专业⽅向课程设计说明书
题⽬名称：滚筒式洗⾐机控制系统电路设计
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学院：机械⼯程学院
专业年级：机械设计制造及其⾃动化12级
姓名：樊旭然
班级学号：机电12-1-04
指导教师：黄吉东
⼆Ｏ⼀五年⼗⼆⽉⼗五⽇
摘要
滚筒洗⾐机正朝着两个⽅向同时发展：⼀是洗涤技术不断的推陈出新如蒸汽洗、超声波洗、健康杀菌，银离⼦等，另⼀个⽅向是控制技术。通过对整机⼚规格书的分析，确定了控制系统总体⽅案；通过对滚筒洗⾐机洗涤原理的研究，设定优化了洗⾐节拍；引⼊了⼀些实⽤功能。如：掉电记忆功能，在停电后，电⼒恢复正常，洗⾐机将继续没有完成的洗涤。⾃动关机功能，在开机⽆操作或洗涤结束后分钟将⾃动关机。童锁功能，在洗涤过程中防⽌随意按下按键⽽发⽣危险等。研究了单⽚机
NEC78F0513的⼯作原理，以其为核⼼设计了电路板，包括单⽚机系统、⼈机接⼝电路、开关电源电路、阀的控制电路、⽔位检测电路和复位电路等。
⽬录
第⼀章、绪论 (1)
1.1.洗⾐机的发展 (1)
1.2.滚筒洗⾐机发展现状和趋势 (2)
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1.3.
2.滚筒洗⾐机的驱动⽅式 (4)
1.4.变频调速技术研究现状及趋势 (5)
1.5.洗⾐机控制技术现状及趋势 (6)
第⼆章、智能控制系统总体设计 (8)
2.1.控制系统⽤户界⾯分析 (8)
2.2.控制系统总体⽅案 (8)
2.2.1.主要功能部件选型 (10)
2.2.2.单⽚机选型 (10)
城乡信息一体化
2.2.
3.可控硅选型 (12)
2.4.滚筒洗⾐机控制策略研究 (14)
2.5.本章⼩结 (15)
第三章、硬件设计 (16)
3.1.总体⽅案 (16)
3.2.⼈机接⼝电路设计 (18)
3.3.开关电源模块 (22)
3.4.阀的控制 (24)
3.5.⽔位检测电路 (25)
3.6.复位电路 (26)
3.7.本章⼩结 (27)
第四章、系统的⼯作过程及其控制 (28)
设计⼩结 (30)
参考⽂献 (31)
第⼀章、绪论
1.1.洗⾐机的发展
从⼈类开始穿⾐遮羞以来，⾐物的洗涤成为⼈类避⽆可避的劳动，这中重复性的劳作增加了⼈们的负担，并且为洗净⾐物添加的化学试剂也对⼈们的⽪肤造成⼀定伤害。所以，采⽤机械来代替这项重复劳作是必然的。1766年美国⼈Schaefer发明了第⼀台洗⾐机，采⽤助板来模仿⼈⼿对⾐物搓洗。经过漫长的⼀个世纪的发展，现代洗⾐机雏形才得以出现，并得到了蓬勃发展[1-3]。1874年，⼿摇的⽊制洗⾐机被另⼀个美国⼈⽐尔·布莱克斯发明了。现在看来结构⼗分简单，只是在⽊桶⾥装上了6⽚叶⽚，然后通过齿轮，⽤⼿柄带动，这样使得⾐服不断翻转，就达到了洗⾐效果。虽然这个装置结构⾮常简单，并且洗涤的效果也不是很好，但是，这个构思却很值得肯定，并且对后⼈有⼤⼤的启发，⼤⼤加快了洗⾐机的改进过程。
随着⼯业技术发展的进程，蒸汽、⽔⼒、内燃机等不断的被应⽤到洗⾐机驱动中来，使得⼈⼒得到⼤
