CN1854377A

CN1854377A - 监测洗衣机中负荷量大小和负荷不平衡的方法和设备

Info

Publication number: CN1854377A
Application number: CNA2006100515588A
Authority: CN
Inventors: 张政; 谢涛; G·M·贾斯泰科; M·M·谢; S·D·斯拉贝考; A·R·布恩迪雅
Original assignee: Whirlpool Corp
Current assignee: Whirlpool Corp
Priority date: 2005-04-27
Filing date: 2006-02-28
Publication date: 2006-11-01
Also published as: EP1736590B1; DE602006000888T2; US7958585B2; EP1736590A1; AU2006200617A1; US20060242768A1; US20100241276A1; BRPI0601510A; DE602006000888D1; NZ545475A; US7739764B2; CA2535677A1

Abstract

揭示了一种确定一水平轴线洗衣机中的静态和动态不平衡状态的方法。该方法采用许多算法根据来自洗衣机电动机的功率测量值来确定在给定洗衣机中的任何给定负荷下的总的负荷量大小、任何静态负荷不平衡的量以及任何动态负荷不平衡的量。还揭示了为给定洗衣机获取算法的方法。

Description

监测洗衣机中负荷量大小和负荷不平衡的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于监测负荷量大小以及使用来自电动机的功率信号来监测并纠正洗衣机滚筒中的不平衡状态的方法和设备。它尤其适用于具有非垂直轴线滚筒的洗衣机。

背景技术

洗衣机通常采用用来容纳衣物和其它要清洗的物品的圆筒状带孔篮筐，该篮筐可旋转地安装在一安装用来容纳清洗液体的无孔的桶中，该清洗液体通常包括水、清洁剂或肥皂、以及可能的其它成分。在一些机器中，篮筐独立于桶旋转，而在其它的机器中，篮筐和桶都旋转。在本发明中，通常将旋转结构称为“滚筒”，包括只有篮筐、或者有篮筐和桶、或者还有其它容纳并旋转衣物的结构。通常，滚筒由一电动机驱动。不同的清洗循环将清洗液体引入或抽出衣物，通常结束于一次或多次旋转循环，在一次或多次旋转循环中通过旋转滚筒将最后的漂洗水从衣物中抽出。

通常根据滚筒的方位对洗衣机进行分类。垂直轴线洗衣机具有被放置成绕相对于重力方向的垂直轴线旋转的滚筒。水平轴线洗衣机具有绕相对于重力方向基本水平的轴线旋转的滚筒。

垂直和水平轴线洗衣机都通过绕它们各自的轴线旋转、而将水从衣物中抽出，这样就将水从衣物中抽出。旋转转速通常较高以在尽可能最短的时间内将最大量的水从衣物中抽出，这样就可节省时间和能量。但当衣物和水没有绕滚筒的轴线均匀分布的时候会发生不平衡的状态。垂直轴线洗衣机中的典型旋转转速为600-700转/分，而水平轴线的旋转转速为1100或1200转/分。另外，对更大负荷容量的需求使得需要更大的滚筒。与较大容量滚筒相结合的较高转速恶化了洗衣机中的不平衡问题，在水平轴线洗衣机中尤其如此。不平衡状态变得难以精确地监测和纠正。

随着洗衣机滚筒绕其轴线旋转，通常会表现出两种类型的不平衡：静态不平衡和动态不平衡。图1-4示意性地示出了在包括具有水平几何轴线12的滚筒10的水平轴线洗衣机中的不同的不平衡结构。滚筒10悬挂以在具有前部16(通常从这里进入滚筒的内部)和后部18的柜子14中旋转。驱动点19(通常为电动机轴)通常位于后部18。

图1(a)和(b)示出了由静态不平衡负荷引起的不平衡状态。设想负荷20位于滚筒10的一侧，但在前部16和后部18的中点上。净转矩t使几何轴线12绕滚筒10和负荷20相结合的质量的轴线22旋转，造成滚筒10的位移d。该位移如果较小的话，在较高转速的时候通常被感觉为振动。设计悬浮系统，以使这种振动处在正常情况之下。通过测量负荷不平衡的量(MOB)，在诸如85或90转/分的相对较低的转速时是可以检测到静态不平衡的，因为静态不平衡负荷与MOB相关。

动态不平衡更复杂，且其发生与静态不平衡是否存在无关。图2-4示出了存在动态不平衡的数种不同的情况。在图2(a)和(b)中，设想两个相同的物质团30的动态不平衡，一个在滚筒10的一侧靠近前部16处，另一个靠近后部18。换句话说，两个物质团30在相对于几何轴线12偏斜的直线32上。绕几何轴线12的净转矩t₁为零，因此没有静态不平衡。然而，沿轴线12有净转矩t2，从而滚筒将会绕几何轴线以外的某一轴线摆动。如果转矩足够高，那么摆动将不能被接受。

图3(a)和(b)为由前部不平衡负荷引起的静态和动态不平衡的组合。设想在滚筒10中偏向前部16的单个负荷40。存在绕几何轴线12的净转矩t₁，导致静态不平衡。还存在沿几何轴线12的转矩t₂，导致动态不平衡。所造成的运动是位移和摆动的结合。

图4(a)和(b)为由后部不平衡负荷引起的静态和动态不平衡的组合。设想在滚筒10中偏向后部18的单个负荷50。存在绕几何轴线12的净转矩t₁，导致静态不平衡。还存在沿几何轴线12的转矩t₂，导致动态不平衡。所造成的运动是位移和摆动的结合。

可以看到，对于任何单个不平衡负荷，静态影响和动态影响都会存在。但在图2所示的成对不平衡负荷不会造成静态不平衡。这一成对不平衡负荷与两个单独的不平衡负荷的结合等效，该结合是图3中的转矩扣除图4中的转矩。

在放置在滚筒中的衣物的某一旋转转速以上，单个不平衡负荷是可以检测到的。在静态不平衡检测转速(对于水平轴线洗衣机来说是约85转/分)上，将力矩t₁传送到电动机轴上，造成电动机的转速和功率波动。例如在图1、3和4中，这三个单独的不平衡负荷产生相同的值，无论该负荷是位于如图3所示的前部或如图4所示的后部。该静态不平衡与负荷不平衡的量(MOB)相关。然而，当不平衡负荷在前部或后部的时候，会动态地存在显著的差异。与图4中的后部不平衡负荷相比，图3中的前部不平衡负荷具有大得多的转矩t₂，因为电动机驱动点在后部。

