多功能清洁净化器系统电气控制办法

高浩源

（防灾科技学院，河北 三河 065201）

0 引 言

多功能清洁净化器是防灾科技学院大学生创新创业项目开发的使用工频220 V工作的系统，它是集物品清扫、室内消毒、空气净化、房间除螨、异物除臭等功能于一体的小型电器。

多功能清洁净化器系统的设计分为硬件电气系统搭建和软件算法控制。系统要求控制多元化且能在不同环境下达到既定稳定性，针对这一问题，本文将探讨在硬件层面使用电力电子技术及信息电子技术完成电能转化及控制；在软件层面主要使用PID算法调节各用电模块在不同工作环境下的工作稳定性及反应迅速性。

1 被控元器件及控制目的

我们将采用工频220 V的电能作为系统供电电源，经过断路器作用于系统确保供电安全。系统所用的工作模块可分为220 V的交流电模块和12～3.3 V的直流弱电模块。由于各模块正常工作电压差别较大，需采用电力电子器件连接各模块使得交流电模块与直流弱电模块能够正常运行，同时做到电能变换和控制，使得命令信号和反馈信号能够正常传递。

1.1 强电工作模块

模块分为负离子发生模块、紫外消毒模块、臭氧发生模块。这3个模块均需借助高频振荡实现转换，因此将220 V家用交流电作为供电电源以高效率驱动模块工作，减少不必要的电能转化，从而提高工作效率并简化硬件设计。由微控制器（STM32）控制各模块运行和关断，引入双向电力电子器件实现弱电控制强电。

负离子发生模块、紫外消毒模块、臭氧发生模块均通过电力作用产生所需物质，首先微控制器（STM32）通过驱动电路连接双向全控电力电子器件，以控制各模块运行或关断，从而控制各模块的工作状态。

1.2 弱电工作模块

弱电模块分为12 V直流电模块（电机、风扇、吸气泵）以及3.3 V直流电模块（微控制器STM32、独立按键、红外模块、温度模块、显示屏模块等）。3.3 V直流电模块的主要作用是系统控制以及采集反馈信息，并通过算法实现系统稳定、高效的运行。

电机、风扇、吸气泵均通过电力作用产生动作。首先，由微控制器（STM32）通过以全控型电力电子器件MOSFET为核心的驱动电路来控制各模块开关状态。其次，要求使用独立按键调节各模块工作状态。通过软件调试PID，借助按键选择需要的模块工作状态，并迅速趋于稳定。最终，模块在不同的工作环境下均能达到既定值。独立按键、编码器、红外模块、温度模块采集信息反馈给微控制器（STM32），由微控制器根据反馈信息调节各模块工作状态。

2 电力电子技术及信息电子技术的运用

电力电子技术属于应用与电力领域，即使用电力电子器件，如晶闸管、IGBT等对电能进行变换和控制。信息电子技术用于信息采集及处理，包括数字电子技术和模拟电子技术。在多功能清洁净化器系统中使用的电力电子技术包括电能变化开关电源技术、电能控制双向可控电力电子技术和低压驱动高压的驱动技术。

2.1 开关电源整流技术

开关模式电源（Switch Mode Power Supply,SMPS）又称交换式电源、开关变换器，是一种高频电能转换装置。整流技术利用PN结的单向导电性将方向变化的交流电变成单一方向的直流电，将现有电压通过不同形式的架构电路转换为用户端所需电压。开关电源的输入多为交流电（工频220 V），而输出连接多为需要直流电源的设备，例如手机电池等。开关电源技术可将工频220 V的电流经开关电源电路转化成电压为5 V的稳定直流电。开关电源利用频繁切换晶体管饱和区和截止区的方式，使得电路可通过所需形式的电能，后经稳压及滤波得到所需电压。切换晶体管饱和区和截止区存在较高的耗散，但时间很短，因此可在节省电能损耗的同时减少电路过热情况的出现。开关整流技术中，电压稳压通过调整晶体管导通及断路的时间实现。开关电源整流电路的高转换率是其一大优点，而且因为开关电源工作频率高，可以使用小尺寸、轻重量的变压器，因此选用该技术为系统提供电能。

多功能清洁净化器使用AC/DC型开关电源整流技术，其工作模式如图1所示。将220 V工频交流电接入整流电路中，经整流电路变为直流电，后经高频逆变生成高频交流电，将高频交流电连接到变压模块，生成低压高频交流电，再经高频整流后接入滤波器，转换为直流电。系统采用220 V工频交流电转化为12 V直流电源的开关电源电路。

