多功能清潔凈化器系統電氣控制探析

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摘要：電力電子技術以及PID是常用的電氣技術，其能高效完成控制以及調試任務。多功能清潔凈化器分為硬件層面和軟件層面，要求實現控制多元化及在不同環(huán)境下達到既定穩(wěn)定性。文中將探討在硬件層面使用電力電子技術及信息電子技術完成電能轉化及控制，在軟件層面使用PID算法調節(jié)各用電模塊在不同工作環(huán)境下的工作穩(wěn)定性及反應迅速性。

關鍵詞：電力電子技術；PID；信息電子技術；自動化；STM32；驅動；開關電路

0引言

多功能清潔凈化器是防災科技學院大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目開發(fā)的使用工頻220V工作的系統，它是集物品清掃、室內消毒、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的設計分為硬件電氣系統搭建和軟件算法控制。系統要求控制多元化且能在不同環(huán)境下達到既定穩(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及信息電子技術完成電能轉化及控制；在軟件層面主要使用PID算法調節(jié)各用電模塊在不同工作環(huán)境下的工作穩(wěn)定性及反應迅速性[1-3]。

1被控元器件及控制目的

我們將采用工頻220V的電能作為系統供電電源，經過斷路器作用于系統確保供電安全。系統所用的工作模塊可分為220V的交流電模塊和12～3.3V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行，同時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強電工作模塊

模塊分為負離子發(fā)生模塊、紫外消毒模塊、臭氧發(fā)生模塊。這3個模塊均需借助高頻振蕩實現轉換，因此將220V家用交流電作為供電電源以高效率驅動模塊工作，減少不必要的電能轉化，從而提高工作效率并簡化硬件設計。由微控制器（STM32）控制各模塊運行和關斷，引入雙向電力電子器件實現弱電控制強電。負離子發(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生所需物質，首先微控制器（STM32）通過驅動電路連接雙向全控電力電子器件，以控制各模塊運行或關斷，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12V直流電模塊（電機、風扇、吸氣泵）以及3.3V直流電模塊（微控制器STM32、獨立按鍵、紅外模塊、溫度模塊、顯示屏模塊等）。3.3V直流電模塊的主要作用是系統控制以及采集反饋信息，并通過算法實現系統穩(wěn)定、高效的運行。電機、風扇、吸氣泵均通過電力作用產生動作。首先，由微控制器（STM32）通過以全控型電力電子器件MOSFET為核心的驅動電路來控制各模塊開關狀態(tài)。其次，要求使用獨立按鍵調節(jié)各模塊工作狀態(tài)。通過軟件調試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)境下均能達到既定值。獨立按鍵、編碼器、紅外模塊、溫度模塊采集信息反饋給微控制器（STM32），由微控制器根據反饋信息調節(jié)各模塊工作狀態(tài)[4-5]。

2電力電子技術及信息電子技術的運用

電力電子技術屬于應用與電力領域，即使用電力電子器件，如晶閘管、IGBT等對電能進行變換和控制。信息電子技術用于信息采集及處理，包括數字電子技術和模擬電子技術。在多功能清潔凈化器系統中使用的電力電子技術包括電能變化開關電源技術、電能控制雙向可控電力電子技術和低壓驅動高壓的驅動技術。

2.1開關電源整流技術

開關模式電源（SwitchModePowerSupply,SMPS）又稱交換式電源、開關變換器，是一種高頻電能轉換裝置。整流技術利用PN結的單向導電性將方向變化的交流電變成單一方向的直流電，將現有電壓通過不同形式的架構電路轉換為用戶端所需電壓。開關電源的輸入多為交流電（工頻220V），而輸出連接多為需要直流電源的設備，例如手機電池等。開關電源技術可將工頻220V的電流經開關電源電路轉化成電壓為5V的穩(wěn)定直流電。開關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，但時間很短，因此可在節(jié)省電能損耗的同時減少電路過熱情況的出現。開關整流技術中，電壓穩(wěn)壓通過調整晶體管導通及斷路的時間實現。開關電源整流電路的高轉換率是其一大優(yōu)點，而且因為開關電源工作頻率高，可以使用小尺寸、輕重量的變壓器，因此選用該技術為系統提供電能。多功能清潔凈化器使用AC/DC型開關電源整流技術，其工作模式如圖1所示。將220V工頻交流電接入整流電路中，經整流電路變?yōu)橹绷麟姡蠼浉哳l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，再經高頻整流后接入濾波器，轉換為直流電。系統采用220V工頻交流電轉化為12V直流電源的開關電源電路。

