CN102277706A - 测量洗衣机滚筒的惯性矩的方法和执行该方法的洗衣机 - Google Patents

Abstract

一种测量洗衣机滚筒的惯性矩的方法和执行该方法的洗衣机，所述方法包括以下步骤：通过永磁体同步电动机使所述滚筒旋转，以使所述滚筒达到第一旋转角速度(100-101)；在所述第一角速度下，确定表示由所述同步电动机传递的所述转矩的周期信号中的同步点(104)；在所述同步点，利用由所述同步电动机传递的恒定电动转矩开始所述滚筒的加速瞬态(105)；当达到第二角速度时，中止所述加速瞬态(107)；获得所述加速瞬态的持续时间(106)；根据以下公式，基于所述加速瞬态期间提供给所述滚筒的转矩的值、瞬态持续时间值及所述瞬态中的角速度的变化来进行所述滚筒的所述惯性矩的非直接测量：

Description

测量洗衣机滚筒的惯性矩的方法和执行该方法的洗衣机

技术领域

本发明的总体涉及一种用以测量滚筒洗衣机的滚筒的惯性矩的方法。

具体而言，所述方法适用于家庭使用或工业使用的洗衣机、洗涤机或类似机器，它们包括用以放入物品以使其经历洗涤、甩干或离心循环的滚筒。在本说明书中，通常用术语洗衣机来表示上述类型的机器。

背景技术

已知，洗衣机包括在滚筒外壳内借助于电动机旋转的滚筒，电动机在大多数情况下通过传动皮带轮连接到滚筒。

使用者将待洗衣物构成的载荷放入所述滚筒中，当达到规定的旋转速度(通常包括在80转/分与120转/分之间)时，该载荷基本上均匀地沿着滚筒的周壁被施压。

洗涤和/或甩干过程可以有利地根据滚筒中包含的洗衣载荷而优化，例如，根据洗衣载荷，调整某些工作参数，诸如水流量和加入的洗涤剂的量、滚筒的旋转速度、随后的洗涤步骤的持续时间。

就在洗涤和/或甩干过程之前，电子控制单元进行测量载荷滚筒的惯性矩，使得能够获得与加入的载荷有关的信息，由此实现上述过程的优化。

美国专利US 7162759表示的现有技术公开了一种用于间接确定所述惯性矩的方法。此方法提供了通过测量供电电路的电压和电流变化来监测在滚筒的加速瞬态期间吸收的瞬时电功率。瞬态期间吸收的功率通过使此功率相对于时间积分来计算，从该瞬态期间吸收的功率中减去与摩擦有关的项以获得基本上与载荷滚筒的惯性矩成比例的值。

尽管基本上满足目的，但根据现有技术的上述方法暴露出一些缺点。

首先，通过所述方法进行的测量相对地不准确。

此不准确的原因之一源于可能不均衡的载荷。事实上，尽管旋转在理论上使滚筒中的载荷形成轴对称分布，但实际上载荷通常不均衡。此不均衡载荷导致从电动机得到的使滚筒旋转的功率振荡(甚至很明显)，此振荡对于上述载荷造成测量误差。

如果瞬态的开始速度和结尾速度比较接近，例如为95转/分和135转/分，则因不均衡载荷导致的误差可能是不可接受的。因此，该已知方法的另一缺点源于与从这些速度中进行的选择有关的设计局限性；具体而言，在短时间速度爬升时，不能有利地实施该方法。

而且，主要由于功率相对于时间的积分运算，该提供的方法需要相当大的计算量。

美国专利US 4741182公开了一种利用与上述方法不同的特性确定惯性矩的方法。然而，此方法也暴露了与因不均衡载荷引起的测量不准确有关的缺点。

因此，本发明所解决的技术问题是提供一种能够克服现有技术的缺点的测量惯性矩的替代方法。

发明内容

上述技术问题由一种用于测量包含载荷的洗衣机滚筒的惯性矩的方法解决，所述方法包括以下步骤：

-通过永磁体同步电动机使所述滚筒旋转，以使所述滚筒达到第一旋转角速度；

-在所述第一角速度下，确定表示由所述同步电动机传递的所述转矩的周期信号中的同步点，即载荷不均衡位置；

-在所述同步点，利用由所述同步电动机传递的恒定电动转矩开始所述滚筒的加速瞬态；

-当达到第二角速度时，中止所述加速瞬态；

-获得所述加速瞬态的持续时间；

-根据下述公式，基于所述加速瞬态期间提供给所述滚筒的转矩的值、所述加速瞬态的所述持续时间值及所述加速瞬态中的角速度的变化来进行所述滚筒的所述惯性矩的非直接测量：

$J=\frac{T_{\mathrm{acc}}\·\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\Δ\ω}}.$

