CN2773130Y - 检测洗衣机负载不平衡的系统 - Google Patents

Abstract

一种包括确定负载不平衡方法的洗衣机系统。所述洗衣机系统包括箱体，其具有可旋转设置其中的转筒。电机，连接转筒用于旋转箱体中的转筒。存储器设备，可由处理器访问，例如数字信号处理器(DSP)。存储器，包含用于执行一种方法的程序代码，所述方法包括确定电机扭矩波动，确定电机速度，以及基于电机扭矩和速度确定负载不平衡质量。

Description

检测洗衣机负载不平衡的系统

相关申请的交叉引用

本申请要求2003年4月28日提交的美国临时申请60/466,106的权益，其被结合在此作为参考。

技术领域

本实用新型涉及洗衣机，尤其涉及一种检测和定量洗衣机转筒中不平衡质量的系统。

背景技术

家用和商业用洗衣机是公知的。用于容纳被洗的衣物和其它物品的基本圆筒形的转筒或筐可旋转地安装于箱体中。典型地，电动机驱动所述转筒。在洗涤循环中，水和洗涤剂或肥皂受力通过衣物以洗涤它们。洗涤剂从衣物漂洗出，然后在一次或多次甩干循环中，通过旋转转筒，从衣物中排出水。

洗衣机的一种分类方法是依据洗衣机转筒的方向。垂直轴线洗衣机具有设置为绕垂直轴线旋转的转筒。被洗物品通过通常位于洗衣机顶部的机盖装入转筒。垂直轴线洗衣机的转筒包括位于其中的搅拌器，其通过将衣物推和拉入水下来清洗它们。典型地，电机除了在甩干循环期间旋转垂直定位的转筒，还驱动搅拌器。电机通常以恒定速度工作，并且配置了一系列的齿轮和传动带用于在每一个洗衣机循环期间在适当的时候驱动适当的构件。

具有设置为绕基本水平轴线旋转的转筒的水平轴线洗衣机，不包括搅拌器，并且变速电机驱动该转筒。在洗涤循环期间，水平轴线洗衣机的转筒以相对低的速度旋转。转筒的旋转速度是这样的，即利用围绕转筒分布的隔板，将衣物向上提出水面，然后随着转筒转动使之落回水中。

垂直和水平轴线的洗衣机都通过旋转转筒从衣物中排出水，由此，离心力使水从衣物中排出。理想地是以高速旋转转筒并在可能的最短时间内从衣物中排出最大量的水。甩干时间得以降低，但是以更高的速度旋转需要更大的功率。衣物围绕在转筒边缘的分布影响洗衣机以高速旋转转筒的能力。

如果转筒中的衣物不是均匀地分布，转筒将不能以令人满意的旋转速度且无箱体内剧烈转筒振动地旋转。许多因素造成转筒负载不平衡问题。例如，对于垂直轴线洗衣机，当洗涤或漂洗循环完成并且水从转筒排出时，衣物集中在转筒底部并且不均匀分布于整个筒内。而且，转筒典型地不是完美圆柱形，而是包括斜度。当转筒旋转时，衣物将会“爬”上转筒的侧壁。然而，因为恒速电机典型地驱动垂直设置的转筒，电机快速地使转筒上升到全速甩干速度。由于衣物几乎没有机会围绕转筒边缘散布，所以以不平衡的方式爬上转筒侧壁。

不平衡的旋转转筒在箱体内振动。在传统的垂直轴线洗衣机中，如果振动太剧烈，转筒将使安装于箱体内部的开关断开，停止转筒旋转并激活转筒不平衡警报。然后，使用者在转筒内人工重新分散湿的衣物，并且重新开始甩干循环。

如上所述，水平轴洗衣机中的转筒由变速马达驱动，这允许包括一个“分散”循环，其中转筒以高于洗衣循环低于甩干循环的速度旋转。转筒旋转速度逐渐提高直到衣物由于离心力开始贴靠转筒侧壁。更低的旋转速度允许衣物更均匀分布于转筒侧壁。一旦衣物散布于转筒，所述速度被增高到全速甩干速度以从衣物中排出水。

然而，水平轴线洗衣机不能避免转筒不平衡问题。如果衣物在分散循环期间没有均匀地分散，转筒中的不平衡负载将会在转筒旋转时导致不期望的振动。

功率浪费在转筒运动和箱体振动中，而不是将所有的马达功率用于使转筒以可能的最高速度旋转。当最小化由离心不平衡力导致的振动的同时，负载不平衡量的检测允许甩干速度最优化以提供高效的洗涤。在检测出的不平衡量非常高的情况中，可编程使洗衣机停止其甩干循环，摇晃转筒以重新分布洗涤物然后重新开始甩干循环。

