基于人工智能的電機控制系統設計

胡子豪 劉棟材

摘要：近年來洗衣機的控制技術越來越智能化，智能控制洗衣機的市場需求越來越大。本文介紹了人工智能在洗衣機電機控制系統中的應用。展望了人工智能洗衣機的發展。

關鍵詞： 電機控制;人工智能;洗衣機

中圖分類號：TP29? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）28-0090-02

開放科學（資源服務）標識碼（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

洗衣機對世界的影響超過了互聯網。在19世紀和20世紀，社會曾期望婦女承擔許多家務，如洗衣、做飯、打掃衛生等。然而，洗衣機的發明使婦女能夠放下許多家務，加入勞工大軍。因此，洗衣機的發明把婦女從“家務”中解放出來，使勞動力增加了一倍，提高了社會勞動生產率，同時降低了生產成本。

隨著人們生活水平的提高和智能科技的發展，智能控制已經深入到人們生活的每一個角落。洗衣機作為最常用的家用電器，已經成為每個家庭的生活必需品，但是傳統洗衣機已經無法滿足人們對更高生活的追求。智能洗衣機采用智能化技術，給人們的生活帶來方便[1]。

1 洗衣機電機系統

電機是洗衣機中最主要部件。從技術上講，電機負責將電能轉換為清洗桶內負載所需的足夠動力的機械能。目前常見的自動洗衣機從90年代末開始使用，隨著時間的推移，它們得到了長足的發展。雖然洗衣機的新功能越來越多，但是清洗、甩干、烘干等基本功能仍然相似[2]。

洗衣機使用的電機大體上有三種：有刷電機、直流無刷、永磁同步。電機通過一個稱為傳動裝置的機構與洗衣機清洗桶的波輪或攪拌器相連。電機和傳動裝置靠近洗衣機底部，而波輪或攪拌器從機器中部向上延伸。傳動裝置用來改變波輪或攪拌器的速度和方向。當電機在一個方向上攪動時，傳動裝置可以用來改變波輪或攪拌器的旋轉方向和速度，并使帶有小孔的內桶也同時做往復的旋轉運動。當控制器使電機反向旋轉時，傳動裝置鎖定，使得波輪和攪拌器、變速箱和內推桶作為一個整體而旋轉，利用離心力將衣服上的水分盡可能去甩干。此外，控制器還與泵相連，泵將水從外筒中排出。

2 智能洗衣機

通常洗衣機都包含幾種相同的洗衣程序。在選擇程序時，操作者必須根據不同面料、衣物重量、水溫等選擇合適的洗衣程序。最常見的洗滌方法是快速洗滌，會在15分鐘內完成一個完整的洗滌周期。但是不管是那種洗衣程序，都可能會面臨經濟性、去污能力兩個相互矛盾方面的考驗。

除了洗衣過程，衣物甩干也同樣重要。甩干桶轉得越快，水分就被去除得越多，衣服的烘干或晾時間就短。通常甩干桶的轉速在400到1400轉/分鐘之間，最高旋轉速度到1800轉/分鐘，但是更快的旋轉速度可能會帶來更大的噪聲。

2.1 洗衣機的模糊邏輯

模糊控制是各種具有挑戰性的控制應用的一種實用的替代方法，因為它提供了一種通過使用啟發式信息構造非線性控制器的方便方法。模糊控制的應用范圍從工業過程控制擴展到生物醫學儀器、證券等。與傳統的控制技術相比，模糊控制器在復雜的不確定問題中得到了很好的應用，而復雜的不確定問題可以由一個高效的人工操作來控制，而不需要了解其基本的動力學特性。

模糊控制技術通常根據人類專家對系統的知識，將復雜系統分解為若干個子系統。同時，用一組簡單明了的控制律來模擬每個局部操作區域的人的控制策略。然后，通過模糊隸屬函數，即權函數，將所有局部控制行為結合起來，構造一個全局控制律。在分析和綜合中，采用了基于人類專家定性語言變量的IF-THEN條件語句和簡單模型，而不是使用一個復雜的數學模型。

控制系統是一種物理部件的排列，設計用來改變另一個物理系統，從而使該系統表現出某些期望的特性。存在兩種類型的控制系統：開環控制系統和閉環控制系統。在開環控制系統中，輸入控制動作獨立于物理系統輸出。另一方面，在閉環控制系統中，凈輸入控制動作取決于物理系統的輸出。閉環控制系統也稱為反饋控制系統。控制任何物理變量的第一步是測量輸出值。使用一個傳感器測量被控制的信號，而電機就是一個被控制的物理系統。在閉環控制系統中，系統輸入的信號由系統的輸出響應決定。實際輸出值和期望輸出值之間的差就是誤差信號。控制的基本問題是：通過誤差信號來調整被控制物理系統的輸出。

