1、毕业论文( 设计)题 目 恒压吸尘器控制器设计 学生姓名 王小飞 学 号 20071336087院 系 信息与控制学院专 业 自动化指导教师 张自嘉二一一 年 五 月 八 日恒压吸尘器控制器设计王小飞南京信息工程大学信息与控制学院，南京，210044摘要：通过控制器调节风力大小的吸尘器，可以在吸尘器风嘴被堵住时通过感应器自动调节风力大小，解决吸尘器在吸尘过程中的可能被堵，从而可能引起电机温度迅速升高或被烧的问题，通过硬件方面的设计，软件方面的编程解决风力过大损坏吸尘器或者风力过小无法吸除杂物的问题。本文通过风压检测装置检测当前风嘴空气压力大小，并将信号传输给单片机，单片机将传输过来的信号与预定
2、标准信号大小进行比较，当前信号小于预定信号时，单片机发出指令，增加电机驱动电路电流，当前信号等于预定信号时，稳定电机驱动电路电流，同时设定电机驱动电路电流上限值，防止电流过大烧坏电机。这样，既能方便地用吸尘器吸取杂物，又不会烧坏电机，达到方便，快捷，安全的目的。关键词：风压检测器；单片机；电机驱动电路；电机；恒压吸尘器；控制器绪论尘器是我们日常生活中常见的家用电器，现在人们的生活水平日益提高，吸尘器也进入了千家万户，它也给我们的生活提供了很多方便，但是，在吸尘器的使用过程中，往往会遇到一些特殊的情况会影响吸尘器的正常使用，比如吸尘器风力过小无法吸取较重的杂物，或者当杂物过大时，堵住了吸尘器风嘴
3、，而吸尘器又没有能智能提高电机转速，加大风力以吸入杂物，又者智能芯片不断加快电机转速，来增加风力以求能吸入杂物，但杂物却无法吸入依旧堵住风嘴导致电机过热而烧坏电机等。如何解决这些问题从而来方便我们的生活呢？通过检测当前吸尘器风嘴空气压力，从而得知目前吸尘器风嘴是否有异物堵住以及当前吸尘器风力是否过小，经过单片机控制，来调节电机转速，并设置电机最高转速，以防止电机烧坏，这样在我们日常使用吸尘器的过程中也能避免吸尘器所带来的问题，可以方便我们的生活，提高我们的生活品质，同时也让商家生产出质量出众的商品，一举两得。吸尘器是集机械学，电子技术，传感技术，控制技术等多方面科学的仪器，对其进行研究发展，不
4、仅可以提高人们的生活质量，也会促进多门学科的共同发展以及促进多门学科的联系发展。基于微分反馈的吸尘器模糊控制一些公共场合，如宾馆、写字楼、酒楼、商场的不同楼层、不同房间、不同位置的地面材质、脏污情况复杂多样，来往人数变化不定，存在不同程度的时变性，且常含有非线性环节，难以对灰尘状态建立精确的数学模型，很难用传统的控制理论进行系统分析和设计。在日本，模糊逻辑已深深地渗透到日常生活中，达到了家喻户晓的程度。由于其学术界、产业界和政府部门之间的通力合作，其大量的模糊电器涌入欧美市场，受到了消费者的普遍欢迎。近年来，我国电器企业也紧跟国际先进潮流，加强了模糊控制电器产品的开发研究工作，并取得了可喜的成
5、果。模糊控制吸尘器大大提高了传统吸尘器的性能，使操作更加简便，并具有明显的节能效益。2.1 模糊控制器输入输出参量由于公共场所的地板面材质不同以及脏污程度不同，所以模糊控制吸尘器的输入参数主要有三个：灰尘量；干湿度；地面材质。输出参数主要是吸尘器的吸力大小。因此简单的模糊控制是三输入单输出结构。但其三个输入参数分别又有几种状态： 如灰尘度有湿润、中性、干燥三种， 灰尘量有较少、一般、较多三种， 地面材料有地瓷板、地木板、地毯等。根据实验结果和经验数据确定合适的论域后定义各变量的模糊集合为：（1）干湿度（H） ：湿润（ L） 、中性（M） 、干燥（S ） ；（2）灰尘量（Q） ：较多（ L） 、