由此，理想地是在转动转筒中检测不平衡状况的存在和数量以最优化旋转速度和/或在需要时采取修正操作。然而，用于检测不平衡状况的现有技术的方法已经非常的不令人满意。本发明处理和现有技术相关的这些及其它不足。

发明内容

根据本实用新型的一个方面，洗衣机系统包括具有可旋转安装于其内的转筒的箱体。电机与转筒连接以在箱体内旋转转筒。存储器装置可以被例如数字信号处理器(DSP)的处理器访问。存储器装置和处理器可以是分开的设备或替代地存储器装置可以嵌有处理器其自身，与嵌有微控制器的情况相同。存储器包含用于执行一种方法的程序代码，该方法包括确定电机扭矩波动，确定电机速度，和根据电机扭矩和速度确定负载不平衡质量。

可以通过测量电机电压和电流确定电机扭矩波动。在示例性实施例中，生成洗衣机转筒负载的数学模型，其描述电机扭矩和不平衡质量之间的关系。模型系数利用一种参数估算器确定，例如递归最小平方估算器，并且可以从这些系数获得不平衡质量。

转筒的加速度和角坐标可以根据转筒速度计算，反之亦然。根据本实用新型的其它方面，操作电机以预定速度驱动转筒，在该速度时转筒在其悬架上的运动最小。这允许系统使用固定轴线模型。

附图说明

根据下述详细描述以及参考附图，本实用新型的其它目标和优势将变得显而易见，在附图中：

图1是根据本实用新型各方面的洗衣机系统方框图；

图2是示例性水平轴线洗衣机的透视图；

图3是说明示例性的速度控制循环的方框图。

图4是概述根据本实用新型的不平衡质量检测方法的流程图；

图5说明了洗衣机转筒中的衣物分布；

图6说明了洗衣机转筒中包括点式集中不平衡的衣物分布；

图7概念性地说明了洗衣机转筒中的点式集中不平衡；

图8是说明洗衣机转筒速度随时间的变化和不平衡质量相对于转筒中心的位置的曲线；

图9是转筒相对于水平方向倾斜的洗衣机的侧视图；

图10说明了考虑转筒倾斜影响的图7中的洗衣机以及点式集中不平衡位置；

图11概念性地说明了用于驱动洗衣机转筒的传动带和滑轮传动系统；

图12根据本实用新型的一些方面说明了由洗衣机转筒从第一速度加速到用于检测转筒惯量的第二速度产生的扭矩和速度曲线图。

图13根据本实用新型的其它方面说明了由洗衣机转筒从第一速度加速到用于检测转筒惯量的第二速度产生的扭矩曲线图。

图14概念性地说明了包括衣物和不平衡质量的洗衣机转筒。

然而，本发明易于有多种改变和替换形式，其中特定实施例作为示例显示在附图中并且在此进行详细说明。但是，应当理解此处对具体实施例的说明不意味着把本实用新型限定到所公开的特殊形式，而相反，其目的是覆盖落入由所附权利要求限定的本实用新型精神和范围内的所有变形，等同物和可替代形式。

具体实施方式

以下阐述本实用新型解释性的实施例。为了更清楚，并非所有的实际实施方案的特征都在本说明书中进行描述。当然可以理解，在任何这样的实际实施例的研发中，必须选择许多特定方案以实现研发者的特定目的，例如符合相关系统和相关行业的约束，上述方案可从一种实施方案变换到另一种。而且，可以理解，尽管这样的研发努力可能是复杂而耗时的，但是对于那些获得本实用新型帮助的所述领域的普通技术人员来说，这仍然是常规任务。

图1是图解说明根据本发明实施例的洗衣机100的方框图。洗衣机100包括一个箱体102，其中可旋转的安装转筒104。在本实用新型的一个实施例中，洗衣机100是一个水平轴的洗衣机。换句话说，转筒104设置成在箱体102中绕一个基本上水平的轴线旋转。图2说明了根据本实用新型特定实施例的水平轴线洗衣机101。

