试 滚筒沈衣机的振动与筒内的衣物摆放不匀有直接关系，同时与电 机的转速有关。振动测量采用位移( 振动) 传感器d a 5 ，它是回弹式， 在5 r a m 范围内输出值为1 0 v ，经过凋整电路调整为0 - 5 v 范围内。该 信号为l f 弦波信号，其变化频率跟随于洗衣机内筒的旋转频率。 经过单片机8 0 c 1 9 6 采样高速a d 后，洗衣机体的位移信号被数 字化后存储在单片机中，在一个周期内采集大量的值，在一个周期内实 时作数掘处理，求得位移的最大与最小值( 即峰峰值) ，表达了机体的 振幅大小。单片机将此值大小映射为0 1 0 v 的模拟量输出值，通过d a 转换电路a d 6 6 7 完成，输出到p l c 的模拟输入端将振动量采集到p l c 并卜传至j 二位机记录整个过程的转速与振动量的曲线。 图3 5 位移变换电路 3 2 6 水位测量及进水、排水控制 片机i i d 水位测量：水位传感器的低水位丌关触点1 2 通过加热器r r 直接与 交流电相连，其开关状态常闭点l l 、1 2 通时为无水状态，断开时为低 水位状态。1 l 、1 2 通时1 2 点直接接交流电，l l 、1 2 点的状态输入到 采用j b 板中的隔离电路，经隔离后将水位开关状态信号输入到p l c 开 光量输入端。图3 - 6 中水位开关信号j b 3 2 、j b 3 3 接入2 2 0 v 交流电压， 1 查鲨查= i 三i ：堡堕堂笪堡兰 乓矿 r 毽鼙匿群 ； 皤。j 鼍 厂备再 j 兰兰+ 12 ，l ；丫 ：一jr ：涎叁西矿! 鼍” 。 蜢! 。l 卫享 一! 【j l 1 一 羚一 ；一川 一 引 ；i 一 ：i 目竺：! 竺! 。 图3 - 6 j b 板电路原理图 帮班舞嚣难剥；。皤：i。嚣j始 j j 鲁一 i 天津人学1 稗硕+ 学位论文 经半波整流电路在j f 半波时使隔离放大器u 1 工作，使c 1 连续充电到使 q 1 到筒，驱动继电器j p 6 闭合将开关信号引入p l c 。 而水位传感器的高水位和超高水位开关为无源开关点，其状态直接 接八p l c 的， ：关量输入点。 p l c 根据过程的需要和水位传感器的水位状态决定进水和排水， 进水阀和排水阀由于功率较小，直接由p l c 的继电器输出触点加载控 制( 2 2 0 v a c ) 。 3 2 7 电动门锁状态检测与控制 电动门锁的丌关点接通的是交流负载，其丌关状态2 c 经过图3 6 中 的隔离电路处理厉，状态量接入p l c 的玎关量信号输入点。所采用的 隔离电路原理与水位丌关隔离电路原理一致。p l c 通过开关输出继电器 赢接将2 2 0 v a c 加到电z 讪门锁的加热片上，根掘运行情况决定是断电还 是加电。 天津人学t 群硕十学位论文 第四章控制系统设计( p l c 程序设计部分) 由于全自动滚筒洗衣机的洗衣过程多，动作频繁，且要求参数比较 准确，但是动作大多是按照一定的顺序执行所以采用西门子可编程逻 辑控制器( p l c ) 即可达到要求。这个程序由上位机的控制操作平台的控 制，通过对参数的适当设置，来刈洗衣机进行各种参数的调试和测试， 以求得理想的运行参数，并为今后洗衣机控制系统各参数的设计提供可 靠的数据来源。 s 0 5 = 0s o5 s 0 6 = s 0 7 = 0 s 1 o 仙精榆洲 s o6 - 0 主洗过穰 s 07 = 1 蔓 漂i * j 过秤 一s 1 0 = o 脱水过程 s 1 1 = o1 1s 1 1 = 程序结束 图4 1 主程序的框架图 天津大学t 程硕十学位论文 该洗衣机的完整过程包括顸沈、主沈、漂洗、脱水、抖散、干衣。 辅助功能有防皱和大功率加热。在预洗、主洗和漂洗中，都有进水排水 控制、洗涤控制、高速洗控制以及脱水控制。