6、一般（M） 、较少（S ） ；（3）地面材质（I） ：地毯（ L） 、木地板（M） 、地瓷板（S） ；（4）吸力（X） ：大（ VL） 、较大（L） 、适中（M） 、较小（S ） 、小（VS） 。相应地建立其对应的模糊子集隶属函数如图 1 到图 4干燥 中性 湿润干湿度的隶属函数较少 一般 较多灰尘量得隶属函数地砖 地板 地毯地面材质的隶属函数小 较小 适中 较大 大吸力大小的隶属函数2.2 模糊规则库的建立这个控制规则可用下述 27 条模糊条件语句来描述：if H=L and Q=L and I=L then X=VLif H=L and Q=M and I=L then X=VLif H=
7、L and Q=S and I=L then X=Lif H=M and Q=L and I=M then X=VLif H=M and Q=M and I=M then X=VLif H=M and Q=S and I=M then X=Lif H=S and Q=L and I=S then X=Lif H=S and Q=M and I=S then X=Lif H=S and Q=S and I=S then X=Mif H=L and Q=L and I=L then X=VLif H=L and Q=M and I=L then X=Lif H=L and Q=S and I=L
8、then X=Mif H=M and Q=L and I=M then X=Lif H=M and Q=M and I=M then X=Mif H=M and Q=S and I=M then X=Mif H=S and Q=L and I=S then X=Mif H=S and Q=M and I=S then X=Mif H=S and Q=S and I=S then X=Sif H=L and Q=L and I=L then X=Mif H=L and Q=M and I=L then X=Mif H=L and Q=S and I=L then X=Sif H=M and Q=
9、L and I=M then X=Sif H=M and Q=M and I=M then X=Sif H=M and Q=S and I=M then X=VSif H=S and Q=L and I=S then X=VSif H=S and Q=M and I=S then X=VSif H=S and Q=S and I=S then X=VSL M SI L M S L M S L M SL VL VL L VL VL L L L MM VL L M L M M M M SS M M S S VS VS VS VS VS表 1 模糊控制表注：表中第一行 L、M、S 属于 H，表中第二
10、行属于 Q上述描写模糊控制的 27 条模糊条件语句之间是“或”的关系，可采用最大隶属度方法，将控制量变为精确量，利用单片机可根据不同的输入量预先计算好控制量 U，制成如表 1 所示的控制表，作为“ 文件”存储在计算机中。当进行实时控制时，从“文件”中查询所需采取的控制策略。湿度的检测在吸尘器的灰箱入口处设置一个湿度传感器，可连续高湿使用，脉冲输出，无须光电隔离，无须 A/D 转换，可用测频率的方式获得数据，可检测出地板灰尘的干湿程度。灰尘度的检测在吸尘器的吸管内设置光电传感器用以检测灰尘量，其光电信号送入灰尘传感器，灰尘传感器安装在导管内，把发光二极管（红外线型）和三极管相对设置，并使红外线成
11、束状发射。当灰尘通过时，因红外线被遮挡，到达三极管的红外线的量发生了变化。取出变化部分，经过放大器放大后，再经过整流变为脉冲信号。通过测量脉冲信号的数目可以判断灰尘量的多少。如果灰尘传感器被污染，则其红外线的透过率变小，于是可通过检测红外线微分的变化来克服影响， 当透过率低于设定值时可产生报警，提醒工作人员清洗传感器表面，确保正常工作。通过检测灰尘量变化快慢可以检测出地面材质，如图 5 所示。灰尘量吸尘时间地砖地板地毯图 5 灰尘微分检测地面材质模糊控制的设计用单片机组成硬件系统，用软件来实现模糊化、模糊逻辑推理、去模糊化过程， 即用软件来实现模糊控制算法。这种模糊控制器的特点是资源开销少、灵