返回参照图1，电机106通过由传动带、联动器驱动的传动系统105可操作地连接转筒104，或者直接与之连接，以驱动转筒104。电机106包括定子106a和被设置为相对定子106a转动的转子106b。可以使用任何适合的电机类型，包括感应电机，无刷式永磁电机(BPM)，开关磁阻(SR)电机等。在特定的示例性实施例中，使用了三相受控感应电机(CIM)。处理装置112控制电机106的操作，存储装置108可由处理器112访问。处理器112可以包括，例如数字处理器的任何适合类型，数字信号处理器(DSP)，微控制器或微处理器。

存储器108存储由处理器112执行用于控制洗衣机系统100操作的程序指令。另外，处理器112编程控制电机106和转筒104的速度。图3图解了典型速度控制回路200。速度指令信号202和表示电机实际速度的信号204施加于速度控制器210，如比例/积分(PI)控制器。速度控制器210比较速度指令信号202和实际速度信号204以计算速度误差，并响应它输出改变施加到电机的功率的控制信号212，以获得希望的速度。

转子106b的速度/位置检测和控制可，例如根据来自电机轴上计速器的反馈来执行。在体现本发明一些方面的其它洗衣机系统中，转子106b的位置/速度从电机106的例如电机电压和电流的监控参数来计算或估算。这些系统通常被称为“无传感器”系统，因为它们不使用用于检测位置和/或速度的物理传感器。在此无传感器系统中，处理器112接收电机电流和电压的信号，并且存储在存储器108中的运算法则根据它们确定转子106b的位置/速度。

如上述背景技术部分中所述的，洗衣机典型地包括多个操作循环。洗衣机，尤其水平轴线的洗衣机，包括一个或多个洗涤循环、分散循环和甩干循环。转筒的不平衡很少是洗涤循环中的重大问题，在水平轴线洗衣机中洗涤循环采用大约50rpm的转筒转速使衣物翻滚进入或离开水。分散循环典型操作于约55-110rpm的转筒旋转速度(在一个G的离心力下衣物将会开始“贴靠”或“粘住”转筒104的侧壁)。

作为比较，通常认为“甩干循环”速度的最小旋转速度约为250rpm。例如，可把大约350-450的转筒旋转速度看作“低”甩干速度，把大约650-850的转筒旋转速度看作“中等”甩干速度，以及把大约1000rpm的转筒旋转速度看作“高”甩干速度。如上所述，理想地是以高速旋转转筒104以便在最短的可能时间内从衣物中排出最大量的水。

当最小化由离心不平衡力产生的振动的同时，负载不平衡量的检测允许最优化甩干速度以提供有效的洗涤。相应地，存储器108包括在执行于处理器时实现确定旋转转筒104中不平衡质量方法的程序代码。

图4概述了用于确定不平衡质量的示例性方法。基于对电机扭矩和速度波动的确定来测定不平衡质量。不平衡量的测量通过使用一个参数估算器确定，例如用于计算扭矩波动量的递归最小平方(RLS)参数估算器。扭矩波动和不平衡质量之间的关系通过构建一个转筒负载模型得知。在某些实施例中，使用无传感器电机，其中从电机电压和电流的终端测量计算电机速度和电机扭矩。可替代地，可使用其它仪器测定速度，例如转速计。

在图4的模块250中，估算转筒和洗涤物合成惯量。以下进一步说明惯量估算方案。一旦估算出合成惯量，命令电机以设置为使贴靠发生、并且转筒在其悬架上具有最小移动值的稳定速度运转，。如模块252所示，接着读出电机扭矩和速度变量。例如加速度和位置的其它系统变量可以从电机速度确定。此外，所有电机变量都可以利用传动系统模型与转筒关联。

在模块254中，从全部的扭矩中减去由任何速度波动引起的惯量扭矩，其确保剩余的扭矩波动完全来自重力对不平衡质量的作用。从速度和模块250中计算的惯量来计算惯量扭矩波动。

然后，将转筒位置和补偿扭矩输入提供模块256中的扭矩波动估算量的参数估算器。模块252，254和256在数个取样点重复进行，直到扭矩波动估算量集中到一个稳定值，典型地是在五个转筒循环中。在模块256中，根据扭矩波动确定不平衡质量。以下进一步详细说明图4中概述的方法。

在洗衣机分散循环中，衣物以随机并且基本不可预知的方式贴靠在转筒104的边缘周围。衣物110的分布总是不均匀的，如图5所示。然而不均匀分布的洗涤负载在系统上的作用实际中相当于具有单点式集中不平衡的均匀分布洗涤负载的作用。因此，为了本发明的目的，洗涤负载110设想为具有单点式集中不平衡112的均匀分布，如图6所示。

