離子淨化器及其的控制方法和裝置與流程
2023-10-09 13:59:04 6
本發明涉及家用電器技術領域，特別涉及一種離子淨化器的控制方法、一種離子淨化器的控制裝置以及一種具有該控制裝置的離子淨化器。
背景技術：
目前，無耗材空氣淨化器上基本上是採用等離子淨化技術，其原理是通過高壓電源向離子發生器加載超高直流電壓，使得流過離子發生器內的空氣電離，空氣中的雜質帶電，再通過相反電壓的集塵板吸附雜質，從而清潔空氣。
根據上述原理，可以把離子發生器抽象為電容性負載，其中高壓端為電容極，流入的空氣為電介質。由此可知，在電極結構不變的情況下，空氣的溫度、相對溼度、氣壓、含雜量以及流速都會引起電容漏電流的變化，從而導致離子發生器功率波動，甚至在極端情況下會出現擊穿、拉弧等現象，如果不作相應的處理，則很容易造成離子發生器損壞，空氣淨化效率降低，嚴重的情況下，可能會危害到用戶的安全。
相關技術中，採用恆定佔空比控制來驅動離子發生器。恆定佔空比控制很容易實現，在穩定的環境下，恆定佔空比控制能夠維持恆定的高壓輸出和功率，但是，當空氣介質發生變化，比如，相對溼度升高，會導致離子發生器漏電流加大，從而使輸出功率增大，當相對溼度上升至一定程度後，離子發生器會出現擊穿、拉弧等現象。
技術實現要素：
本發明旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。
為此，本發明的一個目的在於提出一種離子淨化器的控制方法，通過控制離子發生器恆功率運行來保證離子場的穩定輸出，有效避免因功率過高導致離子發生器出現擊穿、拉弧等現象。
本發明的另一個目的在於提出一種離子淨化器的控制裝置。
本發明的又一個目的在於提出一種離子淨化器。
為實現上述目的，本發明一方面實施例提出的一種離子淨化器的控制方法，所述離子淨化器包括依次相連的整流模塊、高壓驅動模塊和離子發生器，所述方法包括以下步驟：實時獲取所述高壓驅動模塊的輸入電流，並根據所述輸入電流計算所述離子發生器的實時功率；獲取所述離子發生器的目標設定功率；根據所述目標設定功率與所述實時功率之間的功率差值計算所述高壓驅動模塊的驅動信號的佔空比調節量；根據所述佔空比調節量對所述驅動信號的佔空比進行調節，並根據調節後的佔空比對所述高壓驅動模塊進行控制，以使所述離子發生器恆功率運行。
根據本發明實施例的離子淨化器的控制方法，首先，實時獲取高壓驅動模塊的輸入電流，並根據輸入電流計算離子發生器的實時功率，然後，獲取離子發生器的目標設定功率，並根據目標設定功率與實時功率之間的功率差值計算高壓驅動模塊的驅動信號的佔空比調節量，最後，根據佔空比調節量對驅動信號的佔空比進行調節，並根據調節後的佔空比對高壓驅動模塊進行控制，以使離子發生器恆功率運行，保證離子場的穩定輸出，有效避免因功率過高導致離子發生器出現擊穿、拉弧等現象。
根據本發明的一個實施例，可採用增量式PID算法計算所述高壓驅動模塊的驅動信號的佔空比調節量。
根據本發明的一個實施例，可通過串聯在所述高壓驅動模塊的輸入端的無感電阻和與所述無感電阻並聯的放大電路獲取所述高壓驅動模塊的輸入電流。
根據本發明的一個實施例，所述高壓驅動模塊包括：變壓器、開關管和倍壓整流模塊，其中，所述變壓器的初級線圈與所述開關管串聯後，並聯在所述整流模塊的輸出端之間，所述變壓器的次級線圈與所述倍壓整流模塊的輸入端對應相連。
