用于滚筒洗衣机的串激电机调速控制技术的研究

南京理工大学硕士学位论文用于滚筒洗衣机的串激电机调速控制技术的研究姓名金娟申请学位级别硕士专业控制工程指导教师樊卫华201203用于滚筒洗衣机的串激电机调速控制技术的研究本文主要研究了用于滚筒洗衣机的串激电机调速控制技术，完成了串激电机调试平台的设计。主要工作及成果如下时，转速将出现超调，易导致衣物磨损。份有限公司的“串激电动机可视化调试平台”项目为背景，进行了可视化调试平台的设计，实现了上位机和下位机之间的串口通信、调试命令的发送、当前转速的接收、转速曲线的显示、调速性能指标的计算等功能。琤簑瑃五洲瓸瑃痶瑃蟫瑃咖甌鷇蒬謙响册，用于滚筒洗衣机的串激电机调速控制技术的研究研究背景和意义基于此，本文将建立串激电机可视化调试平台，同时探索更为合适的控制技术。现代控制技术的发展，模糊控制、神经网络、鲁棒控制等各种先进智能控制技术相继出现。它们不仅能够较好的克服系统参数的变化、非线性等因素的影响，而且在系统数学模型不确定时亦能获得优良的控制效果。故而，人们在工业控制等诸多领域的控制技术的研究上有了诸多选择。年，美国的比尔布莱克斯成功发明了手摇洗衣机。这种木制的洗衣机构造非即可“洗衣。因手摇洗衣机的问世，洗衣机的改进过程大幅加快。随着工业技术的发年，前装式滚筒洗衣机由美国的本德克斯航空公司研制成功，它可在同一滚筒化的进程又前进了一大步。此后，洗衣机又逐步向智能化、高效节能、降低噪音等顺应市场和用户需求的环保方向发展。年代，随着电机调速技术的提高，使洗衣机实现了较宽范围的转速变换与调节，更多新水流洗衣机也由此诞生【。接着，电机直接驱动式洗衣机在日本生产成功，它省去了齿轮传动和变速机构，结构相对简单。由此，引发了洗衣机驱动方式的大变革。近年来，滚筒洗衣机已经成为人们耳濡目染的产品，它凭借着洗涤均匀、磨损率低、节约用水量、可加热、自动化程度较高等优势，越来越受消费者的认可和青睐，需求量持续增长。滚筒洗衣机中常用的电机用于滚筒洗衣机的串激电机调速控制技术的研究阻电动机、永磁无刷直流电动机和串激电动机伫，。除了串激电动机自身的特点外，因为其高转速比的优势，在当前提倡节能的市场背应的调速控制技术也多种多样。微分项对噪声敏感等现象，因此，需要对常规鹘谄鹘懈慕。常见的几种改进在电机调速控制系统中，颇为常见的控制方法有模糊刂啤窬鏟控齈控制为初始值，对比系统的设定值，运用模糊推理增加适当的修正参数来整定，从而平衡和真验证，该方法可使系统的稳定性、鲁棒性、动态性能有明显提升。用于滚筒洗衣机的串激电机调速控制技术的研究善被控对象的控制性能【柏渲锌刂破鞯募尤凳啊兀嗟庇赑控制器文献恐校攵钥9卮抛璧缁母叨确窍咝裕岢隽嘶趌神经网络的单神经中，并经仿真或实践验证均可获得不错的控制效果。文献【】中，针对直流串激电机的参数随电机转速和环境温度而变化，且其数学模题，提出了一种带附加控制器的滑模控制器。通过仿真和样机试验，证明了这种改转速振荡小，同时可改善超调和稳态误差的问题。双馈电机【匏绷鞯缁的解耦或调速控制中，并在仿真或实验中取得较好的控制效果。用于滚筒洗衣机的串激电机调速控制技术的研究第二章，分析串激电动机的基本原理和数学模型，为后文的仿真分析和研究打下基为软件实现基础，给出总体的设计方案和具体的软件设计思路；第六章，总结本文的研究工作，并对以后的研究方向提出展望。串激电动机的基本原理下面从基本结构、工作原理、工作特性、机械特性这几个方面介绍串激电动机的基本原理。画画图串激电动机的工作原理图下面简述串激电动机在直流、交流供电时的工作原理。