多功能清潔凈化器系統(tǒng)電氣控制辦法

高浩源

（防災(zāi)科技學(xué)院，河北 三河 065201）

0 引 言

多功能清潔凈化器是防災(zāi)科技學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目開發(fā)的使用工頻220 V工作的系統(tǒng)，它是集物品清掃、室內(nèi)消毒、空氣凈化、房間除螨、異物除臭等功能于一體的小型電器。

多功能清潔凈化器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為硬件電氣系統(tǒng)搭建和軟件算法控制。系統(tǒng)要求控制多元化且能在不同環(huán)境下達(dá)到既定穩(wěn)定性，針對這一問題，本文將探討在硬件層面使用電力電子技術(shù)及信息電子技術(shù)完成電能轉(zhuǎn)化及控制；在軟件層面主要使用PID算法調(diào)節(jié)各用電模塊在不同工作環(huán)境下的工作穩(wěn)定性及反應(yīng)迅速性。

1 被控元器件及控制目的

我們將采用工頻220 V的電能作為系統(tǒng)供電電源，經(jīng)過斷路器作用于系統(tǒng)確保供電安全。系統(tǒng)所用的工作模塊可分為220 V的交流電模塊和12～3.3 V的直流弱電模塊。由于各模塊正常工作電壓差別較大，需采用電力電子器件連接各模塊使得交流電模塊與直流弱電模塊能夠正常運(yùn)行，同時(shí)做到電能變換和控制，使得命令信號和反饋信號能夠正常傳遞。

1.1 強(qiáng)電工作模塊

模塊分為負(fù)離子發(fā)生模塊、紫外消毒模塊、臭氧發(fā)生模塊。這3個(gè)模塊均需借助高頻振蕩實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，因此將220 V家用交流電作為供電電源以高效率驅(qū)動(dòng)模塊工作，減少不必要的電能轉(zhuǎn)化，從而提高工作效率并簡化硬件設(shè)計(jì)。由微控制器（STM32）控制各模塊運(yùn)行和關(guān)斷，引入雙向電力電子器件實(shí)現(xiàn)弱電控制強(qiáng)電。

負(fù)離子發(fā)生模塊、紫外消毒模塊、臭氧發(fā)生模塊均通過電力作用產(chǎn)生所需物質(zhì)，首先微控制器（STM32）通過驅(qū)動(dòng)電路連接雙向全控電力電子器件，以控制各模塊運(yùn)行或關(guān)斷，從而控制各模塊的工作狀態(tài)。

1.2 弱電工作模塊

弱電模塊分為12 V直流電模塊（電機(jī)、風(fēng)扇、吸氣泵）以及3.3 V直流電模塊（微控制器STM32、獨(dú)立按鍵、紅外模塊、溫度模塊、顯示屏模塊等）。3.3 V直流電模塊的主要作用是系統(tǒng)控制以及采集反饋信息，并通過算法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定、高效的運(yùn)行。

電機(jī)、風(fēng)扇、吸氣泵均通過電力作用產(chǎn)生動(dòng)作。首先，由微控制器（STM32）通過以全控型電力電子器件MOSFET為核心的驅(qū)動(dòng)電路來控制各模塊開關(guān)狀態(tài)。其次，要求使用獨(dú)立按鍵調(diào)節(jié)各模塊工作狀態(tài)。通過軟件調(diào)試PID，借助按鍵選擇需要的模塊工作狀態(tài)，并迅速趨于穩(wěn)定。最終，模塊在不同的工作環(huán)境下均能達(dá)到既定值。獨(dú)立按鍵、編碼器、紅外模塊、溫度模塊采集信息反饋給微控制器（STM32），由微控制器根據(jù)反饋信息調(diào)節(jié)各模塊工作狀態(tài)。

2 電力電子技術(shù)及信息電子技術(shù)的運(yùn)用

電力電子技術(shù)屬于應(yīng)用與電力領(lǐng)域，即使用電力電子器件，如晶閘管、IGBT等對電能進(jìn)行變換和控制。信息電子技術(shù)用于信息采集及處理，包括數(shù)字電子技術(shù)和模擬電子技術(shù)。在多功能清潔凈化器系統(tǒng)中使用的電力電子技術(shù)包括電能變化開關(guān)電源技術(shù)、電能控制雙向可控電力電子技術(shù)和低壓驅(qū)動(dòng)高壓的驅(qū)動(dòng)技術(shù)。