有利地，利用恒定转矩加速瞬态能够简化用于计算惯性矩的公式。实际上，根据本发明的方法不需要作为现有技术的特征的积分运算，因此意味着降低了进行该测量的控制单元的计算成本。

鉴于恒定速度下的转矩振荡主要由不均衡载荷的旋转造成，在转矩信号上识别用于开始所述加速瞬态的同步点表示总是在先前已知的不均衡载荷位置处开始所述瞬态。此解决方案允许了较高的测量准确度，消除了已知技术中确定的测量误差。因此，有利地，根据本发明的方法甚至可以在相对较短的加速瞬态下实施，例如从90转/分到135转/分。

本发明的方法主题可以测量第一角速度下和第二角速度下由电动机传递的转矩。因此，接着可以通过计算瞬态端点处测量的两个转矩的平均值来进行有效估算用以克服加速瞬态期间的摩擦所需的转矩。因此，可以从加速瞬态期间传递的电动转矩的值中减去所述平均值以获得提供给所述滚筒的转矩的估值。

鉴于永磁体同步电动机的特性，吸收的正交电流I_q的信号可以有利地用作表示关于确定同步点而传递的转矩的信号。具体而言，同步点可以是该信号的峰值点(最大值或最小值)，该峰值点可以通过分析导数而容易地确定。

开始加速瞬态的步骤可以为使电动机的所述正交电流I_q达到预定值作准备，所述预定值在整个瞬态时间期间保持不变。已知，由同步电动机传递的转矩大致上与所吸收的正交电流I_q成比例，因此该恒定电流状态还保证恒定转矩。

当达到第二角速度时中止所述加速瞬态的所述步骤可以提供在加速瞬态期间通过位置传感器周期性地获得所述滚筒的角速度。可选择地，可以在无传感器模式下估算所述速度。当达到(检测到或估算到)预期的第二角速度时，最初保持在恒定正交电流I_q的同步电动机进入反馈控制，在反馈控制中，同步电动机保持在等于所述第二角速度的角速度。

而且使所述滚筒旋转以使其达到第一角速度的步骤可以有利地提供同步电动机的反馈控制。接着将由位置传感器获得的同步电动机的角速度与预期的第一角速度比较。还是在此情况下，可选择地，该角速度可以在无传感器模式下估算。

例如，所用的位置传感器可以是霍尔效应传感器。

已知，由永磁体同步电动机传递的转矩与正交电流I_q和与定子磁性回路有关的磁通量Φ的乘积成比例。因此，磁通量Φ的值用在本方法中以根据吸收的正交电流I_q的值获得由同步电动机传递的转矩。

在给定定子磁性回路的特性时，理论上可以知道此磁通量；然而，实际上，此磁通量因生产变化而偏离理论值。基于电动机的状态变量而估算磁通量值的步骤可以包括在本发明中，目的是提高测量准确度。

具体而言，估算所述磁通量值Φ的所述步骤可以利用使用校正系数的估算算法，以补偿在测量所述电动机的状态变量和估算其工作参数时产生的误差。

应当注意，如果不利用位置传感器实施本发明，该估算算法还能够估算滚筒的速度。

当估算磁通量Φ时观测到的另一误差由温度影响引起；可以通过由热传感器获得同步电动机的温度值来有利地补偿此误差。

有利地，估算磁通量Φ的所述步骤可以应用相对于上文概述的估算算法简化的方法。

例如，可以通过根据测量到的所述电动机的温度T来校正参考温度T_ref下的额定磁通量Φ_ref而估算所述磁通量值。

在此情况下，可以应用以下公式：

Φ＝Φ_Ref(T-T_Ref)(1-δ)