图1 AC/DC开关电源工作模式

2.2 以MOSFET为核心的驱动电路

MOSFET金属-氧化物半导体场效应晶体管简称为金氧半场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET），是一种广泛使用在模拟电路与数字电路的场效应晶体管（Field-Effect Transistor,FET）。MOSFET具有控制简单、体积小、重量轻、寿命长、输入电阻高、噪声低、热稳定性好、抗干扰能力强、功耗低等优势。

多功能清洁净化器系统驱动电路的基本任务是将信息电子电路传来的电压信号按照微控制器（STM32）的命令转换后加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断。开通MOSFET全控型器件需要提供开通控制信号，关断则需要提供关断控制信号，以保证器件按要求可靠导通或关断。在微控制器（STM32）I/O口发送正向信号，信号经电路处理后送至MOSFET，MOSFET响应触发信号，沟道打开使得电流通过，从而控制其他模块的开启或关断。

2.3 双向可控电力电子技术

双向可控电力电子技术以全控型电力电子器件为核心。常见的全控型器件有GTO、MOSFET、IGBT等，电力电子器件可直接用于主电路中电能的变换和控制。在全控型器件中，绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电力电子器件，兼具MOSFET和GTR的优点，使得电压、电流耐受较大。IGBT综合了以上2种器件的优点，是系统中控制型元件的首选。

在多功能清洁净化系统中，要求被控电路使用工频220 V的电源供电。IGBT耐受电压大，启动电压小，开关速度快，是较为理想的全控型器件，但由于IGBT具有单向导电性，所以需选用主电路为IGBT的双向复合管RB-IGBT，从而实现在交流电路中可自由控制其开通、关断的功能。微控制器（STM32）经驱动电路连接RB-IGBT，可控制工频220 V交流电模块的开通或关断。

2.4 微型计算机控制（STM32）

STM32系列专为高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计。半导体硅片集成有中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、GPIO、定时器、中断系统、系统时钟电路及系统总线，具有高性能、低成本、低功耗、可裁剪、运算速度快等优点。

多功能清洁净化器系统中的STM32为核心控制单元，各模块I/O口与相对应驱动电路相连，由驱动电路连接被控模块从而实现对系统的控制。

3 PID技术对系统稳定性的作用

PID控制器又称为 PID调节器，它针对控制对象对所需参数进行调节，是调节工作状态的重要手段。工作形式主要有PI、PD和PID等，使控制系统工作状态区域满足既定要求。控制系统在调节工作系统工作时往往因储能元件造成响应惯性而无法直接使系统工作在既定状态下，所以需引入PID算法的积分调节以提高精度，通过微分消除系统惯性的影响，使得系统工作状态的波动越来越小，系统在既定工作状态下趋于稳定。典型PID控制系统结构如图2所示。PID控制算法的模拟表达式如下：

图2 典型PID控制系统结构图

PID控制算法的模拟表达式为：

在PID调节器作用下，对传感器采集的信号分别进行比例、积分、微分组合控制，之后反馈给被控对象调节工作状态。微控制器（STM32）的输出量作为被控对象的输入量。

PID在调节过程中存在反馈变量，其中电机与吸气泵反馈数据分别为电机转速和吸气泵风口处空气流动速度。采集原件均为编码器，保证在不同环境下有相同的工作效率。风扇反馈量为系统内部温度，通常电力电子器件需加装散热装置，当温度达到阈值时增大风扇功率，其余时间保持稳定运行。直流电机的调速原理如图3所示。将给定的PWM波与编码器采集的数据进行比较，其差值经PID算法调整后输出新的PWM波，对电机转速作进一步调整。

图3 直流电机的调速原理

基于电机调速MATLAB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仿真图如图4所示。由图可看出初始电机曲线呈J型增高并超过既定值，后经反馈下调后又低于既定值，经多次调整终趋于稳定。如此方可实现系统的稳定运行并减少不必要的电能损耗。

图4 PID仿真图

4 结 语

多功能清洁净化器系统利用开关电路整流技术将工频220 V电压转换为所需直流电压，利用驱动电路使得微控制器（STM32）能高效控制各用电模块的运行，利用双向可控整流电路实现微控制器（STM32）可控制工频220 V用电模块开通或关断，利用信息电子技术对被控器件工作状态进行监管并实时反馈，最后借助PID算法使得系统工作趋于稳定。电力电子技术运用广泛，能够直接实现对电能的变换和控制，减少中间过程，提高工作效率。PID参数调节能快速实现系统稳定，使用便捷。