2.1 開關(guān)電源整流技術(shù)

開關(guān)模式電源（Switch Mode Power Supply,SMPS）又稱交換式電源、開關(guān)變換器，是一種高頻電能轉(zhuǎn)換裝置。整流技術(shù)利用PN結(jié)的單向?qū)щ娦詫⒎较蜃兓慕涣麟娮兂蓡我环较虻闹绷麟姡瑢F(xiàn)有電壓通過不同形式的架構(gòu)電路轉(zhuǎn)換為用戶端所需電壓。開關(guān)電源的輸入多為交流電（工頻220 V），而輸出連接多為需要直流電源的設(shè)備，例如手機(jī)電池等。開關(guān)電源技術(shù)可將工頻220 V的電流經(jīng)開關(guān)電源電路轉(zhuǎn)化成電壓為5 V的穩(wěn)定直流電。開關(guān)電源利用頻繁切換晶體管飽和區(qū)和截止區(qū)的方式，使得電路可通過所需形式的電能，后經(jīng)穩(wěn)壓及濾波得到所需電壓。切換晶體管飽和區(qū)和截止區(qū)存在較高的耗散，但時(shí)間很短，因此可在節(jié)省電能損耗的同時(shí)減少電路過熱情況的出現(xiàn)。開關(guān)整流技術(shù)中，電壓穩(wěn)壓通過調(diào)整晶體管導(dǎo)通及斷路的時(shí)間實(shí)現(xiàn)。開關(guān)電源整流電路的高轉(zhuǎn)換率是其一大優(yōu)點(diǎn)，而且因?yàn)殚_關(guān)電源工作頻率高，可以使用小尺寸、輕重量的變壓器，因此選用該技術(shù)為系統(tǒng)提供電能。

多功能清潔凈化器使用AC/DC型開關(guān)電源整流技術(shù)，其工作模式如圖1所示。將220 V工頻交流電接入整流電路中，經(jīng)整流電路變?yōu)橹绷麟姡蠼?jīng)高頻逆變生成高頻交流電，將高頻交流電連接到變壓模塊，生成低壓高頻交流電，再經(jīng)高頻整流后接入濾波器，轉(zhuǎn)換為直流電。系統(tǒng)采用220 V工頻交流電轉(zhuǎn)化為12 V直流電源的開關(guān)電源電路。

圖1 AC/DC開關(guān)電源工作模式

2.2 以MOSFET為核心的驅(qū)動(dòng)電路

MOSFET金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管簡稱為金氧半場效應(yīng)晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET），是一種廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場效應(yīng)晶體管（Field-Effect Transistor,FET）。MOSFET具有控制簡單、體積小、重量輕、壽命長、輸入電阻高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低等優(yōu)勢。

多功能清潔凈化器系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)是將信息電子電路傳來的電壓信號按照微控制器（STM32）的命令轉(zhuǎn)換后加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開通或關(guān)斷。開通MOSFET全控型器件需要提供開通控制信號，關(guān)斷則需要提供關(guān)斷控制信號，以保證器件按要求可靠導(dǎo)通或關(guān)斷。在微控制器（STM32）I/O口發(fā)送正向信號，信號經(jīng)電路處理后送至MOSFET，MOSFET響應(yīng)觸發(fā)信號，溝道打開使得電流通過，從而控制其他模塊的開啟或關(guān)斷。

2.3 雙向可控電力電子技術(shù)

雙向可控電力電子技術(shù)以全控型電力電子器件為核心。常見的全控型器件有GTO、MOSFET、IGBT等，電力電子器件可直接用于主電路中電能的變換和控制。在全控型器件中，絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電力電子器件，兼具M(jìn)OSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)，使得電壓、電流耐受較大。IGBT綜合了以上2種器件的優(yōu)點(diǎn)，是系統(tǒng)中控制型元件的首選。

在多功能清潔凈化系統(tǒng)中，要求被控電路使用工頻220 V的電源供電。IGBT耐受電壓大，啟動(dòng)電壓小，開關(guān)速度快，是較為理想的全控型器件，但由于IGBT具有單向?qū)щ娦裕孕柽x用主電路為IGBT的雙向復(fù)合管RB-IGBT，從而實(shí)現(xiàn)在交流電路中可自由控制其開通、關(guān)斷的功能。微控制器（STM32）經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路連接RB-IGBT，可控制工頻220 V交流電模塊的開通或關(guān)斷。