其中，所测量到的温度应当比参考温度大，例如参考温度可以为25℃，且其中δ是通常等于0.002的磁体导热系数。

考虑到辨别所述电动机的结构变化的校正系数k而更准确地估算所述磁通量值Φ，以试验方式通过在测试步骤中以已知的转矩操作所述电动机来测量校正系数k。

有利地，还可以应用以下公式：

Φ＝k·Φ_Ref(T-T_Ref)(1-δ)。

先前概述的技术问题还通过一种洗衣机解决，所述洗衣机包括：滚筒；用以使所述滚筒旋转的永磁体同步电动机；连接到所述同步电动机的控制单元；所述控制单元设置成实施前述的方法。

该洗衣机还可包括连接到所述控制单元的位置传感器以检测所述滚筒的角度位置。

通过下文结合附图且以非限制示例方式提供的优选实施方式的描述，本发明的其它特性和其它优势将很明显。

附图说明

图1示意性地示出了设置用以实施根据本发明的方法的洗衣机的结构；

图2示出了根据本发明的方法的框图；

图3示出了在实施本方法时同步电动机的正交电流信号(粗线)和滚筒的角速度(虚线)的时间变化的曲线图；

图4示出了根据本发明的方法所用的磁通量的估算算法的框图。

具体实施方式

参考附图1，用1总体地表示的洗衣机包括滚筒2和同步电动机3，滚筒2根据水平旋转轴线x安装在滚筒外壳中，同步电动机3被设置成用于使滚筒2绕旋转轴线x运动。

滚筒2被设置用于接收待在其中洗涤的衣物或者其它物品；在本说明书的其余部分中，将用载荷这一术语来概括性地表示此滚筒所含之物。

具体而言，同步电动机3为永磁体类型，外杯式转子以已知的方式通过传动带连接到先前提到的旋转滚筒2。

同步电动机3与控制单元4关联，控制单元4包括电动机驱动电路，电动机驱动电路的用途是执行下文所述的测量惯性矩的方法。所述控制单元4连接到用以测量同步电动机3的角速度的霍尔效应传感器5。

在转到详细描述根据本发明的测量方法的具体步骤之前，下面是关于所实施的计算技术的一些介绍性的知识。

由以角速度ω旋转的滚筒2和滚筒2中的载荷构成的系统的动能可以利用旋转系统的通用公式表示：

$E_c=\frac{1}{2}{\mathrm{J\ω}}^2---\left(1\right)$

其中J是想要获得的惯性矩。

通过相对于时间对两项求导获得功率：

P＝Jωα         (2)

其可以以另一方式表示为转矩T和角速度ω的乘积。利用这两个功率表达式之间的等效关系，可以观察到：

Jα＝T           (3)

现在，我们假定使系统加速，在Δt时间的加速瞬态期间从第一角速度ω₁到第二角速度ω₂＝ω₁+Δω，将转矩恒定地保持在值T_acc处。将公式(3)的两项相对于时间积分，则观察到

$J\·\mathrm{\Δ\ω}=T_{\mathrm{acc}}\·\mathrm{\Δt}\⇒J=\frac{T_{\mathrm{acc}}\·\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\Δ\ω}}---\left(4\right)$

由永磁体同步电动机传递的电动转矩从以下公式得出：

$T_{\mathrm{em}}=\frac{2}{3}\frac{\mathrm{pp}}{\sqrt{2}}\mathrm{\Φ}{\mathrm{NI}}_q---\left(5\right)$

其中pp表示电动机的极数，Φ表示与磁性回路有关的磁通量，N是线圈数目，且I_q是吸收的正交电流。

现在，极数pp和线圈N是先前已知的电动机的结构的量。

磁通量Φ是从磁性回路的形态得出的量，但因生产变化和温度影响而不准确。

吸收的电流I_q可以直接由控制单元4测量和控制，该吸收的电流I_q可以以一已知方式自电动机的相电流通过已知的派克变换和克拉克变换得到。

因此，控制单元4能够估计加速瞬态期间由电动机传递的电动转矩T_{em_acc}；然而，需要所产生的转矩T_acc以通过公式(4)获得惯性矩J，该所产生的转矩T_acc即不包括用以克服旋转系统在加速瞬态期间的摩擦所需的转矩的电动转矩T_{em_acc}。可以通过简单计算在以第一角速度ω₁和以第二角速度ω₂的恒定角速度下(且因此全部由摩擦引起)检测到的转矩的平均值来获得此变量的有效估计，第一角速度ω₁和第二角速度ω₂即瞬态的开始速度和结束速度。最后，可以通过以下公式有效地估计惯性矩J：