根据本发明的一些方面，构建了洗衣机系统的数学模型。由此，为了检测转筒不平衡，必须定义受转筒不平衡影响的系统变量。如上所述，这些变量包括转筒/电机扭矩和转筒/电机角速度。当存在不平衡时，转筒/电机扭矩和角速度具有对转筒频率循环改变的成分(也可能有一些更高频率的成分，但是这些基本是二阶效应的结果)。该循环变化成分的振幅或波动给出了存在的不平衡量的一种度量。使用这些变量检测不平衡的附加优点是它们都可以用无传感器控制来估算，由此省去使用测量仪器的需要。

因此，获得的洗衣机转筒系统的动态模型包括例如扭矩和速度以及加速度和转筒位置的变量，加速度和位置可从速度确定，反之亦然。动态模型中的变量系数由各种系统参数组成，例如不平衡质量，转筒惯量和摩擦系数。

假设动态模型的变量可以通过无传感器技术获得，或者甚至通过机上仪器获得，可使用参数估算器确定参数的系数以及由此所要求的例如不平衡质量的系统参数。用于此目的的合适的参数估算器是递归最小平方(RLS)估算器。

空转筒104中存在一定量的固有不平衡，所以等同点式质量集中不平衡112是空滚桶104和衣物110的合成不平衡。试图将转筒不平衡112和衣物110的不平衡分开是无益的，因为这些不平衡一起作用，其最终导致明显的洗衣机振动。

此处深入详述根据本发明实施例构建转筒104动态模型的示例性过程。构建该转筒模型的第一步骤是假定转筒的旋转轴线固定，转筒悬架((悬移))忽略不计。接着，所述固定轴模型在三个步骤中形成：第一步是假设转筒轴线水平并且转筒摩擦力和拖拽损耗为零；第二步加入摩擦和拖拽的影响；最后第三步加入转筒倾角。

图7示出了转以某一角速度ω_d旋转的筒104边缘上的点质量集中不平衡112。尽管不平衡质量112在图7中表示为作用在转筒半径r_d处，但不能总是设定为该情况，因为任何散布的衣物会影响不平衡质量相对于转筒中心的位置。由此在此处详述的计算中使用变量r_u以表示不平衡质量112到转筒104中心的半径长度。

在转筒104上的参考点120和任意地选在三点钟方向的固定基准线122之间的逆时针方向测量转筒位置θ_d。点式集中不平衡122在顺时针方向相对于转筒参考点120的位置由φ_u示出。因此，点式集中不平衡112相对于固定基准122的位置是(θ_d-φ_u)。附图7还示出了不平衡质量112上的由重力m_ug产生的力。

假设没有摩擦和拖拽损失作用到转筒104时，在运动方向的转筒扭矩τ_d由下式得出：

τ_d＝m_u·g·r_u cos(θ_d-φ_u)+J_d·p(ω_d)                    (1)

其中J₄是转筒和不平衡质量的合成惯量以及p是微分算子d/dt。

从方程1中可以看出如果速度ω_d恒定，即匀速圆周运动，转筒扭矩τd将循环变化，其平均值为零。因此，对于固定速度情况，方程1简化为：

τ_d＝m_u·g·r_u cos(θ_d-φ_u)

实际中，转筒速度ω_d中会有一些变化，其取决于处理器112执行的对系统速度控制器210的响应。如果速度控制器210的响应非常迟缓，扭矩τ_d将是恒定为零。因此，对于固定(和零)扭矩的情况，方程1简化为：

-m_u·g·r_u cos(θ_d-φ_u)＝J_d·p(ω_d)

图8图解了转筒速度ω_d随时间的变化，以及不平衡质量112相对于转筒104中心的垂直(y轴)位置130。用于获得这些曲线的参数如下：不平衡质量m_u＝0.5kg；r_u＝0.3m；ω_d(intrial)＝20rad/s；J_d＝0.01kgm²。这些参数不是具有不平衡的实际转筒必然表现的。相反地，它们仅仅为了解释的目的而选择的。可以明白不平衡质量112快速运动穿过其最低点，并且当其穿过其最高点时慢速运动。

随着转筒平均速度ω_d提高，速度波动的量下降，通过研究能量系统可以明白：

$m_u\·g\·2\·r_u=\frac{1}{2}\·J_d\·({\mathrm{\ω}}_{d\left(\max \right)}^2-{\mathrm{\ω}}_{d\left(\min \right)}^2)$