如图，将串激电动机的励磁绕组与电枢绕组串联，当在其两端施加直流电压时，乙厶电枢导体总数。此时，电枢电流厶、磁通西和电磁转矩互随着时间变化的关系如图用于滚筒洗衣机的串激电机调速控制技术的研究所示。惆醝、，系如图所示【】。从图中可以看出，在交流电的正半周苣时，电枢电流谖U磐也为正，产生正的电磁转矩瓦；在交流电的负半周，苣蚴保缡嗟缌鱦口反向，因向不变，因而能驱动电动机的连续旋转【】。故而，下面将只介绍直流供电时，串激电动机的工作特性和机械特性。缍墓魈匦裕侵窾保K俚丁绱抛卣娴缡嗟缌鱈变，式中，甂，此时电磁转矩与电枢电流的平方成正比。随着负载的增加，串励磁动势也增大，使磁路处于饱和状态，这时西常值，可得互厶直线。图串激电动机的工作特性转速特性系式”竺二墨恪雷竺二墨郎电流增加，转速也随之下降；负载较小时，转速会达到很高，空载时转速很可能高到危险值。如图所示，转速刀与电枢电流厶大体成双曲线关系。缍幕堤匦裕侵浮荆时，转速胛随电磁转矩瓦的变化关系，将式的电磁转矩表达式，代入式，可得图串激电动机的机械特性用于滚筒洗衣机的串激电机调速控制技术的研究串激电动机的数学模型在图所示的串激电动机的等效电路图中，兄、厶分别为电枢绕组的电阻和电感，图翠薇电功秽【的等双电始图已知电枢反电动势妒長将式代入式可得警面怀缘枰籯将以上两式代入式中，可得。”“回一一只如一出以一衍性的。本章小结用于滚筒洗衣机的串激电机调速控制技术的研究控制的基本原理再将偏差的比例、积分、微分项通过线性运算，组合成控制量，来作用于被控对象圆范猨衍隴可写成传递函数形式式中，砗为比例系数，乃为积分时间常数，为微分时间常数。其输出与输入的误差信号之间成正比关系。其输出与输入的误差信号的积分之间成正比关系。主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数乃，只方变励磁磁通、改变电枢绕组和励磁绕组构成的串联电阻尺，三种。其中改变端电硅来实现调压调速。式中，7糯笙凳煽毓璐髯爸玫氖匮映偈奔洌晃猻。用于滚筒洗衣机的串激电机调速控制技术的研究电动机的数学模型为基础，建立如下图所示的仿真模型图基于控制的串激电动机调速系统仿真模型阻尼粘滞系数电机惯量，姆存，K俦植槐洌谋銹、参数墓由此可见，采用传统刂频魉偈保粞鲜实腜、参数，能够满足滚筒足要求，以致调速效果不佳。选取参数，模拟滚筒洗衣机正反转洗涤过程如下巴图模拟滚筒洗衣机洗涤过程时，实际转速曲线用于滚筒洗衣机的串激电机调速控制技术的研究弛达到稳定。转速的变化趋势相对陡峭。当转速突变或变化趋势较陡峭时，容易使洗涤的衣物产生磨损。，、公爸歪专巴，图给定转速和调速参数保持不变，改变负载转矩时，实际转速曲线在时，负载转矩从跣甿，这时转速上升洲左右的调节，再恢复至稳定状态。现超调，易使洗涤衣物产生磨损。串激电动机调速控制的原理框图如下图串激电动机调速控制的原理框图下面介绍上图中各个模块的实现原理过零点检测电路，可检测交流电压信号在正、负半周的情况以及过零点时刻。图基于的硬件模块连接图用于滚筒洗衣机的串激电机调速控制技术的研亢首先，初始化定时器寄存器。算计数器的溢出次数。下转速脉冲信号设尸为电机转动一周的脉冲个数，则电机转速刀与其脉冲信号周期间的关系为拧旦根据相邻两次检测到下降沿时的计数器值，获得此段时间内计数时钟脉冲个数，设其中，6逼鱫募剖敝悠德剩琍为电机转动一周的脉用于滚筒洗衣机的串激电机调速控制技术的研究隽渴絇控制算法散化处理，从而通过每一采样时刻的偏差值来计算系统的控制量。这种控制算法即为数故障，容易导致重大生产事故。所以，本文在串激电动机调速控制中，采用了增量式将式离散化处理得由式可推导出由式减，令垃一七一，可得调压调速。