基于人工智能的电机控制系统设计

胡子豪 刘栋材

摘要：近年来洗衣机的控制技术越来越智能化，智能控制洗衣机的市场需求越来越大。本文介绍了人工智能在洗衣机电机控制系统中的应用。展望了人工智能洗衣机的发展。

关键词： 电机控制;人工智能;洗衣机

中图分类号：TP29      文獻标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）28-0090-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Design of Motor Control System Based on Artificial Intelligence

HU Zi-hao1， LIU Dong-cai2

（1.Jinguan Copper Branch of Tongling Nonferrous Metals Group Co.， Ltd.， Tongling 244001，China;2. School of Electronics Information and Electrical Engineering， Hefei Normal University， Hefei 230061，China）

Abstract：In recent years， the control technology of washing machine is becoming more and more intelligent， and the market demand of intelligent control washing machine is growing. This paper introduces the application of artificial intelligence in washing machine motor control system， and looks forward to the development of artificial intelligence washing machine.

Key words：motor control; artificial intelligence; washing machine

洗衣机对世界的影响超过了互联网。在19世纪和20世纪，社会曾期望妇女承担许多家务，如洗衣、做饭、打扫卫生等。然而，洗衣机的发明使妇女能够放下许多家务，加入劳工大军。因此，洗衣机的发明把妇女从“家务”中解放出来，使劳动力增加了一倍，提高了社会劳动生产率，同时降低了生产成本。

随着人们生活水平的提高和智能科技的发展，智能控制已经深入到人们生活的每一个角落。洗衣机作为最常用的家用电器，已经成为每个家庭的生活必需品，但是传统洗衣机已经无法满足人们对更高生活的追求。智能洗衣机采用智能化技术，给人们的生活带来方便[1]。

1 洗衣机电机系统

电机是洗衣机中最主要部件。从技术上讲，电机负责将电能转换为清洗桶内负载所需的足够动力的机械能。目前常见的自动洗衣机从90年代末开始使用，随着时间的推移，它们得到了长足的发展。虽然洗衣机的新功能越来越多，但是清洗、甩干、烘干等基本功能仍然相似[2]。

洗衣机使用的电机大体上有三种：有刷电机、直流无刷、永磁同步。电机通过一个称为传动装置的机构与洗衣机清洗桶的波轮或搅拌器相连。电机和传动装置靠近洗衣机底部，而波轮或搅拌器从机器中部向上延伸。传动装置用来改变波轮或搅拌器的速度和方向。当电机在一个方向上搅动时，传动装置可以用来改变波轮或搅拌器的旋转方向和速度，并使带有小孔的内桶也同时做往复的旋转运动。当控制器使电机反向旋转时，传动装置锁定，使得波轮和搅拌器、变速箱和内推桶作为一个整体而旋转，利用离心力将衣服上的水分尽可能去甩干。此外，控制器还与泵相连，泵将水从外筒中排出。

2 智能洗衣机

通常洗衣机都包含几种相同的洗衣程序。在选择程序时，操作者必须根据不同面料、衣物重量、水温等选择合适的洗衣程序。最常见的洗涤方法是快速洗涤，会在15分钟内完成一个完整的洗涤周期。但是不管是那种洗衣程序，都可能会面临经济性、去污能力两个相互矛盾方面的考验。

除了洗衣过程，衣物甩干也同样重要。甩干桶转得越快，水分就被去除得越多，衣服的烘干或晾时间就短。通常甩干桶的转速在400到1400转/分钟之间，最高旋转速度到1800转/分钟，但是更快的旋转速度可能会带来更大的噪声。

2.1 洗衣机的模糊逻辑

模糊控制是各种具有挑战性的控制应用的一种实用的替代方法，因为它提供了一种通过使用启发式信息构造非线性控制器的方便方法。模糊控制的应用范围从工业过程控制扩展到生物医学仪器、证券等。与传统的控制技术相比，模糊控制器在复杂的不确定问题中得到了很好的应用，而复杂的不确定问题可以由一个高效的人工操作来控制，而不需要了解其基本的动力学特性。

模糊控制技术通常根据人类专家对系统的知识，将复杂系统分解为若干个子系统。同时，用一组简单明了的控制律来模拟每个局部操作区域的人的控制策略。然后，通过模糊隶属函数，即权函数，将所有局部控制行为结合起来，构造一个全局控制律。在分析和综合中，采用了基于人类专家定性语言变量的IF-THEN条件语句和简单模型，而不是使用一个复杂的数学模型。