為實現上述目的，本發明另一方面實施例提出了一種離子淨化器的控制裝置，所述離子淨化器包括依次相連的整流模塊、高壓驅動模塊和離子發生器，所述裝置包括：電流獲取模塊，用於實時獲取所述高壓驅動模塊的輸入電流；計算模塊，用於根據所述輸入電流計算所述離子發生器的實時功率；控制模塊，所述控制模塊與所述計算模塊相連，所述控制模塊用於獲取所述離子發生器的目標設定功率，並根據所述目標設定功率與所述實時功率之間的功率差值計算所述高壓驅動模塊的驅動信號的佔空比調節量，以及根據所述佔空比調節量對所述驅動信號的佔空比進行調節，並根據調節後的佔空比對所述高壓驅動模塊進行控制，以使所述離子發生器恆功率運行。
根據本發明實施例的離子淨化器的控制裝置，通過電流獲取模塊實時獲取高壓驅動模塊的輸入電流，計算模塊根據輸入電流計算離子發生器的實時功率，控制模塊獲取離子發生器的目標設定功率，並根據目標設定功率與實時功率之間的功率差值計算高壓驅動模塊的驅動信號的佔空比調節量，以及根據佔空比調節量對驅動信號的佔空比進行調節，並根據調節後的佔空比對高壓驅動模塊進行控制，以使離子發生器恆功率運行，保證離子場的穩定輸出，有效避免因功率過高導致離子發生器出現擊穿、拉弧等現象。
根據本發明的一個實施例，所述控制模塊可採用增量式PID算法計算所述高壓驅動模塊的驅動信號的佔空比調節量。
根據本發明的一個實施例，所述電流獲取模塊可通過串聯在所述高壓驅動模塊的輸入端的無感電阻和與所述無感電阻並聯的放大電路獲取所述高壓驅動模塊的輸入電流。
根據本發明的一個實施例，所述高壓驅動模塊包括：變壓器、開關管和倍壓整流模塊，其中，所述變壓器的初級線圈與所述開關管串聯後，並聯在所述整流模塊的輸出端之間，所述變壓器的次級線圈與所述倍壓整流模塊的輸入端對應相連。
此外，本發明的實施例還提出了一種離子淨化器，其包括上述的控制裝置。
本發明實施例的離子淨化器，通過上述的控制裝置控制離子發生器恆功率運行，保證離子場的穩定輸出，有效避免因功率過高導致離子發生器出現擊穿、拉弧等現象。
附圖說明
圖1是根據本發明一個實施例的離子淨化器的結構示意圖；
圖2是根據本發明另一個實施例的離子淨化器的結構示意圖；
圖3是根據本發明實施例的離子淨化器的控制方法的流程圖；
圖4是根據本發明又一個實施例的離子淨化器的結構示意圖；
圖5是根據本發明一個實施例的增量式PID算法的示意圖；以及
圖6是根據本發明實施例的離子發生器的控制裝置的方框示意圖。
具體實施方式
下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用於解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
下面參照附圖來描述本發明實施例的離子淨化器的控制方法、離子淨化器的控制裝置以及具有該控制裝置的離子淨化器。
在本發明的實施例中，離子淨化器可包括依次相連的整流模塊、高壓驅動模塊和離子發生器。
具體而言，如圖1所示，整流模塊的輸入端與交流市電相連，整流模塊的輸出端與高壓驅動模塊的輸入端相連，高壓驅動模塊的輸出端與離子發生器相連。在離子淨化器上電工作時，交流市電經整流模塊轉換成低壓直流電，高壓驅動模塊對該低壓直流電進行轉換，以輸出高壓直流電，驅動離子發生器工作。其中，高壓直流電的大小主要與整流模塊的輸出電壓、高壓驅動模塊的參數(如高低壓變比、控制信號的佔空比)有關。而當硬體電路確定後，例如，整流模塊採用開關電源或者不可控整流電路，高壓直流電的大小和離子發生器的功率僅與高壓驅動模塊的控制信號的佔空比有關，佔空比越高，高壓直流電的電壓越高，相應的離子發生器功率也會越高。
進一步地，根據本發明的一個實施例，如圖2所示，高壓驅動模塊可包括：變壓器、開關管和倍壓整流模塊，其中，變壓器的初級線圈與開關管串聯後，並聯在整流模塊的輸出端之間，變壓器的次級線圈與倍壓整流模塊的輸入端對應相連。其中，開關管可以為三極體、IGBT、MOS管等，變壓器可以為升壓變壓器。