在图5中可看到水平轴线洗衣机的动态不平衡效应，其中将不平衡负荷的量(MOB)和动态转矩(或从后部到前部的不平衡位置)定为笛卡尔坐标平面上的两根轴线。在该平面上，整个区域被一根动态转矩极限曲线BE分成两个部分，该曲线由具体的洗衣机的公差所确定。根据动力机械学原理，曲线BE是与某一给定转速下动态不平衡负荷的效应相关的转矩。存在着这样一组与不同的高旋转转速相应的曲线。在该极限曲线以上的区域是在一转速下的不可接受的不平衡区域。以下的区域是可接受的工作区域。注意，如上所述，在前部和后部之间，在曲线BE上的转矩效应中存在明显不同。在前部的不平衡具有较大的动态效应，这造成较大的振动。

设想只检测MOB，即静态不平衡。不考虑动态效应。为了避免在前部剧烈振动，必须通过假设最坏的情况而在洗衣机中建立较低的MOB(在直线AB处)。因此，在曲线BE和直线AB以上之间的整个区域代表电动机控制器所允许的实际转速(由直线AB限制)和洗衣机可以工作的最大转速(由曲线BE限制)之间的高估的差值。随之而来的结果是在甩干循环中额外的能量消耗。如果将MOB比率设定得较高，比如在直线CD处，在曲线BE和直线CD以下之间的区域代表对前部不平衡的低估，而在曲线BE和直线CD以上之间的区域代表对后部不平衡的高估。其造成的结果是由于低估而在较高转速时产生的不可接受的振动和噪声。这样，就有检测一不平衡负荷在一水平轴线洗衣机中的位置以及是否存在动态不平衡的额外需求。

不幸的是，动态不平衡(DOB)经常只在较高转速时才可检测到。垂直和水平轴线洗衣机都存在静态不平衡，但在水平轴线洗衣机中，动态不平衡是更大的问题。由不平衡引起的振动导致驱动电动机消耗更多的能量、噪音过大以及性能下降。

开发了许多的解决方案来检测和纠正静态和动态不平衡。纠正通常限于中断旋转、降低旋转转速或改变滚筒中或滚筒上的负荷。检测表现出更困难的问题。已知采用诸如水银开关或微动开关的开关来直接检测振动，这些开关在发生较大振动时接合。这些开关的启动继起于用来切换洗衣机工作状态的控制器。还已知使用来自滚筒的轴承座上的测力传感器的电信号，该信号是传给控制器的。其它已知的方法是在旋转循环中对转速变化进行采样，并将它与功率消耗相联系。例如，已知使控制器向滚筒用电动机控制器发送一PWM(脉冲宽度调制)信号，并测量在每次滚筒旋转时获得的转速回馈信号。在任何给定的转速中，PWM信号的波动与滚筒不平衡相关。而其它方法通过感应驱动电动机中的电流变化来测量功率或转矩波动。有许多通过测量电动机中的转矩波动来检测静态不平衡的解决方案。但在静态不平衡状态和动态不平衡状态之间没有相关性，对转矩波动采用静态不平衡算法不能精确检测动态不平衡。例如，由一前部不平衡负荷(见图3)造成的不平衡状态会被用于测量静态不平衡的现有系统所低估。相反地，由一后部不平衡负荷(见图3)造成的不平衡状态会被用于测量静态不平衡的现有系统所高估。

另外，电动机中的转速、转矩和电流都会因为与滚筒不平衡无关的原因而波动。例如摩擦会随着时间而不同，且不同的系统摩擦也会不同。洗衣机中的摩擦有两个来源。一个被称作“系统摩擦”。因为轴承、悬架硬度、机器老化、正常磨损、电动机温度、皮带紧度等的不同，在一个和另一个洗衣机之间的系统摩擦的变化会很大。在一个给定的洗衣机中的第二个摩擦源与负荷量的大小和任何不平衡状态相关。共同拥有的美国专利6640372提出了一种通过建立阶梯状转速曲线来找出与共同不平衡无关的状态的解决方案，其中在每一级上测量电动机的平均电流，并对预定的极限值采用一种算法以确定滚筒的不平衡状态。控制器的纠正行为将降低转速以使振动最小。在‘372专利中的具体算法可精确地确定静态不平衡。然而，对于水平轴线洗衣机并不完全精确，因为它并不能精确地确定各种动态不平衡状态，且不能确定与负荷量大小相关的信息。

对于旋转的洗衣机滚筒还有另一种不可接受的情况，即既没有静态不平衡也没有动态不平衡，但有可使滚筒变形的末端分布。在图6(a)和(b)中示出了一种末端分布情况。设想两个相同的负荷60绕几何轴线12均匀分并在垂直于几何轴线的直线52上。既没有绕几何轴线12的转矩，也没有沿几何轴线的转矩。这样，在任何转速下都不会检测到不平衡。然而，作用在负荷60上的离心力f将会使滚筒变形。如果如许多水平轴线洗衣机一样，滚筒是在固定的桶中旋转的篮筐的话，那么篮筐将会变形到足以与桶接触，增加摩擦，降低性能，并造成不必要的磨损和噪音。

在可靠地检测洗衣机中的不平衡中的另一个问题是不同单元之间的电动机、控制器和信号噪声有显著不同。这样，例如在一个单元中的电动机转矩变化会与该单元中的给定的不平衡精确关联，但在另一个单元中的同样的变化与相同的不平衡情况就不会精确关联了。事实上，在多个单元和信号噪声中的变化的问题对任何根据取自电子元件并进行处理以备后用的信号来测量功率的应用场合是共同的。

在本领域中，需要一种用于洗衣机的不平衡检测系统，对于水平轴线洗衣机尤其需要，该系统可有效地、充分地、可靠地和精确地感应负荷量大小、任何不平衡情况的存在和量级，并可感应到其它会对性能产生负面影响的障碍。另外，还需要精确地确定稳定且足够强的功率信号，它可适应不同单元之间的电动机、控制器、系统摩擦和信号噪声的变化。