⼤的解放。但是，由于驱动装置太繁重，性价⽐太低，都没得到⼴泛推⼴。1910年，世界上第⼀台电动洗⾐机被美国⼈菲舍尔研制成功了[4-5]。这台电动洗⾐机的出现，才真正标志着⼈类的家务劳动真正进⼊了⾃动化时代。进⼊了电⽓化时代以后，⼈们⽇益完善了洗⾐机的功能，洗⾐形式也渐渐的固定为：搅拌式洗⾐机、波轮洗⾐机、滚筒式洗⾐机。美国帮迪克斯公司，在30年代末制造出世界上第⼀台前装式的全⾃动滚筒洗⾐机。整个洗⾐过程都得以在⼀个滚筒⾥完成。这象征着洗⾐机的型式⼜⼀个巨⼤的进步，现如今，在全世界，滚筒洗⾐机都得到了⼴泛的应⽤。
随着社会的不断进步，⼈们给洗⾐机提出了越来越⾼的要求。除满⾜基本洗⾐功能外，开始关注它的环保性、适⽤性、可靠性、智能程度以及节约能耗等⽅⾯。所以，环保、节能也是洗⾐机发展的⼀个⼤⽅向。
从改⾰开发开始，我国开始了对洗⾐机的研究，和电视机⼀样作为⾻⼲家电，洗⾐机的发展还是很迅速的。它的发展历程基本可以划分为以下三个阶段：
1)初期起步阶段：可以从上世纪⼋⼗年代中期算起，到⼋⼗年代末期截⽌。这
⼀阶段主要体现为技术的集中引进。其中⼜⼀⽇本的波轮式洗⾐机的技术和
设备为主，迅速的从⽆到有，也因此，奠定了波轮式洗⾐机在中国市场的地
位
2)平稳发展阶段：这个阶段是从上世纪⼋⼗年代末期开始，⼀直到九⼗年代中
期截⽌。这个时期，我们国家各洗⾐机企业，⽆论是质量⽔平还是技术⽔平
都稳步的在提⾼，⽣产成本也得到持续降低。市场认可度也⼤幅提⾼
3)激烈竞争阶段：这个阶段是从上世纪九⼗年代中期开始，由于中国市场⽇益
扩⼤，⼀些外资品牌开始⼤肆登陆抢占市场，尤其是⼀些欧洲家电企业。在
这⼀阶段，洗⾐机⾏业的竞争是相当激烈
大型风力发电机组
现如今，我国的洗⾐机企业已经发展成熟，国有、外资、合资等各种企业遍布全国各⼤省市，我们国家逐渐的成为了全球化的洗⾐机⽣产基地，年产量占全球各国总产量的四分之⼀，居世界各国之⾸。除了满⾜庞⼤的内需之外，还出⼝到欧洲、北美洲、东南亚各国等。
但是，和⽇韩、欧美各国家相⽐，我们国家的技术依然⽐较落后，⼀些技术的关键还没有完全掌握。对新洗⾐机的设计、研发都还处在模仿阶段。⽣产线往往也是进⼝的，这样就使得我们国产的洗⾐机，
从功能上、质量上、成本上、市场占有度上都落后与外资品牌。所以，在竞争这么激烈的情况下，要想在不断增长的市场中占据⼀定份额，就⼀定要提⾼⾃主设计、开发新洗⾐机的能⼒。在模仿的基础上，消化吸收引进的技术，掌握好洗⾐机设计的关键，这样才能逐步提⾼我们的设计⽔平。
1.2.滚筒洗⾐机发展现状和趋势
滚筒洗⾐机是发源与欧洲⼤陆的，设计原理是模仿⼈们⽤棒捶打⾐物，利⽤电动机带动洗⾐机滚筒旋转，使得⾐服在桶⾥被举起、摔下，再举起再摔下。这种重复运动，再加上⽔和化学试剂之间的共同作⽤，就能洗净⾐服了。但是，由于洗⾐试剂的活性对温度有要求，所以洗⾐时⽤热⽔才能洗的⽐较⼲净。 ⽐起波轮式洗⾐机，滚筒进⼊我们国家的时间就晚的多了，所以普及率也较低，研究⽂献⾃然也偏少。但是近⼏年，⼈们的⾐服质量越来约好，滚筒洗⾐机的优点慢⼯程硕⼠学位论⽂滚筒洗⾐机智能控制系统研究与设计慢的越来越得到⼈们的认可。省⽔、对⾐服磨损少、⾃动化程度⾼等，这些优点受到⼴⼤消费者的青睐。