其中方程的左侧是不平衡质量112从转筒104底部到顶部的运动过程中由于重力获得的势能。右侧是不平衡质量112从ω_d(min)到ω_d(max)的加速过程中动能的增量，其中ω_d(min)是不平衡质量112在转筒104顶端时转筒104的角速度，以及ω_d(max)是不平衡质量112在转筒104底部时转筒104的角速度。

实际中，扭矩和速度都会变化，因此，所观察到的系统行为将处于上述两种极端之间的某处。扭矩和速度的波动量将取决于速度控制回路200的响应，其进而通常取决于速度控制器210的比例和积分增益。因此，所研究的两种情况不适合于形成系统模型，因此由方程1给出的一般等式在此处之前使用。然而研究两种极端情况是很重要的，以理解速度和扭矩波动受速度回路响应的影响而非仅仅受不平衡质量112影响。

实际中，需要一定量的扭矩以保持转筒在给定的速度运转以便克服由转筒摩擦和旋转拖拽产生的力。两种类型的摩擦将被研究：静摩擦和粘滞摩擦。静摩擦是常量因而独立于速度，尽管其极性取决于转筒的旋转方向。另一方面，粘滞摩擦与转筒角速度成正例。这些摩擦力二者都考虑由于轴承、润滑油和旋转拖拽导致的运动阻力，其中旋转拖拽视为粘滞摩擦。

静摩擦用τ_csignum(ω_d)表示，其中signum(ω_d)指其极性与转筒角速度的相同，以及粘滞摩擦用B_d·ω_d表示，其中B_d是转筒粘滞摩擦系数。包含这些摩擦力地展开方程1给出：

τ_d＝m_u·g·r_u·cos(θ_d-φ_u)+J_d·P(ω_d)+B_d·ω_d+τ_csignum(ω_d)         (2)

在某些形式的“水平”轴线洗衣机中转筒104实际中不是水平的，然而相反，是相对于水平方向以某个角度倾斜。图9图解了在相对于水平方向以角度α倾斜的转筒104的侧视图。作用在不平衡质量112上的重力是m_ug。然而，由于转筒104是以角度α相对于水平方向倾斜的，垂直于轴140的力由下式给出：

力＝m_u·g·cos(α)

图10中重新绘出图7中所示转筒104以加入如图9所示的转筒倾斜的影响。

现在方程2可如下修正为加入转筒的倾度：

τ_d＝m_u·g·r_u·cos(α)·cos(θ_d-φ_u)+J_d·p(ω_d)+B_d·ω_d+τ_csignum(ω_d)  (3)

注意，如果α＝90°，不平衡质量112上的重力沿轴140的轴线作用并且由此对轴的扭矩没有影响。

返回参照图1，电机106可操作的与转筒104连接以便借助传动系统105驱动转筒。为了引用电机和转筒之间的系统变量，例如扭矩和速度，有必要构建传动系统105的模型。图11概念性地说明了用于驱动洗衣机转筒的典型的传动带和滑轮传动系统300部分。所述传动系统300包括借助传动带314连接电机滑轮312的转筒滑轮310。

在不平衡检测系统的形成中，洗衣机传动系统300包括下列各项假设：

1.传动带314的顶部和底部或者完全张紧或完全松弛。

2.传动带314完全没有滑动。

3.传动带314没有柔性，即传动带314不伸展。

4.没有空转。

根据图11，电机的电-动方程如下所示：

τ_m＝J_m·p(ω_m)+B_m·ω_m+(T_mu-T_ml)·r_mp             (4)

其中J_m是电机滑轮312的惯量，B_m是电机粘滞摩擦系数，T_mu和T_ml分别是上部和下部传动带在电机滑轮312处的张力，r_mp是电机滑轮312的半径，以及ω_m是电机轴速度。施加到转筒滑轮310的扭矩，τ_d由下式得出：

τ_d ＝(T_du-T_dl)·r_dp                               (5)

其中T_du和T_dl分别是上部和下部传动带在转筒滑轮310处的张力，以及r_dp是转筒滑轮310的半径。如上面的假设2中所述，假定传动带314的顶部和底部或者完全张紧或者完全松弛。这导出下述各项：

T_ml＝T_dl＝0                                        (6)

T_mu＝T_du                                           (7)

因此，综合方程4和5得出：

${\mathrm{\τ}}_d=\frac{r_{\mathrm{dp}}}{r_{\mathrm{mp}}}({\mathrm{\τ}}_m-J_m\·p\left({\mathrm{\ω}}_m\right)+B_m\·{\mathrm{\ω}}_m)---\left(8\right)$