发明内容

通过本发明的方法可解决这些及其它问题，该方法用来根据一负荷在具有由可变速电动机驱动的可旋转滚筒的洗衣机中的惯性来确定该负荷量大小。该方法包括以下步骤：为洗衣机建立一转速曲线，该曲线包括一常速阶段、一加速阶段以及一减速阶段；使电动机工作，以在常速阶段、加速阶段以及减速阶段继续旋转滚筒；在每一阶段测量电动机的功率输出；通过在常速阶段对功率输出进行平均来计算平均功率输出；通过将加速阶段处平均功率输出以上的积分面积加上减速阶段处平均功率输出以下的积分面积来计算一功率波动积分；通过在一预定的算法中应用功率波动积分来计算用来估算总的负荷量大小的值；以及将总的负荷量大小值存储在一存储器位置中。

采用本发明的方法，可自动确定任何给定负荷的总的负荷量大小，不必考虑洗衣机中的摩擦。该值可用于以后检测不平衡。

较佳地，该算法通过模拟具有同给定的洗衣机相同的参数的洗衣机来根据经验得出。从已知的负荷量大小获取功率波动积分数据。

在本发明的另一个方面，在给定的洗衣机中的任何负荷不平衡量可通过对一个不同的预定算法应用功率波动积分和总的负荷量大小值来确定。结果值较佳地存储在一存储器位置中。该值代表一负荷不平衡的量，并指示出在给定的洗衣机中是否存在静态不平衡。所存储的值可用于后面的动态不平衡检测。

较佳地，该算法通过模拟具有同给定的洗衣机相同的参数的洗衣机根据经验得出。从沿水平轴线位于已知的位置的已知的负荷量大小获取功率波动积分数据。该方法较佳地用于一水平轴线洗衣机中。

在本发明的又一个方面，可以通过以下步骤来发现一给定洗衣机中的动态负荷不平衡的存在和量：检索任何负荷不平衡的量；使电动机工作，从而使滚筒在一预定的时间段内以给定的洗衣机的最低共振转速旋转；测量在该时间段内的电动机功率输出；计算功率输出的功率积分减去平均功率；如果一负荷不平衡的量等于或超出一预定的极限值，则通过对一第一预定的算法应用功率积分和总的负荷量大小来计算一转矩值；以及如果一负荷不平衡的量低于一预定的极限值，则通过对一第二预定的算法应用功率积分和总的负荷量大小来计算一转矩值。

这样，可根据转矩值，在给定的洗衣机的一后续循环中采取纠正动作以使洗衣机的振动最小。

较佳地，第一和第二算法通过模拟具有同给定的洗衣机相同的参数的洗衣机根据经验得出。从沿水平轴线位于已知的位置的已知的负荷量大小获取功率积分数据。

在本发明另一个方面，通过以下步骤检测和处理负荷不平衡：如以上那样确定功率波动积分、任何负荷不平衡的量以及任何转矩的值；将功率波动积分与一第一最大值比较；如果功率波动积分等于或超出该第一最大值，则向用户发送一信号，表明需要对负荷进行人工再分配；如果功率波动积分小于该第一最大值，则将任何负荷不平衡的量与一第二最大值比较；如果任何负荷不平衡的量等于或超出该第二最大值，则向用户发送一信号，表明需要对负荷进行人工再分配；如果任何负荷不平衡的量小于该第二最大值，则将转矩值与一第三最大值比较；如果转矩值等于或超出该第三最大值，则向用户发送一信号，表明需要对负荷进行人工再分配；以及如果转矩值小于该第三最大值，则向电动机发送一信号，以进入到一优化转速。

以上方法可用于具有一可旋转滚筒、用于驱动滚筒的一可变速电动机以及一用于控制电动机的一可编程控制器的洗衣机。此处，对该控制器编程以使该电动机根据以上任意一种方法工作。

附图说明

在附图中：

图1(a)和(b)是静态不平衡概念的示意图。

图2(a)和(b)是由动态不平衡负荷引起的动态不平衡概念的示意图。

图3(a)和(b)是由前部不平衡负荷引起的动态不平衡概念的示意图。

图4(a)和(b)是由后部不平衡负荷引起的动态不平衡概念的示意图。

图5是示出了不平衡负荷(MOB)与负荷的动态力矩(位置)之间关系的曲线图。

图6(a)和(b)是末端分布状态概念的示意图。

图7是可以应用本发明的水平轴线洗衣机的立体图。

图8是示出了根据本发明的转速曲线的曲线图。

图9示意性地示出了用于测量根据本发明的电动机控制变换器的直流母线电压的电路。

图10示意性地示出了用于测量根据本发明的电动机控制变换器的直流母线电流的电路。

图11是示出了根据本发明的偏移校准方法的流程图。

图12是示意性示出了功率波动积分Pintegral的曲线图。

图13是示出了对于一个7公斤的平衡负荷随时间的转速和功率的曲线图。

图14是示出了对于一个3公斤和一个1公斤的不平衡负荷随时间的转速和功率的曲线图。

图15是示出了在总的负荷量大小上绘制的Pintegral的曲线图。

图16是示出了对于数个不同的负荷量大小的动态力矩上绘制的Pintegral的曲线图。

图17是由应用于图16所示曲线的回归函数而得到的曲线的曲线图。

图18是说明根据本发明确定负荷不平衡量(MOB)的量级和整体负荷量大小(TL)的流程图。

图19是示出了在Spd2(PINTmot)处对数个不同的带有静态不平衡的负荷量大小在动态转矩上绘制的实际功率的功率积分减去平均功率的曲线图，这是由经验模型数据得到的。

图20是示出了在总的负荷量大小上绘制的转矩比的曲线图，这是由图19的经验模型数据得到的。

图21是示出了在Spd2(PINTmot)处对数个不同的带有动态不平衡的负荷量大小在动态转矩上绘制的实际功率的功率积分减去平均功率的曲线图，这是由经验模型数据得到的。