$J=\frac{\frac{2}{3}\frac{\mathrm{pp}}{\sqrt{2}}\mathrm{\ΦN}[I_{q\_\mathrm{acc}}-\left(\frac{I_{q\_1}+I_{q\_2}}{2}\right)]\·\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\Δ\ω}}---\left(6\right)$

其中，I_{q_acc}、I_{q_1}和I_{q_2}分别是加速瞬态期间、第一角速度为ω₁和第二角速度为ω₂时的正交电流的值。

参考图2示出的框图，接下来是用于测量滚筒2的惯性矩的方法的单个步骤的详细描述。

当启动洗衣机1的洗涤循环时，可有利地实施该方法，该方法提供了第一步骤，第一步骤在于使滚筒2达到第一角速度ω₁。此角速度应当比载荷旋转速度大；在本示例中，认为第一角速度ω₁的值等于95转/分，假定载荷以80转/分紧贴着滚筒。

通过在电动机3的控制变量下操作(图2的框100)，且通过反馈控制判断滚筒2是否已达到预期速度(框101)，滚筒以已知的方式前进提升到第一角速度ω₁。

控制单元4利用霍尔效应传感器5以检测转子的角速度。

当达到第一角速度ω₁时，滚筒2在测量循环的第一阶段10期间以恒定速度旋转。

在所述第一阶段中，和在后续阶段中一样，滚筒2的载荷紧压着所述滚筒。然而，如在讨论现有技术的段落中所述，载荷沿滚筒2的内壁的分布是不均匀的。因此，该载荷总是因某种原因而有一定程度的不均衡，因此，使载荷以恒定速度旋转所需的转矩具有振荡趋势，其振荡周期和滚筒2的旋转周期一致。因此，由电动机3吸收的正交电流I_q也在平均值周围振荡。

在此第一阶段中，控制单元4获得所述平均值(框102)；此值表示要在公式(6)中使用的、第一角速度ω₁下的正交电流I_{q_1}。

根据正交电流I_{q_1}的所述值，控制单元可以利用先前所述的公式(5)估计电动机用以克服旋转系统在第一角速度ω₁下的摩擦所需的转矩T₁(框103)。

测量循环的第一阶段10之后是第二阶段11，第二阶段11由朝向第二角速度ω₂的加速瞬态构成。在本示例中，认为第二角速度ω₂的值等于135转/分。

加速瞬态的开始与已确定的载荷不均衡位置同步，目的是保证通过本方法进行的惯性矩J的各种不同测量之间的一致性。如上文所讨论，第一阶段10期间的正交电流I_q的周期性信号表示不均衡载荷；因此，在本示例中，将所述信号的最大峰值确定为同步点10a(框104)。

鉴于正交电流信号I_q大致为正弦曲线，则正交电流信号I_q的峰值可以通过已知方法容易地确定，例如通过求该信号的导数。应当注意到，正交电流信号I_q的最小峰值可以选择性地或者同样容易地确定为同步点10a。

因此，控制单元4开始加速瞬态，使同步电动机3的控制变量在确定的同步点10a增大到预定值I_{q_acc}(框105)，所述控制变量即正交电流I_q。所述值I_{q_acc}在整个加速瞬态期间保持不变，因此满足恒定电动转矩T_{em_acc}的上述条件。

加速瞬态中止且测量循环进入第三阶段12，在第三阶段12中，只有当控制单元4检测到已达到第二角速度ω₂(框107)时，滚筒2的速度在达到该值后保持不变(框108)。

控制单元4测量加速瞬态时间Δt(框106)，并且当达到第三阶段12时，控制单元4测量第二角速度ω₂下的正交电流I_{q_2}(框109)。再一次地，鉴于在所第三阶段中正交电流信号I_q具有振荡性质，则得到的值将是平均值。