具體而言，如圖2所示，在離子淨化器上電工作時，整流模塊輸出固定的低壓直流電至變壓器的初級線圈，同時，控制晶片(如MCU)輸出控制信號(如PWM信號)至開關管，驅動開關管進行導通和關斷，從而在變壓器的初級線圈上產生交變電壓，此時變壓器的次級線圈將感應出脈動的高壓電，然後經倍壓整流模塊進行轉換，輸出所需的高壓直流電，以使離子發生器工作。其中，高壓直流電的大小主要與整流模塊的輸出電壓、變壓器的變比、開關管控制信號的佔空比、倍壓整流模塊的參數有關。而在硬體電路確定後，高壓直流電的大小和離子發生器的功率僅與開關管的控制信號的佔空比有關，佔空比越高，高壓直流電越大，相應的離子發生器的功率也會越高。
相關技術中，採用恆定佔空比控制來驅動離子發生器，即，輸出預設佔空比的控制信號至開關管，以在倍壓整流模塊的輸出端獲得相應的高壓直流電。在採用該方式時，穩定環境下能夠維持恆定的高壓輸出和功率，但是當空氣介質發生變化時，會引起電容漏電流變化，導致離子發生器功率波動，在極端情況下，會出現擊穿、拉弧等現象，安全性比較低。
或者，採用恆定電壓反饋控制來驅動離子發生器，即，通過多個耐高壓大電阻串聯分壓，以推算出直流高壓，然後通過反饋控制，實時調整控制信號的佔空比，使得直流高壓能夠穩定輸出。但由於分壓電阻本身誤差較大，使用過程中漂移較嚴重，而且電阻的電感量會引入外界幹擾，因此電壓採集本身就存在很大的不確定性，可靠性比較低。
為此，在本發明的實施例中，採用恆功率控制方式來驅動離子發生器。
圖3是根據本發明實施例的離子淨化器的控制方法的流程圖。如圖3所示，該離子淨化器的控制方法可包括以下步驟：
S1，實時獲取高壓驅動模塊的輸入電流，並根據輸入電流計算離子發生器的實時功率。
根據本發明的一個實施例，可通過串聯在高壓驅動模塊的輸入端的無感電阻和與無感電阻並聯的放大電路獲取高壓驅動模塊的輸入電流。
具體而言，無感電阻是指感抗值非常小的電阻，其感抗值可以忽略不計，在進行電流採集時，不會引入外界幹擾，採樣精度高。無感電阻可以為金屬膜電阻、繞線電阻等。
如圖4所示，將無感電阻串聯在整流模塊的第一輸出端與變壓器的初級線圈的一端之間，當高壓驅動模塊的工作電流(輸入電流)流過無感電阻時，在無感電阻兩側產生微小壓降，放大電路將該微小壓降放大，並連接至控制晶片的AD採樣口，通過檢測AD值，實時獲取高壓驅動模塊的輸入電流I。然後，將輸入電流I與整流模塊的輸出端的低壓直流電VDC相乘，即可得到離子發生器的實時功率。
S2，獲取離子發生器的目標設定功率。
S3，根據目標設定功率與實時功率之間的功率差值計算高壓驅動模塊的驅動信號的佔空比調節量。
S4，根據佔空比調節量對驅動信號的佔空比進行調節，並根據調節後的佔空比對高壓驅動模塊進行控制，以使離子發生器恆功率運行。
根據本發明的一個實施例，可採用增量式PID算法計算高壓驅動模塊的驅動信號的佔空比調節量。
具體而言，如圖5所示，增量式PID算法的輸入量為離子發生器的實時功率，輸出量為驅動信號的佔空比。由於離子發生器的實時功率與驅動信號的佔空比成正比，當佔空比增加時，離子發生器的功率也隨之增加。
假設，Dk為第k次採樣時刻佔空比的輸出值，根據PID算法的公式，可得第k次採樣時刻佔空比的輸出值為：
其中，Kp為比例係數，T為採樣周期，Ti為積分時間，D0為開始進行PID控制時的初始佔空比，Td為微分時間，ek為第k次採樣時離子發生器的目標設定功率與實時功率之間的功率差值。
由上述公式(1)可得，在第k-1採樣時刻輸出的佔空比為：
將上述公式(1)和公式(2)相減，即為增量式PID算法的計算公式：