图22是示出了在总的负荷量大小上绘制的转矩比的曲线图，这是由图21的经验模型数据得到的。

图23是说明确定动态负荷不平衡存在以及量级的流程图。

图24是说明根据本发明的不平衡检测系统的流程图。

具体实施方式

系统

图7示出了最适合本发明的类型的前部负荷、水平轴线洗衣机100。除了在洗衣机100中结合有根据本发明的方法和装置以外，该物理结构是传统的。在内部，洗衣机100具有滚筒102，该滚筒102包括旋转有孔篮筐104，该篮筐位于在清洗过程的各种循环中容纳清洗液体的无孔的桶106中。应该理解的是，术语“滚筒”指容纳衣物和清洗液体的可旋转结构，无论该结构是只有篮筐10还是包括篮筐104和桶106，或者是其它等效的结构。可变速电动机108通常通过直接驱动系统或由传动轮通过皮带驱动滚筒102。桶106通常由包括弹簧、减震器等的悬挂系统(未示出)支承。

如图8-24示出的本发明提供用于可靠地和有效地检测总的负荷量大小(TL)、任何负荷不平衡量(MOB)的量级和任何动态不平衡(DOB)的存在的方法，该方法只使用电动机控制功率信息，且在一个清洗循环中很早就提供，足以早到可有效地避免不可接受的振动情况并对任何给定的负荷提供最优的转速。

如图8所示建立预定的转速曲线120，其中对控制器编程以在带有上升和下降的时间段T0到T9中以预定的转速Spd1-Spd4运作电动机。所有的时间段不超过数秒。来自电动机控制器的功率测量是用于确定TL、MOB和DOB的值的。可由控制器根据所得到的值进行适当的纠正。通常，从T0到T6的时间段是用来估算TL和MOB的，时间段T7到T9是用于检测DOB的。

1)功率平均值：时间段T0到T1是提供用于测量和计算后续计算用的功率平均值Pav。Pav较佳地在Spd2处确定，在所示实施例中Spd2为100转/分。

2)功率波动积分：时间段T1到T2是提供用来根据前面所确定的功率平均值来测量和计算功率波动积分。该功率波动积分与MOB相关。

3)总负荷估算：时间段T3到T6是提供用来通过测量和计算上升和下降过程中的总的惯性来估算总负荷量(TL)的。这较佳地在Spd1和Spd3之间进行，其中在所示的实施例中Spd1为85转/分。Spd3在这一情况中是150转/分。Spd1和Spd3之间的差是用于TL估算的上下转速取样窗口(speedwindow)。

4)动态负荷检测：时间段T7到T9是提供用来检测DOB效应的。滚筒被驱动到接近但仍低于第一共振转速Spd4的转速。在这个实施例中，Spd4为160转/分。所示实施例的最低共振转速是175转/分。在时间段T7到T8中，滚筒从Spd1上升到Spd4。

功率测量

在本发明中，开发出一种算法以用于实时检测功率。功率输入信息从电动机控制变换器的直流母线电压和直流母线电流计算得到。微控制器或数字信号处理器(DSP)对该信号进行处理。一可变速电动机控制系统驱动滚筒，从而以闭环状态跟踪参考转速曲线。提供一种过滤技术来减少在信号处理过程中的干扰信号的影响。

本发明的系统中用于检测TL、MOB和DOB的功率P来自直流母线电压(V_dc)和直流母线电流(I_dc)。DSP较佳地以每50微秒一次或每秒20000次(20KHz)的取样频率同时对V_dc和I_dc进行取样。通常，取样频率可在20到50KHz的范围内。图9和10示出了示例性的直流母线电压和直流母线电流感应回路。显而易见，感应回路中诸如电阻之类的元件因控制器的不同而不同，使得在从一给定的控制器测量I_dc时产生偏移量。因此，功率计算P会因控制器的不同而不精确。在实践中，在测量中的电流偏移是不可避免的。结果，对于精确的功率计算就需要对电流偏移进行自校正。

最初的偏移校正通过在控制器通电的同时自动检测V_dc和I_dc、确定偏移量并随后进行调整以消除偏移而进行。以20到50KHz的正常取样频率进行检测是在初始化电动机控制器的过程中进行的，在该过程中感应电动机没有被驱动(PWM关闭)，且直流母线电压建立起来。在初始化的时候，所测量的电流代表电流偏移。该电流偏移在每次取样时照此测量，并在测量多次后进行平均，较佳地为216-512次(对于精确度来说基本足够)。较佳地，默认值为n＝512。平均值如下计算：

i_{off - set} = \frac{i^{1} + i^{2} + \cdot \cdot \cdot + i^{n}}{n}

在将所测量的电流(偏移电流)平均n次之后，计算出一校正值，如果在电动机运行时应用该校正值将导致零偏移。此后，在根据所取样的电流和电压计算功率P中，校正值用于补偿偏移。现在参见图11，可以看见校正过程的步骤流程。在电动机控制器的开始200后，不论体系结构如何，正常的初始化开始，即初始化S/W模块、计时器和其它系统参数(202、204、206、208)。当系统达到预定的中断点210时，将内容保存并清除中断标志。然后，在212处，系统询问校正是否发生。如果不是，那么就在PWM信号切断处开始一个回路，从而使电动机不启动，以预定的取样频率(20-50KHz)开始电流取样。根据运行平均值i_off-set直到样本数量达到n(较佳地为216-521)来计算偏移值，在样本数量达到n时校正完成，将212处的询问的标志设为“真”。此时，将开始电动机控制方案214。功率P(为偏移而调整的)的测量是在电动机控制方案中进行的。

干扰信号一直是接收自直流母线电压和电流电路的一个成分。通过将被噪声尖峰所影响的数据点过滤掉，可加强功率计算的精度。这样的信号在样本值中具有很强烈的变化。根据本发明的一个自适应式移动取样窗口(window)平均值过滤器将这样的坏数据点过滤掉，在此处对此进行描述。

假设在任意时刻k，一组数列的最后n个(例如256个)样本的功率平均值由以下给出：

\overset{&OverBar;}{p_{k}} = \frac{1}{n} Σ_{i = k - n + 1}^{k} p_{i} .

类似地，在前一个时刻k-1，最后n个样本的功率平均值是：

\overset{&OverBar;}{p_{k - 1}} = \frac{1}{n} Σ_{i = k - n}^{k - 1} p_{i} .