现如今，滚筒洗⾐机年⽣产量已经占到洗⾐机总产量的55%，从这⼀数据上看，滚筒洗⾐机起步虽然较晚，但已经成为洗⾐机的流⾏趋势。因为它和波轮洗⾐机截然不同的洗⾐⽅式，使得它具备诸多优点：洗⾐过程不缠绕、对⾐服损害⼩（约为波轮式洗⾐机的1/30），这就使得它可以洗涤丝绸⽺⽑等
不锈钢镀锌⾼档⾐物；它的使⽤周期⼤概是波轮式的2倍；⽽且耗⽔量约70升，⽐波轮式、搅拌式的150升，省了⼀半多。由于洗涤剂的效⽤与浓度有关，所以省了⼀半⽔也就能⼤⼤节约洗涤试剂的⽤量，从⽽可以使得⽣活污⽔的排量也⼤⼤减少。可以预见，随着⼈们⾐物质量的提升，对环保的追求的提⾼，滚筒洗⾐机会慢慢确⽴其在家⽤洗⾐机市场中的主导地位。
1.3.洗⾐机驱动技术综述
随着当今世界经济的迅猛发展，节约能源已经逐渐成了⼀个世界性的话题。因此，
对越来越普及的洗⾐机来说，如何提⾼所使⽤驱动电动机的效率这个问题就⽇益突出了。同时，随着⼈们消费⽔平和⽣活质量的不断提⾼，⼈们对洗⾐机在智能化和环保⽅⾯的要求，也越来越⾼。因此，选择⾼效节能的驱动电机，以及理想的驱动⽅式，配以先进的控制技术，就成了满⾜洗⾐机发展要求的关键。
1.3.1.滚筒式洗⾐机⽤驱动电机的选择
当前阶段，滚筒洗⾐机⽤到的驱动电动机总的说来有以下⼏种：⼀是双速单相电容运转感应电动机，⼆是单相串激电动机，三是开关磁阻电动机，四是永磁⽆刷直流电动机。下⾯就各种电动机的特点进⾏介绍。
双速单相电容运⾏感应电动机：这种电动机的定⼦，有两套不同极对数、相对独⽴的电枢绕组，⽽且每套绕组上都有与其正交的辅绕组，运转电容和启动电容由辅绕组电路并联。当它启动时，运转电容和启动电容同时接⼊，所以该电动机具有电容启动的特点。等转速升⾼以后，启动电容的电路就会被离⼼开关切掉，这就使得其具备电容停⽌的特点。由于启动电容和运转电容分别独⽴选择电容容量，所以，该类电动机具有较⼤的启动转矩输出这种良好的⼯作性能。但是，这种电动机有⼀个最⼤缺点：只有两个档位的转速，并且这两个档位之间，转速的差异还⽐较⼤，所以不能实现较宽范围的调速。但是，由于其成本⽐较低，所以在稍低档的滚筒中，仍然使⽤它。
1)单相串激电动机：是指经过电刷把定⼦励磁绕组和电枢绕组带换向器串联起
来的单相电动机。主要特点有：体积⽐较⼩巧、转速⾼、启动转矩⼤以及调
速⽅便可以通过调电压调速等。但是由于使⽤了电刷，换向时就⽐较容绪论
⼯程硕⼠学位论⽂易产⽣⽕花，会⼲扰到⽆线通讯，也会缩短电动机的使⽤
年限。但是，还是因为其价格低廉，依然有着⼴⼤的市场。
2)开关磁阻电机：这种电动机的转矩是磁阻性质的，会遵循“磁阻最⼩的原理”，
也就是说磁通总会沿着磁阻最⼩的路径去闭合，磁场的扭曲会产⽣切向的磁
拉⼒[7]。这种洗⾐机是⽐较适合⽤在滚筒洗⾐机⾥的，有着显著的优点：滚
筒平衡性好、低速时转矩⽐较⼤、最⼤速度⼜⽐较⾼、可以实现较低洗涤速
度等优点。但是，噪⾳⽐较⼤是这类洗⾐机避⽆可避的缺点。
3)永磁⽆刷直流电动机：这种类型的电动机可以说是同时具备了交流电动机和
直流电动机的优点：结构简单、⽅便维护、运⾏较可靠且效率⾼、调速的性
能好并且没有励磁损耗等。Boliger在1917年，提出了可以⽤整流管来代替
直流电动机中的机械电刷，这意味着永磁⽆刷直流电动机的雏形的诞⽣。进
⼊⼆⼗世纪30年代后，专家们就开始研究⽤电⼦原件实现换向，⽤以代替
