董 茂，王志恒，張艷杰，荀 一，楊慶華*

(1.浙江工業(yè)大學特種裝備制造與先進加工技術教育部/浙江省重點實驗室，浙江杭州310014;2.銀都餐飲設備股份有限公司，浙江杭州311100)

0 引 言

近年來，隨著人們生活水平的提高和環(huán)保意識的增強，對冰箱的要求不再僅僅停留在低溫冷儲藏上，而從冰箱耗電、食品保鮮和智能化管理等角度向廠家提出了更高的要求［1］，將傳統(tǒng)的冰箱設計成帶網(wǎng)絡功能的智能冰箱已成為未來冰箱發(fā)展趨勢的主流。在國外，網(wǎng)絡冰箱早已成為了各大廠家競相發(fā)展的新一代產(chǎn)品，瑞典伊來克斯公司、韓國LG電子、三星都各自推出了帶食物管理、互聯(lián)網(wǎng)與娛樂功能的網(wǎng)絡家用冰箱［2-4］。而在國內(nèi)，由于網(wǎng)絡冰箱的市場應用推廣受限，關于網(wǎng)絡冰箱的控制研究較少，而針對商業(yè)應用領域的網(wǎng)絡商用冰箱的研究更是寥寥無幾。鄭州輕工業(yè)學院的李銀華等［5-6］于2005年對一種新型帶條碼錄入功能的網(wǎng)絡家用變頻冰箱控制器進行了研究，其在理論和實際上有一定的新意，可以實現(xiàn)節(jié)能和降噪雙重效果。而商用冰箱與家用冰箱不同，其主要應用在一些大型的超市、酒店及便利店等餐飲服務行業(yè)中，一般采用數(shù)臺不同功能的商用冰箱聯(lián)合使用，但每臺冰箱之間并沒有“聯(lián)絡”，在實際使用過程中主要存在以下典型問題:能耗過高，且保鮮效果差;壓縮機頻繁啟動關閉，使用壽命短;導致衛(wèi)生狀況差;不利于調度管理及應急響應差等。針對這些問題，本研究研制一種基于WiFi網(wǎng)絡的成套商用冰箱智能控制器。

1 系統(tǒng)整體方案設計

根據(jù)智能網(wǎng)絡冰箱控制系統(tǒng)的實際功能需求，本研究將整個控制系統(tǒng)劃分為5個主要功能模塊［7］，系統(tǒng)模塊圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)模塊圖

其中，WiFi無線通信模塊主要負責上位機與下位機之間的通訊工作;條形碼掃描模塊負責掃描存入冰箱的食品相關信息，通過串口與CPU連接;溫度控制模塊主要完成冰箱的溫度檢測與控制，包括冰箱庫溫檢測、蒸發(fā)器溫度檢測、環(huán)境溫度檢測、壓縮機的模糊變頻控制、風扇除霜的控制及門狀態(tài)的檢測等幾個部分;上位機故障監(jiān)控及自診斷模塊實時監(jiān)控冰箱的運行狀態(tài)，當冰箱運行出現(xiàn)故障時，自動對可能產(chǎn)生故障的原因進行預判斷;電源模塊主要負責給各模塊供電。

2 控制器的硬件結構設計

2.1 模糊變頻調速模塊

2.1.1 變頻調速電路

控制器壓縮機變頻調速模塊的電路原理圖如圖2所示。變頻調速模塊電路主要包括3部分:①整流電路;②濾波電路;③IGBT全橋驅動電路。

圖2 變頻調速電路原理圖

變頻調速電路的工作原理如下:整流電路由4個整流二極管 D1，D2，D3，D4接成全橋的形式，把220 V/50 Hz的工頻電網(wǎng)電壓直接引入，進行全波整流，將交流電變成直流電;再經(jīng)由C1、R1和C2構成π型RC濾波電路，濾去整流輸出電壓中的紋波，盡量使整流輸出的電壓平滑;由6個IGBT Q1～Q6組成三相直流電機的全橋驅動電路，本研究采用上橋PWM調制，下橋恒通的調制方式。該系統(tǒng)選用Microchip公司生產(chǎn)的DspIC30f5013芯片作為控制器的主控芯片［8］，來自DSP的PWM波形(最高5 V電壓)經(jīng)過雙路光耦HCPL2630驅動芯片IR2103S后輸出幅值為15 V，上、下橋臂互補的PWM波形，PWM全橋驅動波形如圖3所示。