因此，

\overset{&OverBar;}{p_{k}} - \overset{&OverBar;}{p_{k - 1}} = \frac{1}{n} (Σ_{i = k - n + 1}^{k} p_{i} - Σ_{i = k - n}^{k - 1} p_{i}) = \frac{1}{n} (p_{k} - p_{k - n})

这可表示为：

这样，在任意时刻，n值的移动取样窗口是用于计算数列的功率平均值的。这样可连续计算三个移动取样窗口的值：和

另外，在这三个平均值之间的误差可以根据以下公式连续计算比较：

e_{k + 1} = \overset{&OverBar;}{p_{k + 1}} - \overset{&OverBar;}{p_{k}}

e_{k} = \overset{&OverBar;}{p_{k}} - \overset{&OverBar;}{p_{k - 1}}

e_{k - 1} = \overset{&OverBar;}{p_{k + 1}} - \overset{&OverBar;}{p_{k - 1}}

误差的连续比较(running comparison)将识别那个误差大到超出预定的极限。在这样的情况下，导致这一较大误差的相关样本就被视为坏点并将被放弃，这就意味着它不被使用并不在以后的工序中使用。这样，就可以达到较高的精度和可靠性。在所说明的实施例中，将坏点丢弃意味着不仅是给定的电流和电压样本，而且是计算得到的功率都不会用在下述不平衡检测程序中，也不会用于校正，更不会进而用在建立过滤工序中的移动取样窗口的建立中。

为了确保输出的功率信息稳定，电动机控制器必须在一定的转速范围内在稳定的状态下工作。在这个转速范围内，控制器和校准器的所有参数都在它们的非饱和区域中工作，同时驱动滚筒紧跟给定的转速曲线。

确定TL和MOB

对于水平轴线洗衣机来说，在滚筒中的内容物的总的负荷量大小(TL)及其惯性之间有关联。这样，惯性是用来确定负荷量大小的合适的变量。当滚筒转速突然改变时，系统惯性受到动态冲量。电动机必须提供更高的转矩来使滚筒遵循指令转速曲线120。因此，电动机转矩信息与系统的惯性相关。在一个可变速电动机系统中，功率需求将转矩变化转化为从V_dc和I_dc计算得到的功率P。因此，功率信息被用作要处理的变量。

在另一方面，当发生不平衡负荷时，它产生转速或功率波动。这样的波动是MOB主导关联因素。这样，可以利用对波动信号的处理来检测MOB。然而，这样的波动作为自然特性也与TL互相作用。因此，必须使用TL信号来完成对MOB的精确确定。

功率平均值

如早先所描提到的，时间T0到T1是计算功率平均值P_av的阶段，较佳地在稍微提高的转速Spd2处。平均功率P_av将被用作基础功率值以用于后面的感应算法。平均功率按以下计算：

Pav = Σ_{k = 1}^{n} Pk / N - - - (1)

其中，

Pk是每一次取样的实时功率读取值；以及

N是在该时间段上的总取样次数。

功率波动积分

还是如早先所提到的，从T1到T2的时间是用来计算功率波动的积分值的时间段。该计算较佳地在Spd2处进行。图12是示意性说明积分面积的计算的曲线图，其中

Pintpos是在平均功率以上的功率积分面积；

Pintneg是在平均功率以下的功率积分面积。

总的功率波动积分是两个值的和：

Pintegral＝Pintpos+Pintneg (2)

Pint pos = Σ_{k = 1}^{N} [Pk - Pav], Pk > Pav - - - (3)

Pint neg = Σ_{k = 1}^{N} [Pav - Pk], Pk < Pav - - - (4)

该值与不平衡负荷(MOB)的量级相关。但Pintegral值只是部分地显示出不平衡负荷影响。最终的MOB值是在可以得到TL信息之后确定的。

总的负荷量大小估算

在任何时间对给定的洗衣机中的负荷量大小的估算必须考虑系统摩擦和负荷引起的摩擦，包括变化。如早先所提到的，这是在Spd1和Spd3之间的取样窗口中测量的。这样，时间段T2到T3是提供用来使系统稳定在大约85转/分的较低的Spd1的。从T3到T6是估算负荷量大小TL的时间。转速曲线120的这一部分因其外形可被称作“A”曲线。注意到从T3到T4的加转速与T5到T6的减转速相等。一般来说，可将系统的动态性能表示为一个等式：

Te - Tl = J \frac{dω}{dt} + Bω + C (ω) F (ω) - - - (5)

其中

Te是电动机电磁转矩；

T1是负荷转矩；

J是惯性，并在感应过程中假设为常数；

ω是电动机角转速；

B是粘滞摩擦常数；

C(ω)是随因不平衡负荷效应引起的转速变化而变化的摩擦函数；以及

F(ω)是转速波动的函数，涵盖了所有的变化。

当存在不平衡负荷的时候，由于在悬挂元件中的变化，该系统将经历复杂的动态行为。该动态行为十分复杂，无法用单个清楚限定的函数来表示。

但以下是已知的：当滚筒中没有水时，T1等于零。在T3到T4的加速阶段，等式(5)可表示为以下等式两侧中对时间的积分：

&Integral; Teposdt = &Integral; J \frac{dω}{dt} dt + &Integral; Bωdt + &Integral; C (ω) F (ω) dt - - - (6)

在等式(6)中，左侧的项是图5所示的电动机转矩曲线区域，并可表示为：

TEINTpos＝∫(Tepos-Tav)dt (7)

等式(6)的右侧的第一项可表示为：

&Integral; J \frac{dω}{dt} dt = J \cdot Wint - - - (8)

其中

Wint是角转速的时间积分面积，以及J是惯性常数。

在T5到T6的减速阶段，等式(5)可表示为以下等式两侧中对时间的积分：

&Integral; Tenegdt = &Integral; J \frac{dω}{dt} dt + &Integral; Bωdt + &Integral; C (ω) F (ω) dt - - - (9)

注意到，由于是减速，右侧的第一项是负的。等式(9)的左侧还可表示为：

TEINTneg＝∫(Teneg-Tav)dt (10)