通過采用模糊控制技術，洗衣機可實現智能檢測，獲得最佳洗滌效果。洗衣機通過與電機相連的自動負載檢測裝置精確測量衣物質量，并通過水質傳感器等獲取了水的硬度和洗滌劑濃度。自動檢測程序會檢測要清洗的織物類型，根據模糊控制原理確定每個洗衣步驟的時間。在注水后，使用傳感器和電機反饋，洗衣機可以“感知”每一件衣服的污漬程度，然后產生必要的氣泡活動來清除這些污漬[3]。通過自動污漬檢測來確定污垢程度，并裝載所需的精確洗滌劑量，優化了每個負載所需的水量，做到節水功能。這種模糊邏輯比普通計算機更接近人類的邏輯。

2.2 洗衣機電機系統的智能控制

合理使用洗衣機電機的材料，對電機細節進行優化，可以使得電機扭矩增大、噪音降低、效率提高、使用壽命變長。同時，根據被洗衣物的條件，實現智能化操作和反饋，提高洗衣機模糊判斷的精度，增強適應性。

目前電機控制越來越趨向于加智能化。首先，更智能的算法可以在給定的轉矩和速度下更有效地驅動電機。第二，當電機在所需的精確功率水平驅動時，系統效率會提高。最近出現了一種稱為智能電機控制器的集成電路，通過簡化設計高性能電機控制驅動器來滿足這些需求。智能電機控制器集成電路是一種相對較新的集成電路，在為多相電機，如無刷直流電機、交流感應電機等構建高性能電機驅動器時可以節省大量費用。

針對不同的洗滌需求，洗衣機需要智能變頻控制。洗衣機電機可實現電機的變頻和靜音。智能變頻電機在清洗時可降低產品高速運轉時的噪音和齒輪損壞，達到穩定、耐用、降噪、節能的目的。不同的洗滌方式適合不同的物料，并增加相應的洗滌程序，從溫度設定、脫水、漂洗次數等方面提高洗滌性能。

關磁阻電動機是一種特殊的電機。因其設計簡單、經濟性好、可靠性高等優點而受到廣泛關注。這些特性使得開關磁阻電機優于其他變速電機。開關磁阻電動機的主要挑戰是其高轉矩脈動產生的噪聲和振動，導致其性能下降。目前已經研制出各種技術來處理轉矩脈動，但還沒有一種成熟的方法。研究發現，基于人工神經網絡的改進控制方法具有更好的開關磁阻電機性能，運行參數得到了顯著改善。通過電機的脈動調節，智能電機控制還可以保持洗衣機內部衛生清潔，減少清潔滾筒中引起異味的細菌。

2.3 智能洗衣機

洗衣機的智能還體現在與人的交流上。人們在用戶界面上可以與洗衣機簡單交流，只需告訴你的洗衣機在負載什么，如“運動服”或“日常洗滌”它會制定出完美的程序。它甚至會告訴你是否有一個項目可以被使用。洗衣機工作的時間也可以通過語音安排，甚至還包括訂購洗衣液等。

3 結束語

隨著物聯網的發展，我們的家庭變得越來越智能，越來越多的擁有連接功能的設備正逐漸普及到普通家庭和普通家電，洗衣機就是一個很好的例子。目前洗衣機的發展趨勢是具有遠程控制和監視功能，并在清洗完成時發出提示。洗衣機還可以與天氣預報配合，開始洗衣服時陽光明媚而之后突然下雨，這是洗衣任務被緊急叫停。洗衣機會在最后一次漂洗前停止循環，這樣就不用擔心衣服在洗衣機里濕了好幾個小時而發出霉味。當天氣準備好了，開始最后一次漂洗，這樣衣服就會變得干凈，聞起來很新鮮。

參考文獻：

[1] 李鶴群，任悅.海爾智能洗衣機專利技術分析[J].科技資訊，2019，17（5）：85-86.

[2] 孟嬌嬌，辛旗，趙瑞林.基于51單片機的全自動洗衣機控制系統設計[J].湖南郵電職業技術學院學報，2018，17（2）：46-50.

[3] 經順林，藍雯靜，陳紅.智能洗衣機的模糊控制系統分析[J].科學技術創新，2020（34）：179-180.

【通聯編輯：唐一東】