將上述公式(3)進行調整，令可得：
ΔD＝Aek-Bek-1+Cek-2 (4)
通過調整上述公式(4)中A、B、C的值，可獲取佔空比的調節量ΔD，根據ΔD對驅動信號的佔空比進行調節，例如，當空氣相對溼度增加時，則自動減小驅動信號的佔空比，即D＇＝D-ΔD，然後，根據調節後的佔空比對高壓驅動模塊進行控制，使離子發生器的實時功率穩定在目標設定功率。
因此，根據本發明實施例的離子淨化器的控制方法，能夠根據功率波動值計算驅動信號的佔空比調節量，並對驅動信號的佔空比進行自動調節，使得離子發生器維持恆功率輸出，有效避免了功率過高而導致擊穿、拉弧等現象。
綜上所述，根據本發明實施例的離子淨化器的控制方法，首先，實時獲取高壓驅動模塊的輸入電流，並根據輸入電流計算離子發生器的實時功率，然後，獲取離子發生器的目標設定功率，並根據目標設定功率與實時功率之間的功率差值計算高壓驅動模塊的驅動信號的佔空比調節量，最後，根據佔空比調節量對驅動信號的佔空比進行調節，並根據調節後的佔空比對高壓驅動模塊進行控制，以使離子發生器恆功率運行，保證離子場的穩定輸出，有效避免因功率過高導致離子發生器出現擊穿、拉弧等現象。
圖6是根據本發明實施例的離子淨化器的控制裝置的方框示意圖。
在本發明的實施例中，如圖1所示，離子淨化器可包括依次相連的整流模塊10、高壓驅動模塊20和離子發生器30。
具體而言，如圖1所示，整流模塊10的輸入端與交流市電相連，整流模塊10的輸出端與高壓驅動模塊20的輸入端相連，高壓驅動模塊20的輸出端與離子發生器30相連。在離子淨化器上電工作時，交流市電經整流模塊10轉換成低壓直流電VDC，高壓驅動模塊20對該低壓直流電VDC進行轉換，以輸出高壓直流電，驅動離子發生器30工作。其中，高壓直流電的大小主要與整流模塊10的輸出電壓、高壓驅動模塊20的參數(如高低壓變比、控制信號的佔空比)有關。而當硬體電路確定後，例如，整流模塊10採用開關電源或者不可控整流電路，高壓直流電的大小和離子發生器30的功率僅與高壓驅動模塊20的控制信號的佔空比有關，佔空比越高，高壓直流電的電壓越高，相應的離子發生器30功率也會越高。
進一步地，根據本發明的一個實施例，如圖2所示，高壓驅動模塊20可包括：變壓器21、開關管22和倍壓整流模塊23，其中，變壓器21的初級線圈與開關管22串聯後，並聯在整流模塊10的輸出端之間，變壓器21的次級線圈與倍壓整流模塊23的輸入端對應相連。其中，開關管22可以為三極體、IGBT、MOS管等，變壓器21可以為升壓變壓器。
具體而言，如圖2所示，在離子淨化器上電工作時，整流模塊10輸出固定的低壓直流電至變壓器21的初級線圈，同時，控制晶片(如MCU)輸出控制信號(如PWM信號)至開關管22，驅動開關管22進行導通和關斷，從而在變壓器21的初級線圈上產生交變電壓，此時變壓器21的次級線圈將感應出脈動的高壓電，然後經倍壓整流模塊23進行轉換，輸出所需的高壓直流電，以使離子發生器30工作。其中，高壓直流電的大小主要與整流模塊10的輸出電壓、變壓器21的變比、開關管22控制信號的佔空比、倍壓整流模塊23的參數有關。而在硬體電路確定後，高壓直流電的大小和離子發生器30的功率僅與開關管22的控制信號的佔空比有關，佔空比越高，高壓直流電越大，相應的離子發生器30的功率也會越高。
相關技術中，採用恆定佔空比控制來驅動離子發生器30，即輸出預設佔空比的控制信號至開關管22，以在倍壓整流模塊23的輸出端獲取相應的高壓直流電。在採取該方式時，穩定環境下能夠維持恆定的高壓輸出和功率，但是當空氣介質發生變化時，會引起電容漏電流變化，導致離子發生器30功率波動，在極端情況下，會出現擊穿、拉弧等現象，安全性比較低。
