CN1331410A - 设备中负荷不平衡的检测方法及其装置 - Google Patents

Abstract

为带有接收大量物品并绕轴旋转的容器的设备提供测量设备中负荷不平衡的方法及设备。安装和配置控制器,使容器旋转在一组不变旋转速度之间加速,测量马达使容器在各个旋转速度和各个加速期内旋转所使用的电流的量,该电流量与各个速度和各个加速期的计算临界值比较,如果能量超过预先计算临界值,则发出表示不平衡状态的信号。使用如控制感应马达之类的电动机,可使容器旋转,控制器可用于测量马达驱动电流。通过施加马达的实际线电压与预定标称线电压比较,可以进一步调整临界值。

Description

设备中负荷不平衡的检测方法及其装置

本发明涉及用于检测设备中大量材料不平衡状态，更特别地，用于检测在设备的可旋转容器中大量材料不平衡状态的方法和装置。

各种设备，如自动洗衣机、自动干衣机、离心脱水机等，使用装载大量材料的旋转桶、篮或其他容器，这些材料可能或不能均匀分布在容器内。负荷不均匀分布或失衡的状态，产生旋转容器的质量中心与容器的几何轴不一致的情况。这导致产生高负荷和容器的剧烈振动。在设备中，这种剧烈振动可能造成设备在地板上或其他支撑表面上移动的现象。这种现象既能发生在垂直轴的旋转容器和水平轴的容器中，也可能发生在轴位于垂直与水平之间的设备中。

在现有技术中采用了多种方法，试图提供机械排布，以限制或减少可能发生的不平衡负荷，这些方法典型地包括向容器加入各种或者固定或者可移动的块，这样，旋转容器的马达需要额外的动力。

在现有技术中还公开了检测负荷不平衡的方法，例如，在如美国专利5 070565所公开的那样，在洗衣机中使用倒向器驱动马达。该专利公开了在直流倒相器总线电流中检查波动，波动值超过预定水平表示负荷不平衡。如果检测到负荷不平衡，那么洗衣机控制器要重新开始再分布循环，试着使衣服再次达到平衡。如果负荷还是不平衡，那么这种行为要尝试预定次数，旋转循环将中止。如果波动值在达到最多尝试次数之前降到预定水平之下，旋转循环就会开始。一旦旋转循环启动，旋转循环的长度就根据任何遗留的负荷不平衡大小确定。旋转速度和旋转时间可根据检测的负荷不平衡程度进行调整。

如果提供一种方法和装置，其中，能在可能严重不平衡实际发生前预测到，以致采取适当的步骤来避免这种情况的有害影响，这会是一个进展。

本发明提供了在如自动洗衣机设备中的旋转装置中，检测严重不平衡状态的方法和装置，这些旋转装置如旋转篮、桶或其他可旋转容器。该方法和装置通过监测电机电流信号进行检测。当以高速旋转检测严重不平衡状态时，旋转速度可能适应性地降低到安全水平，在这一水平，设备振动和机械应力都是可以承受的。可连续地检测设备系统，以致在如自动洗衣机、干衣机或离心脱水机之类的设备情况下，当水从织物中抽提时，负荷变得不那么重了，旋转速度能够逐渐地提高到所期望的水平。如果严重的不平衡状态依然持续，则旋转速度能够适应性地加以限制，或者中止循环，警告使用者。

马达驱动的旋转部件，例如可旋转容器，其不平衡负荷的作用，转化成马达扭矩摆动，它与马达定子电流成比例。而且，某些设备中增加的振动在无源部件，如在悬挂系统中引起能量损耗，造成平均电机电流增加。在控制感应马达(CM)的情况中，通过直接测量倒相器的直流总线电流，估算出定子电流。

在本发明中，当在一系列步骤中增加容器旋转速度时，监测马达扭矩摆动，严重的不平衡状态一旦发生，就可检测到。

为了得到有关负荷的信息，控制系统向马达发出分级速度曲线。通过计算马达定子电流的平均值，可监测使容器旋转的设备所需要的平均能量。在正常情况下，由于以下几种情况，电机电流增加：由于系统中速度分布、机械阻力造成的加速扭矩(即轴承磨擦力、粘性力等)或者由悬挂系统中的减震器造成的能量损耗(即存在严重不平衡状态时)。通过严格选择速度分布的加速度和使用自参考(self-referencing)技术，把系统中的惯性和机械阻力的作用减到最小是可能的。因此，可能的把马达平均电流与减震器的机械损耗、与负荷不平衡联系起来。在典型的旋转循环速度曲线中，能够识别几个区域，每个区域的特征是增加速度期间的速度斜面和保持速度不变的平台。为了避免屏蔽因加速扭矩和惯性(即负荷大小)所招致的不平衡负荷对电机电流的影响，应该严格地选择速度斜面。在这些区域的每一个区域开始，都动态地建立起电机电流的临界值。当电机电流超过这些临界值时，就会发生严重的负荷不平衡情况。为了使机械阻力的影响减到最小，在每个区域开始(前一速度平台终点)都达到电机电流基线。在这种情况下，不存在惯性造成的影响(速度恒定)，基线反映了系统中存在的机械阻力。电机电流的临界值作为基线以上的固定偏移(实验测定)确定下来。为了提高计算的精确度，在速度斜面中偏移较高(由于加速扭矩造成更高的电流)，在速度平台中偏移较低(没有加速，只有机械阻力)。然后，动态地产生一个与速度曲线密切匹配并说明系统机械阻力(基线)的临界值曲线是可能的。旋转速度曲线的斜面部分和平台部分分别确定其临界值。