假设一个理想的传动系统，转筒速度和电机速度有如下关系：

${\mathrm{\ω}}_m=\frac{r_{\mathrm{dp}}}{r_{\mathrm{mp}}}\·{\mathrm{\ω}}_d---\left(9\right)$

因此方程8可以如下以转筒速度表示为：

${\mathrm{\τ}}_d=\frac{r_{\mathrm{dp}}}{r_{\mathrm{mp}}}\·{\mathrm{\τ}}_m-{\left(\frac{r_{\mathrm{dp}}}{r_{\mathrm{mp}}}\right)}^2\·(J_m\·p\left({\mathrm{\ω}}_d\right)+B_m\·{\mathrm{\ω}}_d)---\left(10\right)$

从固定轴线模型，可以看出τ_d包括项J_d·p(ω_d)和B_d·ω_d，它们与在方程10中的那些惯量和粘滞项相似。合成转筒和电机的惯量及粘滞项得出：

$(J_d+{\left(\frac{r_{\mathrm{dp}}}{r_{\mathrm{mp}}}\right)}^2\·J_m)\·p\left({\mathrm{\ω}}_d\right)$

以及

$(B_d+{\left(\frac{r_{\mathrm{dp}}}{r_{\mathrm{mp}}}\right)}^2\·B_m)\·{\mathrm{\ω}}_d$

现在，如果 $J_d>>{\left(\frac{r_{\mathrm{dp}}}{r_{\mathrm{mp}}}\right)}^2\·J_m$ 以及 $B_d>>{\left(\frac{r_{\mathrm{dp}}}{r_{\mathrm{mp}}}\right)}^2\·B_m,$ 方程10简单地简化为： ${\mathrm{\τ}}_d=\frac{r_{\mathrm{dp}}}{r_{\mathrm{mp}}}\·{\mathrm{\τ}}_m---\left(11\right)$

由方程3给出的固定轴线模型涉及转筒3，即扭矩和速度都是转筒的数据。然而，更有可能构成模型输入量的扭矩和速度变量将是电机的数据，因此，将需要方程9和11以将电机的速度和扭矩用于转筒。

为了使固定轴线模型有效，转筒必须没有在其悬架上的明显移动。因此，使用该模型时，必须在转筒高于最小贴靠速度但低于对悬架具有明显冲击的速度时进行不平衡检测。因此，在本实用新型实施例中，当执行不平衡检测时，转筒以例如100rpm的预定速度运转一段时间。即使命令转筒以预定的恒定速度运转，由于粘滞摩擦项B_d，会有一些速度波动导致少量扭矩波动。然而，如果设定该扭矩波动成分忽略不计并且此外速度基本恒定，由方程3给出的固定轴线模型简化为：

τ_d＝m_u·g·r_u·cos(α)·cos(θ_d-φ_u)+J_d·p(ω_d)+τ_平均     (12)

为了估算用于固定轴线系统的唯一的一组参数，输入信号必须有充分的激活性。如果输入信号激活系统的所有模，该要求可以得到满足，这样的信号被称为“持久激活”。对于此处研究的系统，输入信号实际上是转筒速度ω_d，因为其它变量，即θ_d和p(ω_d)本身由转筒速度决定，反之亦然。

在不平衡检测中，命令转筒以恒定速度运转。如果在此期间实际转筒速度非常恒定，就不会有转筒角加速度，即p(ω_d)＝0。在此操作模式下，惯量对转筒扭矩没有影响，因此参数估算器不可能获得转筒惯量的估算值，J_d。然而，实际中速度控制器210不可能将转筒速度调节至一个非常恒定的值，并且会有在指令速度202附近的一些转筒的速度变化。

检测结果显示，在固定轴线系统固有的速度下，速度波动在对应于转筒速度的频率下近似正弦变化。在小幅度的速度波动时，不平衡扭矩将是近似的正弦曲线，因为cos(ω_d·t-φ_u)≈cos(ω_d·t-φ_u)其中ω_d是平均速度。这导致一个问题，因为当速度波动的频率等于平均转筒速度，惯量扭矩将是与不平衡扭矩相同频率的正弦曲线。在这些情况下，J_d、m_u和φ_u的多次合成将导致小估算器的错误，这样，估算器将难于从全部的转筒扭矩中唯一确定惯量和不平衡扭矩成分(在更大的速度波动值下，不存在该问题，因为cos(ω_d·t-φ_u)≠cos(ω_d·t-φ_u)，所以不平衡扭矩包含谐波成分，而惯量扭矩仍然是正弦曲线。参数估算器则可以更容易区分扭矩的惯量和不平衡成分)。