应当注意到，在此步骤中，控制单元4可以计算电动机用以克服旋转系统在第二角速度ω₂下的摩擦所需的转矩T₂(框110)。

在该测量方法的最后步骤中，控制单元利用上述公式(6)中得到的计算结果来计算预期转矩J。

因此，转矩J的值可以以各种方式用来优化洗衣机1的洗涤周期。

如上所述，自正交电流I_q获得电动转矩需要获知与电动机3的定子磁性回路有关的磁通量Φ。根据磁性回路获知此磁通量Φ的量值，但此磁通量Φ的量值也要遭受尤其是因生产变化造成的变化。

在本方法中，为了提高惯性矩J的最终测量准确度，通过图4中示出的估算算法200获得相关的磁通量Φ。

鉴于除了相关磁通量的值外，此类型的算法还能够获得位置和转子的角速度的估算，从而此类型的算法通常用于控制无感测模式中的电动机。在本发明的示例中，尽管同步电动机3已设置有霍尔效应传感器5，但使用估算算法200使得其能够获得相关磁通量Φ的更准确的值。

该算法包括处理块201，处理块201根据控制单元4检测到的电压值和估算的角位置θ确定电压V_q和电压V_d的派克变换。

磁通量Φ的估算从值V_d获得，即从影响相关磁通量的电压分量开始。具体而言，值V_d穿过第一积分器202，接着值V_d乘以第一系数K1(框204)且其构成第一加法器块206的输入。从第一积分器202输出的信号也构成第二积分器203的输入，第二积分器203的输出乘以第二系数K2，构成第一加法器块206的第二输入。第一加法器块的第三输入由单一值给出。磁通量Φ(图4中的flux_ext变量)的估算由加法器块206的输出乘以第三系数K3(框207)确定。

除法器块208在其输入端接收自处理块201输出的值V_q和从前述块获得的值Φ，除法器块208根据公式ω＝V_q/Φ估算角速度的值。此值通过减法器块209校正，减法器块209从此值中减去校正信号。

此校正信号得自信号V_d乘以第四系数K4后的值加上从第一积分器202输出的信号乘以第五系数K5后的值，该加法由第二加法器块213进行。当信号V_q获得负值时，该校正信号的符号通过乘法器块214反向。

减法器块209的输出相当于转子的角速度ω的估算值(图中为omega_ext变量)；因此，此信号穿过第三积分器块215以限定角位置θ(theta_ext变量)的估算值，接着反馈到处理块201。

在理想情况下，将第三角系数K3设定为恒等于额定条件下测量的相关磁通量的值并将剩下的角系数K1、K2、K4、K5设定为等于零，以足以满足估算算法的同步条件。

然而，由于该系统的测量和估算参数的不确定性，需要校正项来确保估算器的准确同步：第四系数K4和第五系数K5抵消了角位置θ的计算的对准误差；第一系数K1和第二系数K2校正了用以计算磁通量的第三系数K3的误差。

在可选择的实施方式中，可以使用就上述估算算法而简化的计算工具估算磁通量Φ。

首要地，存在用以检测永磁体的温度的传感器时，可以考虑到热导数(thermal derivative)而根据以下公式获得磁通量Φ的估算值：

Φ＝Φ_Ref(T-T_Ref)(1-δ)     (7)

其中Φ_Ref表示例如25℃的参考温度T_Ref下的额定磁通量值，同时T和δ分别表示所测量到的永磁体的温度(其应当比参考温度高)和导热系数。

考虑到电动机的结构变化，还可以通过引入校正系数k来根据以下公式改善所进行的估算K：

Φ＝k·Φ_Ref(T-T_Ref)(1-δ) (8)

在以已知的转矩和参考温度操作期间通过测量正交电流I_q而在测试期间根据先前给定的公式(5)获得此校正系数k。因此，该校正系数可以存储在控制单元中且当估算磁通量时参考该校正系数。

显然，上述的方法和洗衣机可以经受本领域技术人员所作的各种改动和变动，目的是满足可能的和特定的需求，所述的各种改动和变动全部落入以下权利要求所限定的本发明的保护范围内。

Claims (13)