⽆刷直流电动机中的机械换向，取得了⼀些进步。只不过由于⼤功率电⼦器
件在当时发展还⽐较滞后，使得研制受到很⼤限制，没有能得到推⼴。⼀直
到1955年，美国的哈利森等⼈率先申请专利：电动机中的机械换向器换向，被⽤晶体管代替并实现换
向，这意味着现代直流⽆刷电动机的诞⽣。接下来⼜经过⼈们持续的努⼒，霍尔元件在1962年也被⽤来实现换相，这掀开了⽆刷直流电动机量产化的新篇章。到了1978年，永磁⽆刷直流电动机的正式推出，意味着直流⽆刷电动机在真正意义上进⼊了实⽤阶段。最近⼏
年，MAC 永磁⽆刷直流电动机被引⼊到了滚筒洗⾐机的驱动中。这种电动机系统是由电动机本体加上控制驱动电路部分来组成的。它的定⼦与交流电机的定⼦结构是基本相同的转⼦铁⼼上粘上了永磁磁钢，传统电刷的机械换向被电⼦换相所代替。再加上我国的稀⼟储备⽐较丰富，这⼗分有利与永磁⽆刷直流电动机的发展，更有利与其成本的降低[8-9]。所以使⽤永磁⽆刷直流电动机来驱动滚筒，将会成为滚筒洗⾐机的⼀个发展趋势。
1.3.
2. 滚筒洗⾐机的驱动⽅式
从电动机的驱动装置来分，现
在滚筒洗⾐机主要有着两种⽅式
的驱动装置。它的基本结构⽰意图如图1.1洗⾐机的驱动电动机与洗⾐
机内筒之间，通过⽪带和⽪带轮等
中间传动装置传递转矩。在洗⾐机
⼯作时，驱动电动机输出的功率主
要传递到洗⾐机内筒上，但是也有
相当⼀部分功率被中间传动装置之间的摩擦损耗掉了，浪费了⼀些能量。⽽且，中间传动装置的存在，也使得洗⾐机噪⾳加⼤。⽽⽪带和⽪带轮之间，由于⼀直摩擦着，所以也使得洗⾐机会出现诸如⽪带断裂这类的继续故障。
为了克服间接驱动⽅式的种种缺点，⼈们渐渐的研制出直接驱动⽅式。简单的说就是把⽪带和⽪带轮等中间传动装置舍
弃，把电动机转⼦的轴直接连上洗⾐机
的内筒。它的基本结构⽰意图如图1.2
所⽰。
采取直接驱动⽅式，能够⾮常有效
的降低洗⾐过程中的振动和噪⾳，洗⾐
机的寿命也能得到⼀定增加。由于电动
机的输出直接作⽤到内筒上，减少了中
间环节的能量消耗，节省了能量，从⽽可以使整个洗⾐机系统的⼯作效率得到提⾼。⽽滚筒洗⾐机⽆论是在洗涤状态，还是在脱⽔的状态下，内筒都需要转动，所以就不需要使⽤离合器，这就使得滚筒洗⾐机更适合使⽤直接驱动但是，滚筒洗⾐机的结构决定了负载必定是偏置的，尤其是洗涤的时候，偏置更严重，所以这种驱动⽅式就对电动机提出了⽐较⾼的要求。
综上所述，采⽤直接驱动[10]的⽅式，可以使得滚筒洗⾐机噪声降低、使⽤寿命延长、更能节约能量。当今社会是追求绿⾊环保的社会，⾤⽤直接驱动恰好契合了这种趋势，所以，⾤⽤这种⽅式的洗⾐机在未来有着⼴阔的发展前景。
1.4.变频调速技术研究现状及趋势
变频调速技术是在⼆⼗世纪诞⽣并得到发展的，尤其是⼆⼗世纪九⼗年代后，随着IGBT、集成门极换流晶闸管等电⼦器件的发展，以及ASIC和的DSP迅猛发展和各种新控制技术和理论的渐渐完善，使得变频调速有了代替直流调速的希望。在调速范围及精度、动态响应速度和运⾏效率等指标上，变频调速都超过了直流调速[11]。现阶段，⽐较有代表性的有⽮量控制以及直接转矩控制。