出触发脉冲信号预留时间，保证可控硅在每半个电压周期内能导通一次。设定初值七一七七；获取当前转速值计算控制增量”【后籔一】蒔篬七“七一】计算控制量经数据处理后，材限幅环节为下一时刻准备七一咭琍笠七U七一欢逼鱨哪娇刂萍拇嫫选择位定时器模式，状态控制功能忍，其中为机器时钟频率。用于滚筒洗衣机的串激电机调速控制技术的研究发脉冲的延迟时间乙。位辶计时器停止俳龀迨涑鲆盼恢谩偷缙，使可控硅关断、电压过零点时刻，唬唬篯么勉乙玉玉玉陧序自程序自压周期德室话阄。本章小结了硬件组成，给出了几个主要的软件模块流程。由上一章中串激电动机魉倏刂频姆抡娣治隹梢钥闯觯砅控制方法需要建立串激电动机可视化调试平台的目的是通过实时显示转速曲线，观测当前、基于此，本文首先确定调试平台的基本功能，再构建其基本设计框架。本文采用了上述功能主要通过微控制器的蘏接口来实现，下文将重点介绍。一旦“握手晒衔换妥K倏刂泼包括给定转速值、比例系数砟、积分系数窒凳齂至下位机。图基本设计框图当上位机与下位机之间串行通信时，本文将采用全双工工作模式、异步通信方位数。与之间的串口通信线路图根据图的基本设计框图，给出基于的串激电机调试平台的布局图，如图用于滚筒洗衣机的串激电机调速控制技术的研究所示。一回卫；五蕊砸蛩图基于的串激电机调试平台的布局图上位机的软件设计与实现过程因此，本节将首先介绍串行通信控件咖的主要原理，然后根据上一节提出的调试平台的基本设计框架，具体介绍上位机中主要功能的实现过程。下面将简单介绍控件处理通信的方式、常用属性、使用步骤。事件驱动方式处理串行端口交互作用的一种非常有效的方式，当串口发生事件或查询方式在程序的每个关键功能执行后，可以通过眦属性的值来查询方式实质上也是事件驱动，在一些简单的应用程序设计中采用这种方法更为便捷。通过计算机的端口来通信。属性用字符串的形式来设置并返回波特率、奇偶校验位、数据位数和停件会自动关闭端口。属性向发送缓冲区中写字符串，既可发送文本数据，也可发送二进制数据。含嵌入控制字符、字符等数据，则可采用二迸制形式。添加控件的部件；用户点击“开始发送”按钮后，启动如下流程用于滚筒洗衣机的串激电机调速控制技术的研究图串口发送数据流程函数中，首先将发送区字符做数据处理，之后转化为十六进制数并存放串口发送出去。其实现程序如下誦盘浴趖箃瓣铲甤口”“囊囊懑据藻度取一位数据叭癈“谧鐃畉犁线瓣铲船为濑，图串口发送函数图串口接收功能的组成模块下面分别介绍图中串口接收功能的三个组成模块的实现过程。在函数】校紫韧齤甀保存接收到的所有字曲线。其实现程序如下纓豦蜸工昴膇取出数值，用于簍控件显示图接收文本的显示函数在函数校訲控件的操作，可实现给定转速、当前转速值用于滚筒洗衣机的串激电机调速控制技术的研究每格接受一个数据，描绘个点绘制给定的转速值羹磊蓄磬螽节刻度瓸甞羇啊啦蛳啊锚鷖鱼甲韙癶核簊数据库列为瞧毫下位机的软件设计与实现过程根据节中提出的调试平台的基本设计框架，本节首先介绍对功能实现起主要作、維是一种通用的串行数据通信接口，作为各设备间通信的关键模块，主要处理数据总线与串行端口之间的串并、并串转换。刑个寄存器疭的结构与功能当疭作为发送端时，内部总线将并行数据发送至串行输出数据寄存器用于滚筒洗衣机的串激电机调速控制技术的研究中，若串行总线处于空闲状态，则将数据送入发送端移位寄存器，此时将并发送当前转速这两部分功能。设定的数据格式来接收一帧数据；器中，此时接收数据寄存器满标志位置“；只要接收使能位谩發坏菁拇嫫髀曛疚置“，就会立即产生接收中断，且当检测完状态、数据寄存器的各错误标志位均无误后，便可将数据从读出，同时賀谩癘”，这时可接收下一帧数据。