如果要进行模糊判断和控 制，则在主沈和干衣之前要进行布量检测。从整体上来看，程序的运 行具有顺序运行的特点，所以选择的主程序以顺序控制指令为主，过程 的丌始和结束用顺序来实现转换。( 其主程序的框架如图4 1 所示) 1 主沈和漂洗过程 在主洗中，洗衣机可进行正反转洗模式、高速洗模式的选择以及 脱水选择。i f 反转洗模式就是洗衣机以一个固定的转速进行正转一段时 间后，停止几秒钟，再进行反转，停止几秒钟后，再进行正转，依次循 环，其洗涤转速不超过1 0 0 r p m ：高速洗模式是在正反转的基础上加上 。次2 0 0 3 0 0 r p m 的高速洗涤。这两种模式结束后都可以进行脱水选择。 洗涤程序的结构如图4 2 所示。 图4 - 2 洗涤程序结构图 天津大学i 一程硕十学位论文 如果选择了模糊控制，程序运行之后进入布量检测过程，洗衣机丌 始进水，并以5 0 r p m 做f 反转运动，程序记录进水时间，当进水达到低 水位后，停止进水，洗衣机以3 0 r p m 的速度转动，程序丌始测量洗衣机 向量。 洗衣机停j t 进水 转述= 3 0 r p m i 列模拟带采样 调川中断程序0 + 将采样求值和 1 l 计算- f 均俏 j 上位机读墩平均值 和进水时问 图4 - 3 布量检测程序图 平 天津人学：聪硕十学位论文 布量检测在原理上主要是通过一个单片机测量洗衣机电动机定子两 端的电压，该电压会随着布量的增加而增加，单片机把该电压信号输送 到p l c 的模拟量输入端子a 1 w 6 ，p l c 通过采样，把模拟量变成整数值， 所测的数据经过处理，传给上位机，上位机经过比较，根据模糊规则， 确定出布量值，并根据稚量值确定主洗的次数和周期以及补偿进水时 间。如果没选择模糊控制，程序运行后，洗衣机丌始迸水3 0 s 后洗衣机 丌始转动，如果选择币反转模式，则洗衣机就开始读取正反转数据，根 据控制平台传下来的数据运行。如果选择了高速沈模式，则洗衣机读取 高速洗数据组来运行。运行到规定的周期后，洗衣机停止动作，开始摊 水。排水结束后，如果没选择脱水，则直接进入漂洗，如果选择了脱水， 则进行脱水，脱水之后再进入漂洗过程。 漂流过程与主沈过程基本相同，只是要重复四次主洗过程。漂沈过 程同时打开两个进水阀，在第四次漂洗结束后如果设置了防皱功能，则 洗衣机不动作，也不脱水，执行防皱功能，操作人员去掉防皱功能后， 洗衣机排水进入脱水过程。 2 脱水过程 脱水过程的程序结构如下： 图4 - 4 脱水过程的程序结构图 天津大学1 ：稗硕十学位论文 在脱水过程中，首先要先进行摆平及不平衡检测，然后根据检测情 况，决定是否进行高速脱水。首先洗衣机开始缓慢升速，在升速过程中 衣服会被散，1 ：当转速达到6 0 r p m 以上后，衣服就会贴在内简壁上，如果摆 的好，衣服就会均匀的贴在内筒壁上。当转速达到1 0 0 r p m 后，洗衣机停 止升速，这时p l c 的q o 3 发出一个不平衡检测脉冲信号，单片机开始检 区五面习 m 2 4 3 - o 摆、| ，升速 转速= 10 0 r p m 1r o o3 技m 榆测腑冲倍 i h s c 5 开始汁数 r m 2 4 2 2 1 h s c 5 停止计数 i 调h j 子程序i m b a l a n c e m 3 0 4 = 1 i t m j 脱水 图9不平衡检测子程序的方框图 犬津人学一1 程硕- j 学位论文 测，并向p l c 的高速计数器h s c 5 的输入端l o 4 发送脉冲。h s c 5 开始 计数，三秒钟以后，停止计数，把h s c 5 的当前值与一个固定数值比较。 如果当前值大于该数值，则表示不平衡，需要重新摆平，再进行检测 如果检测三次仍不平衡，则进行强制低速脱水：如果当酊值小于该数值， 则表示已经平衡，可以进行高速脱水了，洗衣机就会从1 0 0 r p m 接着向 。