除了符号变为负的以外，等式(10)右侧的第一项与等式(8)相等。注意到等式(6)和(9)的右侧的各项都相同，因为转速曲线120在加速和减速时以相同的斜率延伸。用等式(9)减去等式(6)得到：

J＝(TEINTpos-TEINTneg)/2·Wint (11)

事实上，Wint是常数，因为转速指令使斜率固定。当用功率替代转矩，用TL替代惯性时，总的负荷量大小可表示为：

TL＝K1·(PINTpos-PINTneg)+K2 (12)其中

PINTpos = \overset{N}{Σ} [Pk - Pav]

上升 (13)

PINTneg = Σ_{k = 1}^{kN 1} [Pk - Pav]

下降 (14)

且K1和K2是两个常数，它们取决于给定的机器的参数。PINTpos和PINTneg分别是计算得到的加速和减速过程中的功率。这样，Pintegral是PINTpos-PINTneg。

注意到等式(12)没有对摩擦进行任何计算就得到了TL值。这表明可以通过计算直流母线的两个积分而无需直接处理任何的系统摩擦就可计算出系统惯性。这样，根据本发明就可将摩擦的影响自动剔除。用于加速的功率积分是正功率，处于运行状态。然而，用于减速的功率大多数是负的，处于制动状态，但如果系统惯性相对于所限定的下降率太小的话，它也可以是正的(运行状态)。这样，在这个方法中转矩和功率都可使用。

更详细地讨论摩擦补偿会有帮助。在上升阶段T3到T4中，时机的电动机功率克服任何的惯性和系统摩擦以达到Spd3。通常，需要比摩擦力为零或最小时所希望的功率更大的正功率。另一方面，在下降阶段T5到T6，电动机制动。摩擦的方向通常与运动方向相反并吸收高速运行的系统中所储存的动能。这样，在减速时，电动机只提供遵循转速曲线所需的那部分功率。随着摩擦越大，在上升过程中的正电动机功率将越大，而在下降时的负电动机功率将越小，因为系统动能可提供由摩擦所消耗的动能。因此，在整个感应循环中的电动机功率总量只取决于系统惯性，不必考虑摩擦。

这些效应是是经验证实的。图13示出了在水平轴线洗衣机中7公斤平衡负荷随时间的转速和功率曲线。转速曲线复制了从T3到T6的转速曲线120的一部分。可以看到，用于上升的功率超出用于下降的功率。类似地，图14示出了在水平轴线洗衣机中1公斤不平衡负荷的同样的图，其中用于上升的功率仍超出用于下降的功率。

由于对TL的计算是基于差值，本发明的方法可有效地消除系统中的变化，从而得到扎实可靠的TL估算值。不论系统摩擦如何变化以及存在多少不平衡负荷，该方法都能进行精确的估算。

通过模拟带有已知的总的负荷量大小(TL)的洗衣机可确定给定的洗衣机的常数K1和K2。通过使用滚筒中的已知位置上的已知负荷以及在转速曲线的“A”部分测量Pk来收集数据。TL是作为已知负荷和引起位置而引起的转矩造成的不平衡负荷的和来计算的。将TL对应Pintegeral绘制曲线图形成一条线性曲线。该曲线的斜率是常数K1，而Y轴截距是常数K2。见图15，它是根据本发明的一给定的水平轴线洗衣机的样本图，其中K1是0.4835，K2是927.3。

如所述的，MOB是功率波动积分Pintegral以及总的负荷量大小TL的函数。因此，MOB值可由以下等式得到：

MOB＝F(Pintegral，TL) (15)要精确地确定该函数是什么需要对给定的洗衣机进行更多的模拟。绘制不同的已知负荷量大小的已知不平衡负荷值产生一系列的线性曲线。见例如图16，该图示出了从上述的水平轴线洗衣机中得到的样本图。每根曲线具有不同的斜率。斜率如何改变是关键。使用回归函数，所得到的曲线在图17中示出，它可定义为：

Kmob1·(1+Kmob2·TL)

其中Kmob1＝1/1450，而Kmob2＝0.2。图16中y轴上的截距的平均值提供了常数Kmob3，在这一情况中是380。这样，对于这个例子，

MOB＝Kmob1·(1+Kmob2·TL)·(Pintegral-Kmob3) (16)

一旦从对给定洗衣机的模拟中确定了常数和函数，通过运行“A”曲线、使用等式(12)和(16)中定义的函数可为任何后续的负荷计算TL和MOB。

图18是显示处理器是如何使用以上根据本发明的算法确定MOB和TL的值的逻辑流程图。在对洗衣机装载后，用户开始300，以启动系统。将计时器设定为T0滚筒转速在302处上升到Spd2。取样频率是预先确定的。从电动机T0到T1的过程中进行实时功率测量，并计算Pav(304)。从T1到T2测量功率波动，并计算和存储Pintegral(306)。

此后，从T3到T6在“A”曲线中运行负荷量大小检测循环。在308，滚筒转速减小到Spd1，计时器计时到T3。再次以取样频率测量实时功率，并在T6到T7的过程中计算PINTpos(310)。类似地，在T5到T6的过程中计算PINTneg(312)。此后，通常在T6到T7的过程中，计算并存储TL(314)。在框图316处，将TL和Pintegral输入预定的MOB函数中，计算MOB。

动态负荷检测

在本发明的系统中，动态负荷不平衡量(DOB)的检测是以在工作转速以下有数个共振转速这一事实为依据的，在这些转速下会由于DOB而发生振动。如果洗衣机以这些共振转速中之一工作的话，那么它就有可被检测到的振动。这一现象为较早检测到DOB提供了机会，因为当实际转速接近共振转速时DOB就开始显现。较佳地，系统采用接近但低于给定的洗衣机的最低共振转速的Spd4。在该转速下，DOB效应显现并造成一些可测量的振动。该振动会造成可检测到的系统摩擦和能量消耗的增加。因此，电动机控制器必须输出更高的功率来保持Spd4。通过处理功率信息，可在转速曲线120内工作的同时对DOB定量。由于洗衣机悬挂系统的不同，使用哪一转速来检测DOB是不同的，它取决于给定的洗衣机的实际第一共振转速。