圖3 PWM全橋驅動波形

2.1.2 過零點檢測及換向控制策略

轉子旋轉360°電角度存在6次換相，其順序為Q3Q6，Q1Q6，Q1Q4，Q5Q4，Q5Q2和 Q3Q2。筆者通過分壓電阻對端電壓和直流側電壓進行同比例分壓來獲得反電動勢過零點位置，而各相導通的時間和順序取決于轉子的位置，理想的反電動勢如圖4所示。

圖4 理想的反電動勢和過零點檢測波形

由基于“端電壓法”的反電動勢檢測原理可知，三相直流電機不導通相的反電動勢只與端電壓有關［9］，其反電動勢計算方程為:

因此通過計算相電壓的差值，就可以得到三相直流電機反電動勢的過零點Z點，然后再延遲30°電角度，就是該相橋臂IGBT的導通時刻C點。

2.1.3 模糊控制原理

在變頻冰箱溫度模糊控制器的控制過程中，為了減少軟件系統(tǒng)的計算量，模糊控制算法采用查表法。模糊控制器由兩個模糊控制規(guī)則構成，控制規(guī)則Ⅰ采用目標溫度接近度e和偏差變化率ec作為輸入，以PWM占空比c作為輸出變量［10］，制定出模糊控制表Ⅰ;而推理規(guī)則Ⅱ的輸入量包括蒸發(fā)器溫度、箱門狀態(tài)及環(huán)境溫度等信號，輸出量為占空比c的影響因子t，模糊控制器的結構框圖如圖5所示。

圖5 模糊控制器的結構框圖

下面以模糊控制規(guī)則Ⅰ為例求取模糊控制表的過程。對冰箱室溫的目標接近度e和偏差變化率ec的模糊劃分一致取負大(NB)、負小(NS)、零(Z)、正小(PS)、正大(PB)5個模糊集，對應離散論域取{－2、－1、0、1、2}這5個元素。變頻壓縮機轉速控制占空比c取零(Z)、低(L)、中(M)、大(B)、極大(VB)5 個模糊集，對應的離散論域取{0、1、2、3、4}。

假定冰箱室溫的目標接近度e的論域為［－x，x］，隸屬度函數(shù)為等腰三角形，為把它變換為離散論域{－2、－1、0、1、2}，則有量化因子 qe=［2 －(－2)］/［x－(－x)］=2/x，因此目標接近度e在離散論域中的模糊量如圖6(a)所示。同理，可以得到偏差變化率ec和輸出占空比c對應離散論域中的模糊量。不過占空比c所對應的模糊量為單點，這是因為在實際的變頻冰箱控制中，壓縮機的轉速不是連續(xù)調節(jié)的，而是離散調節(jié)的［11］，其離散論域中的模糊量如圖6(b)所示。

圖6 接近度e、偏差ec和控制量c的模糊量

根據(jù)模糊控制規(guī)則Ⅰ生成冰箱模糊控制規(guī)則表如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則Ⅰ表

當控制量c取0時，壓縮機不運行;控制量c取1、2時壓縮機低速運行;控制量c取3時，壓縮機中速運行;控制量c取4時，壓縮機高速運行。

2.2 無線WiFi模塊

結合商用冰箱在實際使用過程中分布較散的特點，成套商用冰箱設備應選擇方便且易擴展的WIFi無線通訊模式，基于網(wǎng)絡成套商用冰箱設備原型如圖7所示，整套設備原型包括1臺控制計算機、1個基站(接入點AP)及若干個不同功能的商用冰箱，其中每個商用冰箱相當于一個移動站，與基站通過無線連接，基站與控制計算機通過有線方式連接，同時計算機通過門橋接入因特網(wǎng)。

圖7 基于網(wǎng)絡成套商用冰箱設備原型

該研究采用美國RN公司生產(chǎn)的RN-171串口轉WiFi模塊，控制器正常工作時，UART-WiFi模塊將下位機采集到的冰箱溫度、冰箱入庫食品條形碼信息、壓縮機及風扇工作情況、控制器電參數(shù)數(shù)據(jù)、冰箱故障信息等通過無線傳輸?shù)缴衔粰C，同時接收上位機控制指令，并通過串口傳輸至下位機。

2.3 條形碼掃描模塊

該系統(tǒng)采用漫反射的光電開關與條碼掃描引擎配合使用，當被掃描對象接近掃描引擎時，光電開關觸發(fā)CPU發(fā)送掃描觸發(fā)命令至掃碼引擎，完成一次掃描，反之掃描引擎不工作。另外，因為標準串口使用的是RS232電平，而CPU主控單元使用的是TTL電平，兩者之間需要進行電平轉換。因此，掃描器工作電路需要增加MAX232芯片來實現(xiàn)，增加有效的通信距離。掃描引擎的具體工作情況示意圖如圖8所示。