为了进一步提高计算的可靠性，还可调整临界值，以说明线电压的变化。对于一定扭矩-速度操作点的电机电流取决于向马达施加的电压。当用倒相器驱动马达时，最高的可能电压在旋转速度曲线的几部分传送给马达。这个施加给马达的最高电压直接取决于提供给倒相器的线路电源电压，在这种情况下供给马达的电压没有任何调节作用是可能的。已经通过实验确定，对于一定的扭矩-速度点，当电压低时，电流是更高的，反之亦然。用简单的反比例补偿来调节线电压的临界值。

图1是本发明可能采用的自动洗衣机的透视图。

图2是旋转容器速度的图示说明。

图3是以不同速度旋转容器所需的电机电流以及不平衡状态的代表性临界值的图示说明。

图4是实施本发明的设备示意图。

本发明涉及检测旋转容器非平衡状态的方法和装置，并且本发明具有在材料放置到旋转容器的各种各样设备中的适用性，这些材料在容器内可能受到不平衡的分布。

为了在优选实施方案中解释本发明，确定自动洗衣机为本发明使用的设备。应该理解，本发明不仅能如所说明的可以应用于垂直轴洗衣机中，而且还能应用于水平轴或倾斜轴洗衣机、干衣机、离心提取器和分离器，以及在可旋转容器中装有材料的其他设备和装置，这些材料易于以不平衡状态放置。

在图1中，20说明一般自动洗衣机，即一台具有预先设定的连续控制装置的机器，该控制装置用来通过预先选择的自动洗涤、漂洗和干燥操作的程序操作洗衣机，在该装置中具体实施了本发明。机器20包括带有垂直板24的框架22，垂直板24构成了洗衣机20外壳25侧面板24a、顶板24b、前面板24c和后面板24d。以通常的方法，装上带合页的盖26，提供了通往洗衣机20内部或处理区27的入口。洗衣机20有一个控制台28，它包括计时器标度盘30或其他计时装置，温度选择器32以及循环选择器33和其他所要求的选择器。

在这里举例说明的机器20的内部，装有一个无孔液体装载桶34，在它内部有一个带孔或洞35的旋转清洗篮36，而泵38配置在桶34下面。旋转篮36限定了清洗室，它包括从基本平的底部向上延伸的内壁表面。马达100通过动力传送装置与篮36操作性相连，使篮36相对于固定桶34旋转。外壳25内的所有部件都由支柱39支撑，还可装有各种无源部件，如减震器或弹簧，以吸收篮和桶相对于洗衣机20框架和外壳的震动和移动。篮36包括可以装载如织物之类物品的容器。

在操作如自动洗衣机之类的设备时，为了从衣物中抽取水或其他洗涤液体，清洗篮36以相当高的速度旋转。如果衣物没有在清洗篮中均匀分布，就会出现不平衡状态，这将造成旋转篮围绕着旋转轴摆动。因此，篮会在垂直于旋转轴的方向上有一些移动。取决于不平衡的程度和旋转速度，摆动可以较小，或者大到足以真正造成篮36(和桶34)以某些水平的力与洗衣机外壳25接合，或与该设备某些其他相对固定的部件接合。以这种方式连续操作可能对洗衣机造成严重损害，还可能造成整个设备离开其固定位置，这样在该设备附近可能造成其他的损害或出现可能的危险情况。

不平衡负荷的作用还造成马达扭矩摆动，它与马达定子电流成比例。还有，增加的震动造成悬挂系统无源部件的能量损耗，反过来引起平均电机电流增加。在如控制感应马达之类的马达中，通过直接测量倒相器的直流总线电流可估算定子电流。

本发明还提供了一种一旦发生严重不平衡状态，就能检测可旋转容器不平衡状态的方法和装置。

典型地，当旋转速度增加时，不平衡状态变得更加严重。因此，本方法和装置试图在容器加速直到预定最小速度水平之后，监测电机电流，这个最小速度水平取决于采用的特殊设备及负荷质量等。但是，应该根据一个值选择这个速度，低于这个值，不可能由于负荷不平衡而发生损害或剧烈振动，高于这个值，可能发生损害或剧烈振动。