如果转筒惯量在不平衡检测进行前是已知的，可以通过对惯量补偿转筒扭矩消除上述问题。假设转筒惯量在不平衡检测进行前是已知的。在该情况中，恒速的固定轴线模型可以被写成：

τ_{d_comp}＝m_u·g·r_u·cos(α)·cos(θ_d-φ_u)+τ_平均

其中τ_{d_comp}＝τ_d-J_d·p(ω_d)

因此，如果转筒惯量已知，惯量扭矩波动可以从全部波动中减去，以便估算器的输入量仅是由作用在不平衡质量上的重力引起扭矩波动量，加上平均值。展开τ_{d_comp}得到：

τ_{d_comp} ＝m_u·g r_u·cos(α)·cos(φ_u)cos(θ_d)+m_u·g r_u·cos(α)·sin(φ_u)sin(θ_d)+τ_平均

上述等式可以被写成以下形式，其适合例如RLS估算器的参数估算器：

y＝x^Tθ

其中：

y＝τ_{d_comp}

x^T＝[1 cosθ_d sinθ_d]

$\mathrm{\θ}=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{mean}}\\ m_u\·g\·r_u\·\cos \mathrm{\α}\·\cos \mathrm{\φ}\\ m_u\·g\·r_u\·\cos \mathrm{\α}\·\sin \mathrm{\φ}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{P}_1\\ P_2\\ P_3\end{array}\right]$

以及P_1-3是由参数估算器PE估算的参数，或系数。

可以从参数矩阵θ中看出，需要对P₂和P₃进一步处理以求出最高扭矩波动和扭矩波动相位滞后。这如下进行：

${\mathrm{\φ}}_u={\tan }^{-1}\left(\frac{P_3}{P_2}\right)$

如果从转筒位置而非速度计算加速度，有必要对转筒位置进行滤波。其原因是加速度通过对转筒位置二次求导获得。转筒位置信号上少量的干扰可能导致有很多噪音的加速度数据，其可能顺次影响被估算参数的准确性。(然而，如果速度是已知的，则问题不是这么严重，因为计算加速度只需要一次求导；转筒位置在此情况中由速度积分确定。)

作为锯齿波形，转筒位置信号包含没有噪音的高频成分。因此，将低通过滤器直接用于转筒位置信号将使其严重失真。为避免这些问题，过滤掉信号的正弦和余弦部分，接着重新构建经过滤的转筒位置如下：

${\mathrm{\θ}}_{d\_\mathrm{filtered}}={\tan }^{-1}\left(\frac{{\left(\sin {\mathrm{\θ}}_d\right)}_{\mathrm{filtered}}}{{\left(\cos {\mathrm{\θ}}_d\right)}_{\mathrm{filtered}}}\right)$

在上述实施例中，在不平衡测定之前计算转筒惯量。计算惯量的一种方法是使转筒速度从预定速度上升到另一个速度，例如从100rpm到200rpm，并把结果数据送入将J_d作为可处理数据的参数估算器中。由此扭矩和速度分布图看上去如图12所示，其假定速度线性上升(尽管线性上升不是必须)。注意，为了清楚，图12没有示出扭矩和速度的波动量。

从ω_d1到ω_d2的加速中，可能悬架会开始影响平均扭矩和扭矩波动量。然而，这些悬架的影响没有被方程2给出的固定轴线模型算入。仅在计算惯量时，由悬架影响导致的扭矩波动量变化不是非常重要。然而，当速度上升时，平均扭矩的变化将会影响惯量计算，但是扭矩变化可以作为一个附加粘滞摩擦项B_s建模，如果设定在ω_d1到ω_d2之间平均扭矩的改变是速度的相当线性的函数。而且，该附加粘滞项可以与实际粘滞摩擦项并在一起。

假设平均扭矩与ω_d1到ω_d2之间的速度线性变化，图12所示的曲线图可以用下列等式构建：

τ_d＝J_d·p(ω_d)+B_Jω_d+τ_J                              (13)

其中B_J＝B_s+B_d并且τ_J≠τ_c

相比于估算惯量，扭矩波动不是那么重要，至少在使用如图12中的速度分布时——如果把正弦扭矩波动成分算入模型将从参数估算器获得更佳的结果。其原因是参数估算器最初可能把扭矩波动测定为是在平均扭矩中正弦变化。扭矩波动成分将是与固定轴线模型相同的形式。因此将扭矩波动算入的惯量模型变成：