圖8 條形碼掃描模塊工作原理圖

3 控制器軟件設計

3.1 下位機控制軟件設計

成套網(wǎng)絡商用冰箱系統(tǒng)的下位機軟件設計主要由主程序、中斷服務程序和各子程序組成。軟件全部采用了程序模塊化設計，各子程序主要包括:①初始化子程序:串口初始化、定時器初始化及各子程序初始化等;②中斷子程序:定時器中斷、串口中斷子程序;③溫度檢測與控制子程序;④故障自診斷子程序等。下位機軟件主程序設計流程圖如圖9所示。

圖9 軟件主程序設計流程圖

為了保證無線WiFi通訊過程中傳輸數(shù)據(jù)的準確性，需要擬定一定的通訊協(xié)議。該系統(tǒng)采用的通訊協(xié)議其一般格式如下所示:

數(shù)據(jù)頭 數(shù)據(jù)信息 數(shù)據(jù)尾2 Bytes 0～20 Bytes 2 Bytes

其中，通訊協(xié)議的的數(shù)據(jù)頭和數(shù)據(jù)尾統(tǒng)一占用2 Bytes空間，不同控制指令的數(shù)據(jù)頭不盡相同，而數(shù)據(jù)尾則統(tǒng)一為0x6E、0x77;而控制指令的數(shù)據(jù)信息長度則因指令功能不同而不同，以設定壓縮機工作模式指令為例，其控制指令協(xié)議設置如表2所示。

表2 壓縮機工作模式指令協(xié)議(十六進制)

3.2 上位機軟件設計

成套網(wǎng)絡商用冰箱系統(tǒng)上位機軟件采用Microsoft Visual C++6.0軟件編譯，其界面效果如圖10所示。該網(wǎng)絡冰箱控制與管理系統(tǒng)主要包括用戶管理、系統(tǒng)設置、節(jié)點管理、數(shù)據(jù)分析等，控制軟件具有以下功能:①按照存儲食物的要求在線調整每個冰箱的存儲溫度;②在線顯示每個冰箱中食物的存儲量，合理優(yōu)化各個冰箱食物存儲量;③在線顯示食物的存儲時間，并通過報警提示，避免食物過期;④故障自診斷，根據(jù)下位機的故障信息實時顯示警報功能。

圖10 網(wǎng)絡冰箱控制與管理系統(tǒng)界面

故障自診斷設計思路主要由故障信息采集和故障信息錄入兩部分組成［12］。由管理員將維修人員收集的信息錄入數(shù)據(jù)庫，建立一個專家?guī)煜到y(tǒng)。當設備出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)將冰箱控制器相關溫度及電參數(shù)與冰箱正常運行時控制電路的狀態(tài)參數(shù)進行對比，查出可能的故障原因，提高檢修效率;同時，對某些不準確的信息修改后重新收集并錄入專家?guī)煜到y(tǒng)，可見，系統(tǒng)故障自診斷設計是一個長期累積的過程。

4 實驗結果

該控制系統(tǒng)采用三星MKV19G-L2J型號的壓縮機，其具體參數(shù)如下:電機極對數(shù)為2，額定轉速4 000 r/min，兩相繞組間相電阻為12 Ω，母線電壓310 V，額定工作電流為3 A?？刂破鞯膶嶋H控制效果圖如圖11所示。

圖11 控制器實際控制效果圖

由于壓縮機在靜止時反電動勢為零，無法通過反電動勢法啟動壓縮機，該系統(tǒng)采用定時切換的定子繞組通電順序的方法讓壓縮機從靜止加速運轉到一定的穩(wěn)定速度，再切換至反電動勢法運轉。壓縮機壓縮機轉速達1 450 r/min時，壓縮機一相的端電壓波形如圖12所示。

5 結束語

圖12 壓縮機一相端電壓波形圖

該成套網(wǎng)絡商用冰箱智能控制器是集食品信息采集分析、溫度遠程調節(jié)與監(jiān)控、冰箱模糊變頻控制、冰箱故障自診斷功能于一體、全方位全過程數(shù)據(jù)監(jiān)控的成套設備調度控制管理系統(tǒng)。實驗結果證明，該控制器控制時，壓縮機運轉平穩(wěn)，具有安全可靠、管理方便、能耗低、保鮮效果好、健康衛(wèi)生等優(yōu)點，在高檔酒店、大型超市等諸多需要數(shù)量較多的商用冰箱的場所中具有很好的應用前景。

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