当滚筒在Spd4处达到稳定的转速之后，在T8到T9的时间段内计算Spd4处实际功率Pk的功率积分减去Spd2处的平均功率Pav。

PINTmot = Σ_{k = 1}^{N} [Kc \cdot Pk - Pav]

在T8到T9中 (17)

其中Kc是常数，可任意选择以放大结果值，以便更好地处理。可以理解的是，有时Pk的值将接近Pav，使PINTmot太小而无法使用。此时，Kc＝2.0。

对于MOB，在时间段T8到T9(PINTmot)所计算的功率积分是DOB的函数。但最终的DOB值也是MOB(如果存在MOB的话)以及TL的函数。这样，必须确定MOB存在。对于MOB的存在的限值确定，较佳地，我们采用0.25Kg的值。在这个值以下，认为MOB不存在。在该值以上，认为MOB存在。在0.25Kg或更小的MOB值处，洗衣机将达到最大转速而不会有相关的DOB的有害影响。如果没有MOB，可由单个不平衡负荷(SOB)造成对转矩MOT的动态检测。如果MOB存在，则可由一对不平衡负荷(COB)来引起对MOT的检测。

如果MOB超出限值，则MOT可表示为：

MOT = \frac{Kf 1}{1 + Kf 2 \cdot ABS (TL - Kf 3)} \cdot (PINTmot - Kf 4) + Kf 5 - - - (18)

其中Kf1、Kf2、Kf3、Kf4和Kf5是常数。

通过如前所述那样对洗衣机进行模拟来确定函数和常数。这里，负荷量大小TL可由经验得到(如前面所述)。同样，既然我们知道了各个负荷量大小及其在滚筒中的位置，那么MOT也已知。计算PINTmot用于在不同的负荷和不同的转矩下的各种功率测量。为各种负荷量大小对PINTmot绘制转矩(MOT)，得到不同的接近线性的曲线。见例如图19，该图示出了来自上述同一个水平轴线洗衣机的样本图。每条曲线具有不同的斜率。对每根曲线的近似在X轴上产生一个截距，该截距为常数Kf5。常数Kf4为截距Kf5处的PINTmot的最小值。再对应已知的MOT和Kf5之间的差同PINTmot和Kf4之间的差的比率绘制TL曲线图，可产生以下公式所确定的曲线：

\frac{Kf 1}{1 + Kf 2 \cdot ABS (TL - Kf 3)}

其中，Kf3是最大比率。见图20作为上述洗衣机的比率-TL样本图。在这一情况中，这些常数具有以下值：

Kf1＝4.45×10^-3；

Kf2＝0.09；

Kf3＝12；

Kf4＝7000；以及

Kf5＝17

如果MOB小于0.25Kg，MOT可表示为：

MOT = \frac{Km 1}{1 + Km 2 \cdot TL} \cdot (PINTmot - Km 3) + Km 4 wherePINTmot > = Km 3 - - - (19)

和MOT＝Km5·(PINTmot-Km6)+Km7 where PINTmot＜Km3 (20)Km1、Km2、Km3、Km4、Km5、Km6和Km7是常数。

如前所述，通过对给定的洗衣机进行模拟来确定函数和常数。这里，相对于计算所得的不同负荷量大小的转矩(MOT)的PINTmot绘制该已知的MOT曲线图，产生在某一点以上接近线性的不同曲线以及在同一点以下的共同的线性曲线。见例如图21，该图示出了上述同一个水平轴线洗衣机的样本图。如果Km3是某一点的y坐标，Km4是x坐标，那么可以看到在坐标(KM4，Km3)以上的曲线具有不同的斜率。类似地，在坐标(KM4，Km3)以下的共同的曲线在PINTmot平稳的点处结束。该点可定义为(KM7，Km6)。共同曲线的斜率可定义为Km5。

再对应已知的MOT和Km4之间的差同PINTmot和Km3之间的差的比率绘制TL曲线图，可产生以下公式所确定的曲线：

\frac{Km 1}{1 + Km 2 \cdot TL}

其中，Km1和Km2为常数。见图22作为上述洗衣机的比率-TL样本图。

在这一情况中，这些常数具有以下值：

Km1＝2.8×10^-3；

Km2＝0.11；

Km3＝9445；

Km4＝20.63；

Km5＝2.1×10^-3；

Km6＝7300；

Km7＝14.44

图23是表示处理器是如何使用根据本发明的以上算法来确定动态负荷不平衡量(DOB)的存在和量级的流程图，这其中包括它是否是单个不平衡负荷(SOB)或一对不平衡(COB)负荷。在方框400中对步骤的初始化中，将时钟设为T8，滚筒转速加速到Spd4。在方框402处，在T8到T9的过程中根据等式(17)来计算PINTmot。在方框404处，从存储器中调出MOB和TL，保存PINTmot。在406处将MOB与极限值比较，该极限值在所示实施例中为0.25Kg。如果MOB超出或等于极限值，那么流程进行到方框408，以根据单个负荷开始确定MOT。如果MOB小于极限值，流程进行到方框410，以根据成对负荷开始确定MOT。

从方框408开始，在412处比较PINTmot和常数Kf4。如果PINTmot大于或等于Kf4，那么在414处根据等式(18)来计算MOT。如果PINTmot小于Kf4，那么MOT将十分接近Kf5，并因此假设等于Kf5。从方框410开始，在416处比较PINTmot和常数Km3。如果PINTmot大于或等于Km3，那么在418处根据等式(19)来计算MOT。如果PINTmot小于Km3，那么在420处根据等式(20)来计算MOT。无论采取哪个流程，将MOT保存到存储器中以备后用。

可以理解的是，通过自动确定Pintegral、MOB、TL和MOT，根据本发明的系统将完全具有能力来处理一个旋转循环，不论滚筒中负荷的尺寸和分布如何。但是，负荷的不平衡有可能达到这样一种程度，如果不从实体上重新分布负荷就无法进行进一步的调整。这样，每个洗衣机都具有Pintegral、MOB和MOT各自的最大值。