12、活性高、通用性强。其原理框图如图 6 所示。设定 偏差模糊化偏差微分模糊化模糊逻辑推理去模糊化 驱动 吸尘器反馈检测图 6 模糊控制器设计原理框图空气压力检测系统空气压力检测是吸尘器气压信号处理的一个重要部分,可采用软件或硬件两种方式。软件方式是通过程序实现对数字峰值的检测,而硬件方式则是通过模拟和数字元件实现对模拟信号的峰值处理。本设计中吸尘器空气压力检测采用硬件方式。21 峰值检测的基本原理从工程学角度来说,广义峰值也包括谷值,峰值检测就是在指定的时间内检测出被测信号的最大值和最小值,因此,峰值检测可表示为式(1)和(2) 。Sp = S ( t) max ( t1 t t2) (1)Sv
13、 = S ( t) min ( t1 t t2) (2)式中, Sp 和 Sv 分别为信号的峰值和谷值, S ( t) max 和 S ( t) min 分别为所测时间段信号的最大值和最小值, t1 和 t2 分别为检测的起止时间。2.2 吸尘器空气气压值检测系统吸尘器空气气压值检测系统是吸尘器气压实时监测与控制系统的一部分,吸尘器的气压信号经传感器变为电信号,再经放大、采样/ 保持和 A/ D 转换后送单片机处理后控制电机转速。吸尘器空气气压值检测系统的总体结构如图 1 所示。图 1 吸尘器气压峰值检测系统结构示意2. 3 传感器及前置放大不同传感器的灵敏度和性能相差很大。由于本系统用于检测
14、吸尘器的气压,因此采用自行设计的霍尔传感器。该传感器具有较高灵敏度,输出电压范围在 A/ D 转换器转换电压范围内。霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔（A.H.Hall，18551938）于 1879 年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。在半导体薄片两端通以
15、控制电流 I，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为 B 的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为 U 的霍尔电压。流体中的霍尔效应是研究“磁流体发电”的理论基础。（1）电流传感器必须根据被测电流的额定有效值适当选用不同的规格的产品。被测电流长时间超额，会损坏末极功放管（指磁补偿式） ，一般情况下，2 倍的过载电流持续时间不得超过 1 分钟。 （2）电压传感器必须按产品说明在原边串入一个限流电阻 R1，以使原边得到额定电流，在一般情况下，2 倍的过压持续时间不得超过 1 分钟。（3）电流电压传感器的最佳精度是在原边额定值条件下得到的，所以当被测电流高于电流传感器的额定值时，应选用相
16、应大的传感器；当被测电压高于电压传感器的额定值时，应重新调整限流电阻。当被测电流低于额定值 1/2 以下时，为了得到最佳精度，可以使用多绕圈数的办法。（4）绝缘耐压为 3KV 的传感器可以长期正常工作在 1KV 及以下交流系统和 1.5KV 及以下直流系统中，6KV 的传感器可以长期正常工作在 2KV 及以下交流系统和 2.5KV 及以下直流系统中，注意不要超压使用。（5）在要求得到良好动态特性的装置上使用时，最好用单根铜铝母排并与孔径吻合，以大代小或多绕圈数，均会影响动态特性。 （6）在大电流直流系统中使用时，因某种原因造成工作电源开路或故障，则铁心产生较大剩磁，是值得注意的。剩磁影响精度。