或者，採用恆定電壓反饋控制來驅動離子發生器30，即，通過多個高壓大電阻串聯分壓，以推算出直流高壓電，然後通過反饋控制，實時調整控制信號的佔空比，使得直流高壓能夠穩定輸出。但由於分壓電阻本身誤差較大，使用過程中漂移較嚴重，而且電阻的電感量會引入外界幹擾，因此電壓採集本身就存在很大的不確定性，可靠性比較低。
為此，在本發明的實施例中，採用恆功率控制方式來驅動離子發生器30。
如圖6所示，該離子淨化器的控制裝置可包括電流獲取模塊100、計算模塊200和控制模塊300。
其中，電流獲取模塊100用於實時獲取高壓驅動模塊20的輸入電流。計算模塊200用於根據輸入電流計算離子發生器30的實時功率。控制模塊300與計算模塊200相連，控制模塊300用於獲取離子發生器30的目標設定功率，並根據目標設定功率與實時功率之間的功率差值計算高壓驅動模塊20的驅動信號的佔空比調節量，以及根據佔空比調節量對驅動信號的佔空比進行調節，並根據調節後的佔空比對高壓驅動模塊20進行控制，以使離子發生器30恆功率運行。
根據本發明的一個實施例，如圖4所示，電流獲取模塊100可通過串聯在高壓驅動模塊20的輸入端的無感電阻41和與無感電阻41並聯的放大電路42獲取高壓驅動模塊20的輸入電流。
具體而言，無感電阻41是指感抗值非常小的電阻，其感抗值可以忽略不計，在進行電流採集時，不會引入外界幹擾，採樣精度高。無感電阻41可以為金屬膜、繞線電阻等。
如圖4所示，將無感電阻41串聯在整流模塊10的第一輸出端與變壓器21的初級線圈的一端之間，當高壓驅動模塊20的工作電流(輸入電流)流過無感電阻時，在無感電阻41兩側產生微小壓降，放大電路42將該微小壓降放大，並連接至控制晶片的AD採樣口，通過檢測AD值，實時獲取高壓驅動模塊20的輸入電流I。然後，通過計算模塊200將輸入電流I與整流模塊10的輸出端的低壓直流電VDC相乘，即可得到離子發生器30的實時功率。然後根據離子發生器30的實時功率和目標設定功率之間的功率差值計算高壓驅動模塊20的驅動信號的佔空比調節量，根據調節量對驅動信號的佔空比進行調節，並根據調節後的佔空比對開關管22進行驅動控制，被壓整流模塊23輸出高壓直流電，以使離子發生器30恆功率運行。
根據本發明的一個實施例，控制模塊300可採用增量式PID算法計算高壓驅動模塊20的驅動信號的佔空比調節量。
具體而言，如圖5所示，增量式PID算法的輸入量為離子發生器30的實時功率，輸出量為驅動信號的佔空比。由於離子發生器30的實時功率與驅動信號的佔空比成正比，當佔空比增加時，離子發生器30的功率也隨之增加。
假設Dk為第k次採樣時刻佔空比的輸出值，根據PID算法的公式，可得第k次採樣時刻佔空比的輸出值為：
其中，Kp為比例係數，T為採樣周期，Ti為積分時間，D0為開始進行PID控制時的初始佔空比，Td為微分時間，ek為第k次採樣時離子發生器30的目標設定功率與實時功率之間的功率差值。
由上述公式(1)可得，在第k-1採樣時刻輸出的佔空比為：
將上述公式(1)和公式(2)相減，即為增量式PID算法的計算公式：
將上述公式(3)進行調整，令可得：
ΔD＝Aek-Bek-1+Cek-2 (4)
通過調整上述公式(4)中A、B、C的值，控制模塊300可獲取佔空比的調節量ΔD，並根據ΔD對驅動信號的佔空比進行調節，例如，當空氣相對溼度增加時，則自動減小驅動信號的佔空比，即D＇＝D-ΔD，然後，根據調節後的佔空比對高壓驅動模塊20進行控制，使離子發生器30的實時功率穩定在目標設定功率。