2.4 微型計(jì)算機(jī)控制（STM32）

STM32系列專為高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)。半導(dǎo)體硅片集成有中央處理單元（CPU）、存儲器（RAM、ROM）、GPIO、定時(shí)器、中斷系統(tǒng)、系統(tǒng)時(shí)鐘電路及系統(tǒng)總線，具有高性能、低成本、低功耗、可裁剪、運(yùn)算速度快等優(yōu)點(diǎn)。

多功能清潔凈化器系統(tǒng)中的STM32為核心控制單元，各模塊I/O口與相對應(yīng)驅(qū)動(dòng)電路相連，由驅(qū)動(dòng)電路連接被控模塊從而實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。

3 PID技術(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用

PID控制器又稱為 PID調(diào)節(jié)器，它針對控制對象對所需參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，是調(diào)節(jié)工作狀態(tài)的重要手段。工作形式主要有PI、PD和PID等，使控制系統(tǒng)工作狀態(tài)區(qū)域滿足既定要求?？刂葡到y(tǒng)在調(diào)節(jié)工作系統(tǒng)工作時(shí)往往因儲能元件造成響應(yīng)慣性而無法直接使系統(tǒng)工作在既定狀態(tài)下，所以需引入PID算法的積分調(diào)節(jié)以提高精度，通過微分消除系統(tǒng)慣性的影響，使得系統(tǒng)工作狀態(tài)的波動(dòng)越來越小，系統(tǒng)在既定工作狀態(tài)下趨于穩(wěn)定。典型PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。PID控制算法的模擬表達(dá)式如下：

圖2 典型PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

PID控制算法的模擬表達(dá)式為：

在PID調(diào)節(jié)器作用下，對傳感器采集的信號分別進(jìn)行比例、積分、微分組合控制，之后反饋給被控對象調(diào)節(jié)工作狀態(tài)。微控制器（STM32）的輸出量作為被控對象的輸入量。

PID在調(diào)節(jié)過程中存在反饋?zhàn)兞浚渲须姍C(jī)與吸氣泵反饋數(shù)據(jù)分別為電機(jī)轉(zhuǎn)速和吸氣泵風(fēng)口處空氣流動(dòng)速度。采集原件均為編碼器，保證在不同環(huán)境下有相同的工作效率。風(fēng)扇反饋量為系統(tǒng)內(nèi)部溫度，通常電力電子器件需加裝散熱裝置，當(dāng)溫度達(dá)到閾值時(shí)增大風(fēng)扇功率，其余時(shí)間保持穩(wěn)定運(yùn)行。直流電機(jī)的調(diào)速原理如圖3所示。將給定的PWM波與編碼器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，其差值經(jīng)PID算法調(diào)整后輸出新的PWM波，對電機(jī)轉(zhuǎn)速作進(jìn)一步調(diào)整。

圖3 直流電機(jī)的調(diào)速原理

基于電機(jī)調(diào)速M(fèi)ATLAB仿真：

k1=[53*100*0.6/57 53*0.6*0.6*100/57]；

d1=[1 6.]；d2=[1 0.4]；d3=[1 5 13]；d4=[1 6]；

d6=conv(d1,d2)；d7=conv(d6,d3)；d8=conv(d7,d4)；

MM=tf(k1,d8)；

PID仿真圖如圖4所示。由圖可看出初始電機(jī)曲線呈J型增高并超過既定值，后經(jīng)反饋下調(diào)后又低于既定值，經(jīng)多次調(diào)整終趨于穩(wěn)定。如此方可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行并減少不必要的電能損耗。

圖4 PID仿真圖

4 結(jié) 語

多功能清潔凈化器系統(tǒng)利用開關(guān)電路整流技術(shù)將工頻220 V電壓轉(zhuǎn)換為所需直流電壓，利用驅(qū)動(dòng)電路使得微控制器（STM32）能高效控制各用電模塊的運(yùn)行，利用雙向可控整流電路實(shí)現(xiàn)微控制器（STM32）可控制工頻220 V用電模塊開通或關(guān)斷，利用信息電子技術(shù)對被控器件工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)管并實(shí)時(shí)反饋，最后借助PID算法使得系統(tǒng)工作趨于穩(wěn)定。電力電子技術(shù)運(yùn)用廣泛，能夠直接實(shí)現(xiàn)對電能的變換和控制，減少中間過程，提高工作效率。PID參數(shù)調(diào)節(jié)能快速實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定，使用便捷。