⽮量控制⼜可以被称为磁场定向控制，最先是于1968年，Darmstader⼯科⼤学的Hasse博⼠提出的，西门⼦公司F.Blaskchke 博⼠等⼈⼜在1971年提出“感应电机磁场定向控制的原理”，这些与美国的A.A.Clark与P.C.Custman—起申请的专利“感应电机定⼦电压坐标变换的控制”等，共同打好了⽮量控制的基础[12]。⽮量控制技术⾃出现以来，就以转⼦磁场定向，利⽤⽮量变换来实现交流电机转速和磁链控制的完全解耦[13]，这样可以使交流电机也有了追超直流电机的良好控制性能。
最近⼏年，神经⽹络控制、模糊控制与⾃适应控制以及变结构控制等优秀的控制理论，逐步的被应⽤到⽮量控制中。各种新的控制⽅法不断涌现，其中，采⽤⽆速度传感器的⽮量控制技术，由于运⾏稳定可靠、动态相应速度⽐较快以及优秀的动态静态性能等优点，逐步成为变频调速领域终点发展的技术之⼀。
不管是直流还是交流调速，不管电机是稳态、瞬态，转矩控制作为传动系统的根本问题是不会改变的。上世纪80年代中期，⽇本的Takahashi和德国Denpenbrock的共同提出了利⽤直接转矩，其主体
思想是，去掉繁杂的空间坐标变换以及电机建模，通过控制定⼦磁链，实现直接转矩控制。转矩控制的优点体现在以下⼏个⽅⾯：原则上不需要转速信息；电机参数变化鲁棒性良好；易得到同步速度信息，可以不⽤速度传感器等。随着现代科技的不断进步，直接转矩控制技术肯定也能得到发展，进⼀步的消除脉动，使控制性能得到提⾼。软关断和空间⽮量脉宽调制技术也是重点。
到⽬前为⽌，电动机采⽤⽮量控制、直接转矩控制和⽆传感器控制等技术，都已经实现了实⽤化，⼈⼯神经⽹络控制、⾃适应控制等也都已得到⼴为采⽤。以后，随
着控制理论、电⼦乃⾄计算机技术的发展，交流电机控制技术将会围绕解决电机⾮解藉性和参数依赖性等⽅⾯取得⼀些进步。
1.5.洗⾐机控制技术现状及趋势
冼⾐机采⽤哪种控制技术，主要是由其⾤⽤哪种程控器决定的。⽬前市场上较常⽤的洗⾐机控制⽅式主要有：电⼦程控器控制和电脑程控器控制。
电⼦程控器要⽐电脑程控器简单，它主要是由微型同步电机、凸轮组、减速机构、引出线和簧⽚触点等组成，其中微型同步电机为程控器提供动⼒。微型同步电动机经过减速机构，驱动各凸轮组⼀圈圈的转动。各凸轮组控制的电触点，都可当作单⼑双位或者单⼑三位开关，这些开关会随着凸轮的转动
按照⼀定的规律被关闭、打开。这样就使得洗⾐过程被连续的进⾏。程控器主要控制电动机、排⽔电磁阀和进⽔⽤电磁阀等。
各个电触点的关闭、打开均由相对应的凸轮转动来实现。其转换的规律是由凸轮形状和凸轮转速决定的。我们把这种⾃动转换规律称为凸轮转换时序。采⽤电⼦程控器的洗⾐机，⼀般会有⼏个程序供⽤户⾃⾏选择，⽤户通过程序选择开关选定要⽤的洗⾐程序。电路的构成是：项线、触点、开关、触点、执⾏部件、零线。
安全开关在程序运转的过程中起到保护的作⽤，如⽤户不⼩⼼打开桶盖，安全开关的动断触点就会⽴刻断开，使得电动机电源断开停⽌运转。再⽐如，如果脱⽔时，内筒振动过⼤的话，安全开关的动断触点也会断开，电动机也会停转。当洗⾐程序终了时，程控器就会把蜂鸣器的电源接通，蜂鸣器就会鸣叫提醒⽤户。
采⽤电⼦程控器控制的洗⾐机有很多，例如XQBM15-A型⼩神童系列。
电脑程控器也会被称为电脑板，控制理论还是跟机械式程控器类似的，只不过是将机械凸轮和簧⽚触点之间的相互作⽤，⽤电