隘厂一琞囡丑丑五玉玉五同囡根据以上操作过程，设计的接收数据函数的实现流程、程序如下吼；【一皿用于滚筒洗衣机的串激电机调速控制技术的研究图觳绞敝幽较拢褪莸牟僮魇毙蛲相应的发送过程如下数据寄存器中；当发送数据写入完成时，将发送数据寄存器空标志位置“，根据以上操作过程，设计的发送数据函数的实现流程和程序如下聊簆一甿肐】；珼正；【闻培遵一一耽误鼍即一晕口叠值协议一一刊；烬雨蒙幕霞露霉一印砷砷印砷印砷印砷印坤坤下面详细介绍各区域功能。颓个数据依次为给定转速、比例系数、积分系数、微分系数的十六转速曲线放大后的细节图。示区显示当前调速的相关指标参数值。用于滚筒洗衣机的串激电机调速控制技术的研究型里蝤豳翻露雪登喊卟咎蕇戮糕豳冒钧巧筠筠震墨辫麓豳心霹隧瀚豳圈“本章实现了上位机和下位机之间的串口通信，完成了调试命令的发送、当前转速的用于滚筒洗衣机的串激电机调速控制技术的研究为了改进串激电机的调速效果、更好的满足滚筒洗衣机的洗涤要求，本文尝试探索更为优良的控制技术。神经网络逆系统方法在电机调速控制中的应用较为广泛，能够较好的克服系统参数变化、非线性因素的影响，对于系统数学模型不确定的系统亦能获得不错的控制效果。因此，本文将神经网络逆系统方法用于串激电机调速控制。本章将首先介绍神经网络逆系统的基本原理，分析串激电机调速系统的可逆性，确定其神经网络逆系统的结构。然后通过仿真分析基于神经网络逆系统的串激电动机调速神经网络逆系统的基本原理工，材瓴而口掰定义【】设系统且桓鼍哂杏成涔叵滴R砚的淙搿维输出的系统，域内的任意给定的可微函数矢量，并且在初始时刻处满足一定的初始条件，如果算子万满足下式复合成”弧弧灰籮璢唬唬甁图单位逆系统及其复合系统甹定义【柘低臣肝A硪桓鼍哂杏成涔叵滴瓦甲的淙搿维输出的系内的任意给定的连续函数矢量，并且在初始时刻处满足一定的初始条件，如果式瓄弧甹图当仅时，仪阶逆系统就是单位逆系统，即单位逆系统是仅阶逆系统的特例。系的复合系统眠，称为阶伪线性复合系统，简称为伪线性系统。左可逆性矗汉晒坌，指左逆系统可用来观测原系统的输入。其原理是，统，使得原系统在此右逆系统输出纯刂坪，的作用下输出均。在工程应用中，很多工业过程的系统错综复杂，且常表现出较强的耦合性或非线性，用于滚筒洗衣机的串激电机调速控制技术的研究由于神经网络具备如下优点使得系统具有较强的鲁棒性和容错性【】。图采用动态神经网络构成的逆系统实现线性化解耦的示意图在实际系统的控制应用中，常采用静态神经网络加上积分器的方法，来构造动态神经网络，进而逼近动态逆系统。由此组成的神经网络逆系统，存在两种结构形式基本图是神经网络广义逆系统的基本结构，其特点在于图神经网络逆系统的基本结构示意图图神经网络广义逆系统的基本结构示意图菇峁筟】用于滚筒洗衣机的串激电机调速控制技术的研究另一方面，真正发挥了神经网络的优势，较大程度的扩展了神经网络逆系统的功能，使其更加适用于工程应用例。图神经网络逆系统的扩展结构示意图許低澄神经网络逆系统的构建，。其中唬停】表示系统的状态向量，”是状态向量的维数，亦即状态方如果不论对系统的输出函数求多少阶导，都不显含系统输入“，则可判伞浴黾一伞浴怀摺一吃南一】萝伞岛岛汀一巩。薯一】；伞吃兰【专“一五籆，巧骸吃毫籖岛】蛔吃葛用于滚筒洗衣机的串激电机调速控制技术的研究统状态量个数相等，从而可判断串激电机调速系统是可逆的。专伞濉芤魂薄兑弧婺三掣湎喽越孜，与简化后的系统状态量个数相等。莘窍咝韵低车淖刺匠獭刺鄄獾哪岩壮潭纫约澳嫦低持惺涑鰕的最可以确定矩阵彳及变换多彘缶乞一、，五。