17、退磁的方法是不加工作电源，在原边通一交流并逐渐减小其值。（7）传感器抗外磁场能力为：距离传感器 510cm 一个超过传感器原边电流值 2 倍的电流，所产生的磁场干扰可以抵抗。三相大电流布线时，相间距离应大于 510cm。（8）为了使传感器工作在最佳测量状态，应使用图 110 介绍的简易典型稳压电源。 （9）传感器的磁饱和点和电路饱和点，使其有很强的过载能力，但过载能力是有时间限制的，试验过载能力时，2 倍以上的过载电流不得超过 1 分钟。 （10）原边电流母线温度不得超过 85，这是 ABS 工程塑料的特性决定的，用户有特殊要求，可选高温塑料做外壳。 霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积
18、小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达 1MHZ） ，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达 m 级） 。取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达55150。 按照霍尔器件的功能可将它们分为: 霍尔线性器件和霍尔开关器件。前者输出模拟量，后者输出数字量。按被检测的对象的性质可将它们的应用分为:直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、
19、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。由于要对吸尘器进行气压检测,为保持一致性,放大电路选用一片高增益四运算放大器 LM324。2.3 采样/ 保持器采样/ 保持器是系统的核心部分,采样/ 保持器和比较器组合是峰值检测电路的典型结构。本系统中采样/ 保持器选用通用型 LF398 单片采样 / 保持芯片,其动态和保持性能可通过合的外接电容得到 ,如选用 1 000 pF 的保持电容,则具有 6s 的采样时间,可达到 12 bit 精度。LF398 第 8 脚是采样/ 保持器的逻辑控制端,输
20、入为高电平时 LF398 采样,输入为低电平时保持。如图 2 (a)所示,当输入 Si 大于输出 So 时,LF398 处于采样状态;当输入 Si 小于输出 So 时,LF398 处于保持状态,输出保持定值,可检测出峰值。将比较器的另两个输入端反接,如图 2 (b) 所示,可构成谷值检测电路。图 2 轮胎气压峰值和谷值检测电路原理为实现多通道峰值和谷值的数据采集,同时保证各通道数据互不影响,多采用软硬件相结合的控制方案,即在采样/ 保持器的控制端与比较器的输出端之间加一逻辑控制,通过程序选择其连接方式,实现多通道峰值和谷值检测及采样/ 保持功能。图 3 所示为气压值检测电路。图 3 吸尘器气压
21、信号值检测电路2.4 A/ D 转换为简化系统结构,A/ D 转换选用 ADC0809 转。换芯片(具有 8 路锁存的模拟开关) ,并通过程序对 8 路05 V 的输入模拟电压信号进行分时转换。电机的设计3.1 电机的选择单相串励电动机设计主要包括：工艺结构尺寸的确定，冲片的磁路及尺寸的设计，换向器电刷的匹配，电枢绕组和激励绕组的计算，功效性能的设定。单相串励电动机的性能和使用寿命与换向情况有很大的关系。我们家用的真空吸尘器电机的转速往往在 30 000 r/min 左右，并且电机的换向是在不同的电流瞬时值下进行的，在交流电的一个周期 T 内进行多次换向，使得换向周期 T 1 极短，往往小于
22、0.1us，这样就增加了换向元件的感应电势，恶化换向，增加火花。此外，高速使得电刷和换向器间的磨损，振动，冲击，转子不平衡等问题增加，使得换向更加恶化。所以，家用吸尘器使用的单相串励电机应该尤其注意换向问题。3.1.1 定转子冲片的选定单相串励电动机冲片的设计分为五大部分磁路的设计计算，分别为：气隙磁压降，电枢齿磁压降，电枢齿高、宽、轭高等以及磁极高 h，极身宽，极弧宽、定子铁芯轭高等尺寸的确定，并且需要结合结构性能进行实际的校验和纠正，最终才能确定一款合适的定转子冲片尺寸。我们选择的这款电机定子冲片长*宽为 78*83 平方毫米，气隙 1.2 毫米,转子直径为 46 毫米,极弧系数为0.64