图2图示说明了旋转曲线，它显示旋转速度随着时间的变化。图示说明了一组加速期50，或速度斜面，以及一组连续平台52或匀速。

图3说明了加速期间和匀速方式时的平均电机电流53。图3还说明了变化的临界值水平54，还分别为每个速度斜面和每个速度平台，通过实验测量了这些临界值作为高于基线的固定偏移值。在如图2中56所示，每个区域开始(前一个速度平台末端)，都达到电机电流的基线。在这种情况下，不存在惯性造成的影响，基线反映了系统中存在的机械阻力。确定电机电流的临界值作为高于基线的固定偏移值(实验测定)。为了提高计算的精确度，在速度斜面54a中偏移较高，导致由于加速扭矩造成更高的电流，在没有任何加速，只有机械阻力的速度平台54b中偏移较低。然后动态得到与速度曲线严密匹配并导致系统机械阻力的临界值曲线是可能的。还有，在实现平台临界值之前，在加速期之后，电流需求下降后增加预定的延迟期，以允许电机电流在加速之后稳定下来。在图3中可看到这一点，在图3中，在临界值由水平54a降到54b之前，电机电流53下降。

每个新区域开始时的斜面和平台的临界值计算如下：

临界值_斜面＝基线＋偏移_斜面

临界值_平台＝基线＋偏移_平台

为了进一步提高计算的可靠性，还调整临界值，以改变线电压的变化。给定扭矩-速度操作点的电机电流取决于向马达施加的电压。已经通过实验确定，对于一定的扭矩-速度点，当电压低时，电流更高，反之亦然。用简单的反比例补偿来调节线电压的临界值。

临界值_斜面＝(基线＋偏移_斜面)×(电压_正常/电压_实际)

临界值_平台＝(基线＋偏移_平台)×(电压_正常/电压_实际)

因此，不采用高于电机电流的标准不变水平的临界值，而使用以旋转容器状态，即是否加速或是否以匀速旋转为基础的变化临界值。

可实现更精确的电压补偿，其中对于高于和低于标称的电压使用不同的增加因子：

如果(电压_实际＜电压_标称)，那么

                    临界值＝(基线＋偏移)×

         (电压_标称/电压_实际)×K1。

否则，如果(电压_实际＞电压_标称)那么

         临界值＝(基线＋偏移)×(电压_标称/电压_实际)×K2。

K1和K2是通过实验优化的系数。

取决于所采用的特别设备、容器装载的典型物品负荷的大小和质量、预计的不平衡严重程度、容器典型的最终旋转速度和本技术领域的技术人员所知的其他参数，可能改变精确的初始临界速度、加速度和每次加速后的速度。重要的是选择初始临界旋转速度，以致如果存在不平衡状态时，速度不会高到对设备或使用者造成损害。

如果产生了非平衡信号，可导致实施各种进一步的步骤，这些步骤包括将旋转速度降到更低的水平，在该水平上，设备振动和机械应力都是可以承受的。控制器可连续监测用电量，以致当水从衣服中抽出，负荷变得更轻时，旋转速度能逐渐增加到最大期望值。可选择地，如果非平衡状态太严重，通过适当可视或可听信号警告设备使用者，停止循环，直到使用者手工重新分布物品负荷，重新设定控制器。

因此，本发明提供如图4所示的装置，其中有设备60，它包括围绕轴旋转安装的容器62，并且构造成能够接收到大量物品，因此，当容器旋转，容器中的物品处于严重不平衡负荷状态时，容器62将振动。马达64带动容器旋转，马达64与容器有效连接，使容器旋转。

控制器66与马达有效连接，使马达以各种预定速度运转，并且使马达在这些速度之间以预定速度加速。使用控制器测量马达在各种速度与加速中的用电量，并与预先计算的各种速度和加速期的临界值进行比较，以确定容器是否失去平衡。如果超出了一个特别速度或加速期的临界值，控制器就把表示不平衡状态的信号送出，该信号可为使用者提供可视或可听的信号，或者让控制器采取进一步措施，以把容器振动减到最小。

正如上述具体说明是显而易见的那样，能对本发明进行多种变更和修改，但这些变更和修改与上述具体说明和描述的内容具有显著不同。应该理解，我们希望，在这里授权的本发明范围内，合理而正确地实施所有这些修改都在我们对本技术所做的贡献范围内。

Claims (19)