了痽从而得到广义逆系统为令磊为输入，甜为输出，则其等效复合系统为因本文在仿真研究中发现，对于串激电机调速系统，相比淙雔输出的逆系统所以，根据图所示神经网络广义逆系统的基本结构示意图，即可确定串激电机调速系统的神经网络逆系统结构，如图所示。下文将基于此结构进行训练和仿真研斟甜昌一图串激电机调速系统的神经网络逆系统结构个输入、鍪涑用于滚筒洗衣机的串激电机调速控制技术的研究网络属于反馈型神经网络，它是一种动态神经网络，主要擅长优化计算和联想图三层前向神经网络神经网络逆控制的训练与仿真实现接着，通过高阶数字滤波器来滤除高频噪声，并采用高阶数值微分法来计算某些输出的导数；针对训练好的神经网络，基于检验数据集，检验网络是否具有较好的泛化能力。如用于滚筒洗衣机的串激电机调速控制技术的研究根据神经网络逆系统的训练步骤，下面对串激电机调速系统的神经网络逆系统加以训练。在如图所示的串激电机调速系统的激励采样仿真图中，根据滚筒洗衣机洗涤过图串激电机调速系统的激励采样仿真图却槎允淙肓刻砚、输出量和状态变量厶分别进行采样，设置采样周期为甇，共采样组数据样本。因此，为获得神经网络的训练样本集楦撸兀蹋，需采样五点求导法离线计算输出筝疆一一搴卜簟畂籦用于滚筒洗衣机的串激电机调速控制技术的研究印穚簍猼，痶繇，簊，训练神经网络时，需要选择隐含层神经元个数和各层之间的传递函数、网络的通过组测试数据来检验神经网络的泛化能力，其预测误差主要保持在士左删试数据，【图衜为归一化模块，图械膍用于滚筒洗衣机的串激电机调速控制技术的研究核俊瓯畛架毛。一血其中，为归一化处理的目标范围，默认为。能够很好的拟合等效系统，表明神经网络训练成功。与神经网络逆系统一起，构成神经网络逆复合控制器，用于串激电机的调速控制。其仿真连线如下图控制仿真效果作对比。给定转速为挑时，选取三组不同的比例系数时，相应的实际转速曲线如下，一、墓用于滚筒洗衣机的串激电机调速控制技术的研究给定转速挑保持不变，改变控制参数，卸神经网络逆控制，效果，而且参数选取极为直观和方便。翟选取参数，给定转速为痵，负载转矩轧从肌减小，、毫、的调节，再恢复至稳定状态。直观和方便。而且，在满足滚筒洗衣机的调速要求的同时，对负载的变化具有更强的鲁突出。经网络逆系统的训练过程，结合和下位机调速系统间的串口通信，提出如下用于滚筒洗衣机的串激电机调速控制技术的研究训练思路通过做相应的数据处理后保存。神经网络逆系统训练成功后，可将其权值、阀值信息用于实际系统的软件设计中。本节将首先介绍神经网络逆控制的软件实现总流程，再分别介绍各部分的设计思从仿真可知，对比例控制输出的控制量“，需经过延迟环节、积分器才能获得神经网络的其中三个输入量，另外一个输入量可通过实际测量获得。对于延迟环节，若假设延迟时间与采样时间比值的近似整数值为口，则“经延迟环节的输出为咭豢。对于积分器，可用求和式来代替。刂扑惴图扑闵窬个输入的软件实现流程如下用于滚筒洗衣机的串激电机调速控制技术的研究神经网络具有鍪淙胂蛄俊个输出向量、鲆悖渲幸阌个神经输入层神经元上采用线性传递函数。神经元的阀值为【浚趇个隐含层神经元到输出层神经元的连接权值为】，输出层神经元的阀值为。石分别为函数、，且产五考猯，蝉】。输入隐含层神经元单片机中实现加法、乘法算术运算时，均借助其内部的累加器、乘法器等硬件电路。运算速度大大降低。而且，产需要经过很多次的乘法、累加运算，必须占用大量的数据内存空间，才能在单片机中完全存储其运算结果。若为了减小占用的内存空间而不完畑粁，一畑粁，笠籓，一；蔊粁改进后的神经网络算法，其软件