23、。根据电机设计理论:极弧系数越大 ,电机材料利用率越高愈大,一个极下气隙磁通愈大,电磁转矩大。但过高的极弧系数,会导致极向距离减小,增加主磁极的漏磁,还会使换向区间减小,主磁通进入换向区域的可能性增加,导致火花增大,换向恶化。此款冲片的极弧系数选在实践经验范围的较小值,有利于换向。定转子外径比为 2.17,放置定子激磁绕组线窗大,利于嵌线。电磁负荷小,发热因子小,换向元件感应电势小,也有利于换向。另外,增大气隙有利换向,并能减小电机磁极表面损耗和附加转矩等,但气隙过大反而使电机激磁磁势增加,增加用铜量,引起功率因数和效率的下降以及温升的增高。在实际测试中发现用于 2 kW 吸尘器电机时,效率在
24、 36%左右,正常负载温升超过 50 K。根据上述分析,原因在于其过分注重电机换向困难问题，导致气隙设计过大。从而，作一下对比试验可以知道，当冲片气隙减小,取 0.75 mm 时(其余不变), 测试结果证实效率比原机高 2%,正常负载温升也降低 3 K,而且换向火花状况依然良好,这就证明了上述分析结果的正确性。如不改变冲片尺寸,要降低温升,可采取减少绕组线负载加粗漆包线线径,减小电磁负荷、增加叠厚或使用铁损小、级别高的矽钢片,这样不但使电机成本上升,叠厚增加还会加大转子挠度引起电枢脉振,产生异常噪声和振动。因此,不改进气隙对 2 kW 电机性价比来说是不利的。3.1.2 噪声与效率的改进2 k
25、W 吸尘器用电机结构是无机壳的开放型设计,其优点是节省了装配工艺,有效地散热和快速适应功率款式的变化,但由此带来不利因素是噪声的增大和牢固性的下降,还有为经济考虑而使用现吸尘器通用轴承608z,很大程度上抑制了 2kW 电机转子对挠度的要求。转轴中段采用 10 mm 或 11mm, 虽能加强转轴的刚性,但转轴两端轴承段磨外圆而设置的砂轮越程槽使两端支点过细,即使在动平衡测试机(一般测试转速只有 2 000 r/min 左右)上平衡量很好 ,但大直径大惯量转子在 3 000 r/min 的高速运转中避免不了挠度和振动的产生。对此现改进如下:(1)加强两端支点强度,取消轴承段转轴砂轮越程槽,轴加工
26、时做到圆角过度。(2)加大轴承端直径,采用 629z 轴承。(3)提高转轴的硬度和直线度。(4)使用高精度的动平衡机和控制转子的切削量,尽量做到少切削并控制动平衡量在 20 mg 以下。以上措施能有效降低噪声 23 dB,还能减小定转子气隙,可靠提高电机效率和寿命。3.2 单片机控制电机启停三相异步电机启动方式由其功率决定，一般规定，电动机功率在 10KW 以下，可直接启动（即电机全压启动，直接开启开关，将三相接入电源） 。10KW 以上，要根据电动机容量和电源变压器容量比值来确定，对于给定电动机功率，一般最大功率不大于变压器容量的 20%-30%则可以直接启动，否则需降压启动以防止过大的起动
27、电流会在线路上产生较大的压降，使电网电压波动很大，影响并联在电网上的其它设备的正常运行。针对小功率三相异步电机的启停，当前国内外还较多地采用继电器、接触器等控制电器来实现自动控制。由于继电接触器控制系统是通过触点的机械运动来通断主、控回路，然而触点因为电、机械和化学的原因易于磨损，并且在高冲击、振荡的工作环境下，触点容易发生误动作。若主回路有感性负载，则易于产生触点燃弧及回跳，对外界的电磁干扰较大，并且控制系统中间环节多，必须确保每部分工作准确，系统才能正确工作，所以它存在不少缺陷，必须改进。这里介绍以三相交流固态继电器作为单片机和三相电机接口器件，根据空气压力检测系统控制三相异步电机转速，减少中间环节，确保控制系统稳定工作，同时可视化的电机控制系统应用前景广阔。