控制系统是一种物理部件的排列，设计用来改变另一个物理系统，从而使该系统表现出某些期望的特性。存在两种类型的控制系统：开环控制系统和闭环控制系统。在开环控制系统中，输入控制动作独立于物理系统输出。另一方面，在闭环控制系统中，净输入控制动作取决于物理系统的输出。闭环控制系统也称为反馈控制系统。控制任何物理变量的第一步是测量输出值。使用一个传感器测量被控制的信号，而电机就是一个被控制的物理系统。在闭环控制系统中，系统输入的信号由系统的输出响应决定。实际输出值和期望输出值之间的差就是误差信号。控制的基本问题是：通过误差信号来调整被控制物理系统的输出。

通过采用模糊控制技术，洗衣机可实现智能检测，获得最佳洗涤效果。洗衣机通过与电机相连的自动负载检测装置精确测量衣物质量，并通过水质传感器等获取了水的硬度和洗涤剂浓度。自动检测程序会检测要清洗的织物类型，根据模糊控制原理确定每个洗衣步骤的时间。在注水后，使用传感器和电机反馈，洗衣机可以“感知”每一件衣服的污渍程度，然后产生必要的气泡活动来清除这些污渍[3]。通过自动污渍检测来确定污垢程度，并装载所需的精确洗涤剂量，优化了每个负载所需的水量，做到节水功能。这种模糊逻辑比普通计算机更接近人类的逻辑。

2.2 洗衣机电机系统的智能控制

合理使用洗衣机电机的材料，对电机细节进行优化，可以使得电机扭矩增大、噪音降低、效率提高、使用寿命变长。同时，根据被洗衣物的条件，实现智能化操作和反馈，提高洗衣机模糊判断的精度，增强适应性。

目前电机控制越来越趋向于加智能化。首先，更智能的算法可以在给定的转矩和速度下更有效地驱动电机。第二，当电机在所需的精确功率水平驱动时，系统效率会提高。最近出现了一种称为智能电机控制器的集成电路，通过简化设计高性能电机控制驱动器来满足这些需求。智能电机控制器集成电路是一种相对较新的集成电路，在为多相电机，如无刷直流电机、交流感应电机等构建高性能电机驱动器时可以节省大量费用。

针对不同的洗涤需求，洗衣机需要智能变频控制。洗衣机电机可实现电机的变频和静音。智能变频电机在清洗时可降低产品高速运转时的噪音和齿轮损坏，达到稳定、耐用、降噪、节能的目的。不同的洗涤方式适合不同的物料，并增加相应的洗涤程序，从温度设定、脱水、漂洗次数等方面提高洗涤性能。

关磁阻电动机是一种特殊的电机。因其设计简单、经济性好、可靠性高等优点而受到广泛关注。这些特性使得开关磁阻电机优于其他变速电机。开关磁阻电动机的主要挑战是其高转矩脉动产生的噪声和振动，导致其性能下降。目前已经研制出各种技术来处理转矩脉动，但还没有一种成熟的方法。研究发现，基于人工神经网络的改进控制方法具有更好的开关磁阻电机性能，运行参数得到了显著改善。通过电机的脉动调节，智能电机控制还可以保持洗衣机内部卫生清洁，减少清洁滚筒中引起异味的细菌。

2.3 智能洗衣机

洗衣机的智能还体现在与人的交流上。人们在用户界面上可以与洗衣机简单交流，只需告诉你的洗衣机在负载什么，如“运动服”或“日常洗涤”它会制定出完美的程序。它甚至会告诉你是否有一个项目可以被使用。洗衣机工作的时间也可以通过语音安排，甚至还包括订购洗衣液等。

3 结束语

随着物联网的发展，我们的家庭变得越来越智能，越来越多的拥有连接功能的设备正逐渐普及到普通家庭和普通家电，洗衣机就是一个很好的例子。目前洗衣机的发展趋势是具有远程控制和监视功能，并在清洗完成时发出提示。洗衣机还可以与天气预报配合，开始洗衣服时阳光明媚而之后突然下雨，这是洗衣任务被紧急叫停。洗衣机会在最后一次漂洗前停止循環，这样就不用担心衣服在洗衣机里湿了好几个小时而发出霉味。当天气准备好了，开始最后一次漂洗，这样衣服就会变得干净，闻起来很新鲜。

参考文献：

[1] 李鹤群，任悦.海尔智能洗衣机专利技术分析[J].科技资讯，2019，17（5）：85-86.

[2] 孟娇娇，辛旗，赵瑞林.基于51单片机的全自动洗衣机控制系统设计[J].湖南邮电职业技术学院学报，2018，17（2）：46-50.

[3] 经顺林，蓝雯静，陈红.智能洗衣机的模糊控制系统分析[J].科学技术创新，2020（34）：179-180.

【通联编辑：唐一东】