1、在带有装着大量物品的容器的设备中，所述容器由电动机操作旋转，方法包括以下步骤：

A.确定使所述容器以不同的预定速度和在所述各种预定速度之间以预定加速度旋转的所述马达所需要的电流量；

B.计算在各个所述预定速度和加速度时高于所述预定电流量的各个临界值；

C.把所述大量物品装入所述容器；

D.然后用所述电动机，以第一个所述预定速度绕轴旋转所述容器；

E.然后测量使所述容器以所述第一预定速度旋转的所述马达所使用的电流量；

F.然后将所述电流量与所述第一速度的所述计算值进行比较；

G.如果所述电流量超过所述计算值，然后就送出表示不平衡状态的信号；

H.如果所述电流量低于所述计算值，然后将所述容器加速一段加速期，使其达到更高的预定速度；

I.然后测量使所述容器加速到所述下一个更高预定速度的所述马达所使用的电流量；

J.然后将所述电流量与所述加速期的所述计算值进行比较；

K.然后如果所述电流量超过所述加速期的所述计算值，就发出表示不平衡状态的信号；

L.然后测量使所述容器以所述下一个更高预定速度旋转的所述马达所使用的电流量；

M.然后将所述电流量与所述下一个更高速度的所述计算值进行比较；

N.然后如果所述电流量超过所述下一个更高速度的所述计算值，就发出表示不平衡状态的信号；

O.重复步骤H到N，直到发出表示平衡状态的信号，或达到最大预定速度。

2、根据权利要求1所述的方法，其中所述设备是自动洗衣机。

3、根据权利要求2所述的方法，其中所述洗衣机是一种垂直轴洗衣机、倾斜轴洗衣机或水平轴洗衣机。

4、根据权利要求1所述的方法，其中所述设备是衣服处理设备，所述物品包括织物。

5、根据权利要求1所述的方法，其中计算各个预定速度的临界值的所述步骤包括一个预定值加各个预定速度的各个测量电流量。

6、根据权利要求5所述的方法，其中计算各个加速期的临界值的所述步骤包括一个预定值加各个加速期的各个测量电流量。

7、根据权利要求6所述的方法，其中为了得到各个预定速度时的临界值所加的所述预定值，小于为得到各个加速期的临界值所加的所述预定值。

8、根据权利要求6所述的方法，该方法包括测量供给所述马达的实际线电压，并且与已测量的标称线电压相比，通过补偿实际线电压调节临界值。

9、根据权利要求8所述的方法，其中所述调节步骤包括所述临界值乘以由实际线电压除以标称线电压所得到的商，得到调整的临界值。

10、根据权利要求9所述的方法，其中所述调整步骤还包括，如果实际线电压高于标称线电压，那么调整临界值乘以第一常数，如果实际线电压低于标称线电压，那么调整临界值乘以一个不同的常数。

11、带有装着大量物品的容器的设备，所述容器通过电动机的操作而旋转，控制该设备操作的方法，所述方法包括以下步骤：

操作所述马达，使所述容器以多个预定速度旋转；

在加速期内，以所述预定速度之间的预定速度加速所述容器；

测量以所述预定速度和在所述加速期内使所述容器旋转的所述马达所需要的电流量；

将所述测量电流与分开计算的各个预定预谋和加速期的临界值进行比较；和

如果所述电流量超过任何预定速度或加速期的所述计算值，则发出表示不平衡状态的信号。

12、一种设备，它包括：

一个绕轴旋转安装的容器，配置成能接收大量物品；

与所述容器驱动连接的电动机；

安装和配置的控制器，操纵所述马达，使所述容器以多个预定速度旋转，使所述容器在几个所述预定速度之间在加速期内加速，测量使所述容器以所述预定速度和在所述加速期内旋转的所述马达所需要的电流量，将所述测量的电流量与分开计算的各个预定速度和加速期的临界值进行比较，如果所述电流量超过任何预定速度或加速期时的所述计算值，则发出表示不平衡状态的信号。

13、根据权利要求12所述的设备，其中所述设备是自动洗衣机。

14、根据权利要求13所述的设备，其中所述洗衣机是一种垂直轴洗衣机或水平轴洗衣机。

15、根据权利要求12所述的设备，其中所述设备是衣服处理设备，所述物品包括织物。

16、根据权利要求12所述的设备，其中所述电动机包括控制感应马达，倒相器装在与马达相连的控制器中，所述控制器还包括与所述倒相器直流总线相连的电流测量装置。

17、根据权利要求16所述的设备，其中所述电流测量装置提供了表示所述马达使用电流的输出信号，所述控制器还包括与接收所述输出信号相连的数字过滤器，所述数字过滤器包括运行平均计算，并提供表示所述马达使用的平均电流的输出。

18、根据权利要求12所述的设备，其中所述信号包括使用者可听或可视信号。

19、根据权利要求12所述的设备，其中所述信号包括输送给所述控制器其他部分的电信号。

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