1.一种具有一载荷的洗衣机滚筒的惯性矩(J)的测量方法，所述测量方法包括以下步骤：

-通过永磁体同步电动机使所述滚筒旋转，以使所述滚筒达到所述载荷的第一旋转角速度(ω₁)；

-利用由所述同步电动机传递的恒定电动转矩(T_{em_acc})开始所述滚筒的加速瞬态；

-当达到第二角速度(ω₂)时，中止所述加速瞬态；

-获得所述加速瞬态的持续时间(Δt)；

-根据下述公式，基于所述加速瞬态期间提供给所述滚筒的转矩的值(T_acc)、所述加速瞬态的所述持续时间值(Δt)及所述加速瞬态中的角速度的变化(Δω＝ω₂-ω₁)来进行所述滚筒的所述惯性矩(J)的非直接测量：

$J=\frac{T_{\mathrm{acc}}\·\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\Δ\ω}},$

其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

-在所述第一角速度(ω₁)下，确定表示由所述同步电动机传递的所述转矩的周期信号中的同步点，即载荷不均衡位置；

-所述加速瞬态开始于所述同步点，即开始于已知的载荷不均衡位置，以便消除因所述不均衡载荷引起的测量误差。

2.如权利要求1所述的测量方法，其中所述测量方法还包括测量所述电动机在所述第一角速度(ω₁)下传递的扭矩(T₁)和所述电动机在所述第二角速度(ω₂)下传递的扭矩(T₂)，提供给所述滚筒的所述扭矩的值(T_acc)通过从所述同步电动机在所述加速瞬态期间传递的所述电动扭矩(T_{em_acc})中减去所述扭矩的平均值来估算。

3.如权利要求1所述的测量方法，其中表示由所述同步电动机传递的所述转矩的所述周期信号是由所述同步电动机(3)吸收的正交电流(I_q)的信号，所述同步点限定为所述信号的峰值点。

4.如权利要求1所述的测量方法，其中开始加速瞬态的所述步骤使所述电动机的所述正交电流(I_q)达到预定值(I_{q_acc})且将其保持在所述预定值不变。

5.如权利要求4所述的测量方法，其中当达到第二角速度(ω₂)时中止所述加速瞬态的所述步骤包括在所述加速瞬态期间通过位置传感器周期性地获得所述滚筒的角速度，且当检测到已达到所述第二角速度(ω₂)时，反馈控制所述同步电动机，将其角速度保持在所述第二角速度(ω₂)的所述值。

6.如权利要求1所述的测量方法，其中使所述滚筒旋转以使其达到第一角速度(ω₁)的所述步骤包括反馈控制所述同步电动机、将由位置传感器获得的同步电动机的角速度与预期的第一角速度(ω₁)比较。

7.如权利要求5所述的测量方法，其中所述位置传感器是霍尔效应传感器。

8.如权利要求1所述的测量方法，其中所述测量方法还包括基于所述同步电动机的状态变量估算相关的磁通量值(Φ)，所述磁通量值用以基于吸收的正交电流(I_q)的值计算由所述同步电动机传递的所述转矩。

9.如权利要求8所述的测量方法，其中通过根据测量到的所述电动机的温度(T)来校正参考温度(T_ref)下的标称磁通量值(Φ_ref)而估算所述磁通量值(Φ)。

10.如权利要求9所述的测量方法，其中考虑表征所述电动机的结构变化的校正系数(k)而估算所述磁通量值(Φ)，所述校正系数(k)是以试验方式通过在测试步骤中以已知的转矩操作所述电动机来测量的。

11.如权利要求10所述的测量方法，其中根据公式Φ＝k·Φ_ref(T-T_ref)(1-δ)估算所述磁通量值(Φ)。

12.如权利要求8所述的测量方法，其中估算所述磁通量值(Φ)的所述步骤利用使用校正系数(K1-K5)的估算算法(200)，以补偿在测量所述电动机的所述状态变量和估算所述电动机的工作参数时所产生的误差。

13.一种洗衣机，所述洗衣机包括：滚筒；用于使所述滚筒旋转的永磁体同步电动机；连接到所述同步电动机的控制单元；所述控制单元被设置成用于实施如前述权利要求中任一项所述的方法。

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