t - 升，进行高速脱水。在升速的过程中，通过转速指针和时间指针来读 取数据，每一次读敬两个速度值和两个时删值，速度。一是当前速度值， 速度二是将要升到的速度值，时i 白j 是升速时t 8 j ，时问二是保持时涮。 高速脱水结束后，衣服贴在内简壁上，需要抖散，洗衣机以洗涤转速开 始正反转动作，将衣物抖开。 3 速度控制与检测 上位机把设定转速下传后，p l c 通过转换公式，由p l c 的模拟量输 士 端ra q w 0 向电动机的调速板输出相应的电压值，调速板再控制电 动机，主要转换公式如下： a q w 0 2 k t + a o a q w 0 为p l c 电压输 妊端子所对应的数模转换的整数值。a q w 0 的 范围为o 3 2 0 0 0 ，对应的输出电压为0 1 0 伏， k 为升速直线的斜率它可以控制升速的快慢。k 的计算式为： k ：! 旦 ，2 一，1 为当前速度值，为将要升到的速度值，f ，与，的差为升速对闯。 a o 为矿，所对应a q w 0 端子的整数值，a 。= 2 9 v ，+ 2 3 0 上位机把数据传下来以后，p l c 根据数据计算出a q w 0 的值，并转 换为电压值输送给电动机的调速板，来控制电机。 电动机实际的转速是通过测速发电机来检测的。测速发电机根据转 速的快慢向p l c 的高速计数器h s c 0 的输入端1 0 0 发送不同的脉冲， p l c 经过处理。向上位机传送宴测转速值。 4 加热控制 主沈过程中，可进行加热选择，加热分两种：小功率加热和大功率 加热当进水达到低水位后，如果选择了加热，洗衣机就开始进行加热当 大律大学l 稃硕士学位论文 设定温度小丁二4 5 ，加热器就一直加热到主洗过程结束，当设定温度 大于或等于4 5 加热分两个阶段：当温度加热到4 5 后，保持4 5 一 段时间，对衣物进行最佳温度洗涤，然后再开始继续加热，到主洗结束 前停止加热。 天津人学翻警硕士学t i ) = 论文 第五章上位机监控管理程序的设计 该开发平台分上位机和下位机两部分。上位机用v c + + 6 0 开发应用 程序，下位机用p l c2 2 4 开发程序。上位机和下位机各有二套程序，一 套是控制串激电机的，套控制是感应电机的。 5 1 测试平台主要功能 使用范围：可应用于串激电机和感应电机两种电机调速。 程序：具有棉麻、化纤、快速和羊绒4 个程序。 过程：可选六种过程组合运行程序。 模式选择：每个洗涤过程z i j l 删种模式可供选择，过程模式可任意组 合，构成一个完整的运行程序。 电机调速：可设置0 1 1 0 0 r p m 任意转速。可设置电机升速、保持、 降速时间，并能保存。可手动没定l 卜反转次数，每个过程运行时间。 沈涤加热：可选温度为：冷水、3 0 0 c 、4 0 0 c 、5 0 0 c 、6 0 。c 、7 0 0 c 、 8 0 。c 、和9 0 0 c 。 干衣温度：棉麻、化纤、快速最高为1 3 5 。c ：羊绒最高为9 0 。c 。 脱水转速：采取用户设定脱水速度优先的原则。串激电机：用户可 设定不脱水、4 0 0 r p m 、5 0 0 r p m 、6 0 0 r p m 、7 0 0 r p m 、8 0 0 r p m 、9 0 0 r p m 、 1 0 0 0 r p m 和1 l o o r p m ；感应电机：用户可设定不脱水、4 0 0 r p m 、5 0 0 r p m 、 6 0 0 r p m 、7 0 0 r p m 、8 0 0 r p m 和9 0 0 r p m 。但设定转速不能超过程序脱水最 高转速。 可设置臭氧泵的转停比。 可设