因此，根據本發明實施例的離子淨化器的控制裝置，能夠根據功率波動值計算驅動信號的佔空比調節量，並對驅動信號的佔空比進行自動調節，使得離子發生器維持恆功率輸出，有效避免了功率過高而導致擊穿、拉弧等現象。
根據本發明實施例的離子淨化器的控制裝置，通過電流獲取模塊實時獲取高壓驅動模塊的輸入電流，計算模塊根據輸入電流計算離子發生器的實時功率，控制模塊獲取離子發生器的目標設定功率，並根據目標設定功率與實時功率之間的功率差值計算高壓驅動模塊的驅動信號的佔空比調節量，以及根據佔空比調節量對驅動信號的佔空比進行調節，並根據調節後的佔空比對高壓驅動模塊進行控制，以使離子發生器恆功率運行，保證離子場的穩定輸出，有效避免因功率過高導致離子發生器出現擊穿、拉弧等現象。
此外，本發明的實施例還提出了一種離子淨化器，其包括上述的控制裝置。
本發明實施例的離子淨化器，通過上述的控制裝置，控制離子發生器恆功率運行，保證離子場的穩定輸出，有效避免因功率過高導致離子發生器出現擊穿、拉弧等現象。
在本發明的描述中，需要理解的是，術語「中心」、「縱向」、「橫向」、「長度」、「寬度」、「厚度」、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「頂」、「底」「內」、「外」、「順時針」、「逆時針」、「軸向」、「徑向」、「周向」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。
此外，術語「第一」、「第二」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有「第一」、「第二」的特徵可以明示或者隱含地包括至少一個該特徵。在本發明的描述中，「多個」的含義是至少兩個，例如兩個，三個等，除非另有明確具體的限定。
在本發明中，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」、「固定」等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通或兩個元件的相互作用關係，除非另有明確的限定。對於本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
在本發明中，除非另有明確的規定和限定，第一特徵在第二特徵「上」或「下」可以是第一和第二特徵直接接觸，或第一和第二特徵通過中間媒介間接接觸。而且，第一特徵在第二特徵「之上」、「上方」和「上面」可是第一特徵在第二特徵正上方或斜上方，或僅僅表示第一特徵水平高度高於第二特徵。第一特徵在第二特徵「之下」、「下方」和「下面」可以是第一特徵在第二特徵正下方或斜下方，或僅僅表示第一特徵水平高度小於第二特徵。
在本說明書的描述中，參考術語「一個實施例」、「一些實施例」、「示例」、「具體示例」、或「一些示例」等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不必須針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領域的技術人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例以及不同實施例或示例的特徵進行結合和組合。
儘管上面已經示出和描述了本發明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發明的限制，本領域的普通技術人員在本發明的範圍內可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。