2.2以MOSFET為核心的驅動電路

MOSFET金屬-氧化物半導體場效應晶體管簡稱為金氧半場效應晶體管（Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor,MOSFET），是一種廣泛使用在模擬電路與數字電路的場效應晶體管（Field-EffectTransistor,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、功耗低等優(yōu)勢。多功能清潔凈化器系統驅動電路的基本任務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，可以使其開通或關斷。開通MOSFET全控型器件需要提供開通控制信號，關斷則需要提供關斷控制信號，以保證器件按要求可靠導通或關斷。在微控制器（STM32）I/O口發(fā)送正向信號，信號經電路處理后送至MOSFET，MOSFET響應觸發(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斷。

2.3雙向可控電力電子技術

雙向可控電力電子技術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（InsulatedGateBipolarTransistor,IGBT）是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應管）組成的復合全控型電力電子器件，兼具MOSFET和GTR的優(yōu)點，使得電壓、電流耐受較大。IGBT綜合了以上2種器件的優(yōu)點，是系統中控制型元件的首選。在多功能清潔凈化系統中，要求被控電路使用工頻220V的電源供電。IGBT耐受電壓大，啟動電壓小，開關速度快，是較為理想的全控型器件，但由于IGBT具有單向導電性，所以需選用主電路為IGBT的雙向復合管RB-IGBT，從而實現在交流電路中可自由控制其開通、關斷的功能。微控制器（STM32）經驅動電路連接RB-IGBT，可控制工頻220V交流電模塊的開通或關斷[6-8]。

2.4微型計算機控制（STM32）

STM32系列專為高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用設計。半導體硅片集成有中央處理單元（CPU）、存儲器（RAM、ROM）、GPIO、定時器、中斷系統、系統時鐘電路及系統總線，具有高性能、低成本、低功耗、可裁剪、運算速度快等優(yōu)點。多功能清潔凈化器系統中的STM32為核心控制單元，各模塊I/O口與相對應驅動電路相連，由驅動電路連接被控模塊從而實現對系統的控制。

3PID技術對系統穩(wěn)定性的作用

PID控制器又稱為PID調節(jié)器，它針對控制對象對所需參數進行調節(jié)，是調節(jié)工作狀態(tài)的重要手段。工作形式主要有PI、PD和PID等，使控制系統工作狀態(tài)區(qū)域滿足既定要求。控制系統在調節(jié)工作系統工作時往往因儲能元件造成響應慣性而無法直接使系統工作在既定狀態(tài)下，所以需引入PID算法的積分調節(jié)以提高精度，通過微分消除系統慣性的影響，使得系統工作狀態(tài)的波動越來越小，系統在既定工作狀態(tài)下趨于穩(wěn)定。典型PID控制系統結構如圖2所示。PID控制算法的模擬表達式如下：PID控制算法的模擬表達式為：在PID調節(jié)器作用下，對傳感器采集的信號分別進行比例、積分、微分組合控制，之后反饋給被控對象調節(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在調節(jié)過程中存在反饋變量，其中電機與吸氣泵反饋數據分別為電機轉速和吸氣泵風口處空氣流動速度。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。風扇反饋量為系統內部溫度，通常電力電子器件需加裝散熱裝置，當溫度達到閾值時增大風扇功率，其余時間保持穩(wěn)定運行。直流電機的調速原理如圖3所示。將給定的PWM波與編碼器采集的數據進行比較，其差值經PID算法調整后輸出新的PWM波，對電機轉速作進一步調整。基于電機調速MATLAB仿真：k1=[53*100*0.6/5753*0.6*0.6*100/57];d1=[16.];d2=[10.4];d3=[1513];d4=[16];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曲線呈J型增高并超過既定值，后經反饋下調后又低于既定值，經多次調整終趨于穩(wěn)定。如此方可實現系統的穩(wěn)定運行并減少不必要的電能損耗。

4結語

多功能清潔凈化器系統利用開關電路整流技術將工頻220V電壓轉換為所需直流電壓，利用驅動電路使得微控制器（STM32）能高效控制各用電模塊的運行，利用雙向可控整流電路實現微控制器（STM32）可控制工頻220V用電模塊開通或關斷，利用信息電子技術對被控器件工作狀態(tài)進行監(jiān)管并實時反饋，最后借助PID算法使得系統工作趨于穩(wěn)定。電力電子技術運用廣泛，能夠直接實現對電能的變換和控制，減少中間過程，提高工作效率。PID參數調節(jié)能快速實現系統穩(wěn)定，使用便捷[9-10]。

作者:高浩源 單位:防災科技學院