图24示出了一个典型的根据本发明的不平衡检测过程的流程图，它采用上述的值。在循环的开始500处，如以上所解释的那样计算Pintegral。在502处，如果Pintegral等于或大于其对应的最大值Max1，那么系统在504处停止，在该处会进行负荷的重新分配。根据具体的洗衣机，可以通过重新向桶内注入水、重新翻弄衣物负荷或其它在本领域中已知的重新分配方法来自动进行负荷的重新分配。有可能需要进行人工重新分配，在这一情况中，系统会提示用户。较佳地，在504处保持计数，并在每次重分配循环运行时进行累加。理想地，提供最大值M并在505处与计数比较，从而可避免在504处发生无限循环。

如果计数小于极限值M，那么系统重新初始化并回到开始500。如果Pintegral小于Max1，那么在506处以以上所解释的方法计算MOB。在508处，如果MOB等于或超出其相应的最大值Max2，那么系统在504处停止并提示用户需要进行人工负荷重分配。如果MOB在Max2以下，那么在510处以以上所解释的方法计算MOT。在512处，如果MOT等于或超出其相应的最大值Max3，那么系统在504处停止并提示用户需要进行人工负荷重分配。如果MOT在Max3以下，那么系统可继续到合适的转速。较佳地，根据共同所有的申请10/874465中所揭示的“功率旋转方法”来确定该转速，该文件结合于此作为参考。

如在这个过程中所揭示的，根据本发明的动态不平衡检测可通过使用MOB估算结果来确定单个不平衡的位置，并且可做出精确的决定，是否进入到更高的转速。例如，在所示出的实施例中，对于位于滚筒前部的1Kg的不平衡负荷，系统会要求人工负荷重分配或较低的转速。另一方面，对于在滚筒后部的同样的负荷，该系统可允许最大转速。此外，将检测任何成对的不平衡，并在影响变得具有破坏性之前很久就调整转速。

虽然已经结合某些具体实施例对本发明进行了具体描述，但可以理解的是这只是出于说明的目的，而不是限定性的，并且应该基于已有技术尽可能宽泛地理解所附权利要求的范围。

Claims

1.一种用来根据一负荷在具有由一可变速电动机驱动的一可旋转滚筒的一给定的洗衣机中的惯性来确定该负荷大小的方法，该方法包括以下步骤：

为洗衣机建立一转速曲线，该曲线包括一常速阶段、一加速阶段以及一减速阶段；

使电动机工作以在常速阶段、加速阶段以及减速阶段继续旋转滚筒；

在每一阶段测量电动机的功率输出；

通过在常速阶段对功率输出进行平均来计算平均功率输出；

通过将加速阶段处平均功率输出以上的积分面积加上减速阶段处平均功率输出以下的积分面积来计算一功率波动积分；

通过在一预定的算法中应用功率波动积分来计算用来估算总的负荷量大小的一值；以及

将总的负荷量大小值存储在一存储器位置中；

从而不必考虑洗衣机中的摩擦就可确定总的负荷量大小，且该值可用于以后检测不平衡。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该算法通过模拟具有同给定的洗衣机相同的参数的洗衣机根据经验得出；以及，从已知的负荷量大小获取功率波动积分数据。

3.一种确定具有由一可变速电动机驱动而绕一水平轴线旋转的一可旋转滚筒的一给定的洗衣机中的一负荷不平衡量的方法，该值通过对一个预定算法应用权利要求1所述的功率波动积分和权利要求1所述的总的负荷量大小值来确定并储存在一存储器位置中；

由此，该值代表一负荷不平衡量，并指示出在给定的洗衣机中是否存在静态不平衡，而且，由此该值可用于后面的动态不平衡检测。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，该算法通过模拟具有同给定的洗衣机相同的参数的洗衣机根据经验得出；以及，从沿水平轴线位于已知的位置的已知的负荷量大小获取功率波动积分数据。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该洗衣机为水平轴线洗衣机。

6.一种确定具有由一可变速电动机驱动的一可旋转滚筒的一给定的洗衣机中的一动态负荷不平衡的存在和量的方法，该方法包括以下步骤：

根据权利要求3所述的方法确定一负荷不平衡量；

使发动机工作，从而使滚筒在一预定的时间段内以给定洗衣机的最低共振转速旋转；

测量在该时间段内的电动机功率输出；

计算功率输出的功率积分减去平均功率的值；

如果一负荷不平衡量等于或超出一预定的极限值，则通过对一第一预定的算法应用功率积分和总的负荷量大小来计算一转矩值；以及

如果一负荷不平衡量低于一预定的极限值，则通过对一第二预定的算法应用功率积分和总的负荷量大小来计算一转矩值；

由此，可根据该转矩值，在给定的洗衣机的一后续循环中采取纠正动作以使洗衣机的振动最小。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，该第一算法通过模拟具有同给定洗衣机相同的参数的洗衣机根据经验得出；以及，从沿水平轴线位于已知位置的已知负荷量大小获取功率积分数据。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，该第二算法通过模拟具有同给定洗衣机相同的参数的洗衣机根据经验得出；以及，从沿水平轴线位于已知位置的已知的负荷量大小获取功率积分数据。

9.一种检测具有由一可变速电动机驱动的一可旋转滚筒的一给定的洗衣机中的负荷不平衡的方法，该方法包括以下步骤：

根据权利要求6确定功率波动积分、任何负荷不平衡的量以及任何转矩的值；

将功率波动积分与一第一最大值比较；

如果功率波动积分等于或超出该第一最大值，则向用户发送一信号，表明需要对负荷进行人工再分配；

如果功率波动积分小于该第一最大值，则将任何负荷不平衡的量与一第二最大值比较；

如果任何负荷不平衡的量等于或超出该第二最大值，则向用户发送一信号，表明需要对负荷进行人工再分配；

如果任何负荷不平衡的量小于该第二最大值，则将转矩值与一第三最大值比较；

如果转矩值等于或超出该第三最大值，则向用户发送一信号，表明需要对负荷进行人工再分配；以及

如果转矩值小于该第三最大值，则向电动机发送一信号，以进入到一优化转速。

10.一种具有一可旋转滚筒、用于驱动滚筒的一可变速电动机以及一用于控制电动机的一可编程控制器的洗衣机，其中，对该控制器编程以使该电动机根据如权利要求9所述的方法来工作。