τ_d＝J_d·p(ω_d)+B_Jω_d+τ_J+A·cos θ_d+B·sin θ_d        (14)

其中A和B是常数。将方程14重新整理为y＝x^Tθ的形式用于参数估算，结果的获得：

y＝τ_d

x^T＝[p(ω_d)ω_d 1 cosθ_d sinθ_d]

$\mathrm{\θ}=\left[\begin{array}{c}{J}_d\\ B_J\\ {\mathrm{\τ}}_J\\ A\\ B\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{P}_1\\ P_2\\ P_3\\ P_4\\ P_5\end{array}\right]$

P_1-5是由参数估算器估算的参数。如果转筒在其悬架上显著移动，扭矩波动将会变化，并且因此系数A和B也将如此。结果估算器参数P₄和P₅也将试图遵循A和B的变化而变化。上述可以被接受，因为在该具体实施例中仅有惯量参数P₁是必需的，而且当使用如图11中的速度曲线时，这不会受到扭矩波动渐变的严重影响。惯量因此可直接获得即为参数P₁。

在本实用新型的另一个示例性实施例，采用一种可选惯量计算方法，其需要转筒从第一预定速度线性加速到更高的第二速度，但是不需要使用参数估算器。如上所述，在最小贴靠速度附近存在很少的悬架运动并且可以设想固定轴线的模型。然而，当转筒加速超过最小贴靠速度时，悬架的影响将会变得明显。

如果除去扭矩波形的波动成分，所得到的轨迹看起来类似像图13中所示。图13中的重要量是在加速开始时扭矩的阶跃上升(或者在加速结束时扭矩阶跃降低)，τ_{d_加速}。一旦确定τ_{d_加速}，则转筒惯量，J_d可以如下计算：

$J_d=\frac{{\mathrm{\τ}}_{d\_\mathrm{accl}}}{p\left({\mathrm{\ω}}_d\right)}$

随后计算τ_{d_加速}。图13中的扭矩轨迹分为三个不同区域：A、B和C。在每一个区域的平均扭矩由a，b和c示出，它们如下计算：

$a=\frac{1}{T_A}\underset{t_0}{\overset{t_1}{\∫}}{\mathrm{\τ}}_d\mathrm{dt}$

$b=\frac{1}{T_B}\underset{t_1}{\overset{t_2}{\∫}}{\mathrm{\τ}}_d\mathrm{dt}$

$c=\frac{1}{T_C}\underset{t_2}{\overset{t_3}{\∫}}{\mathrm{\τ}}_d\mathrm{dt}$

然后给出加速度扭矩为：

${\mathrm{\τ}}_{d\_\mathrm{accl}}=b-\frac{(c+a)}{2}$

当存在扭动波动时，如果每个区域包含整数个波动周期，上述方法仍可适用。因此，时段T_A，T_B和T_C必须仔细选择以保证这种状况。然而在每一个区域中存在波动周期的数量越多，对于整数个循环的要求越不严格。

图13示出了去除波动成分的扭矩轨迹。当存在扭动波动时，如果每个区域包含整数个波动周期，上述方法仍可适用。因此，时段T_A，T_B和T_C必须仔细选择以保证这种状况。然而在每一个区域中存在波动周期的数量越多，对于整数个循环的要求越不严格。

以下详述一个示例性实施例的处理器执行过程。离散整个过程得出下列a、b和c的方程：

$a=\frac{T_s}{T_A}\·\underset{n=1}{\overset{(t_1-t_0)/T_s}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\τ}}_{d\left(n\right)}$

$b=\frac{T_s}{T_B}\·\underset{n=1}{\overset{(t_2-t_1)/T_s}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\τ}}_{d\left(n\right)}$

$c=\frac{T_s}{T_C}\·\underset{}{\overset{n=1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\τ}}_{d\left(n\right)}$

通过下式给出所述加速度扭矩：

${\mathrm{\τ}}_{d\_\mathrm{accl}}=T_s\·(\frac{1}{T_B}\·\underset{n=1}{\overset{(t_2-t_1)/T_s}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\τ}}_{d\left(n\right)}-\frac{1}{2\·T_A}\·\underset{n=1}{\overset{(t_1-t_0)/T_s}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\τ}}_{d\left(n\right)}-\frac{1}{2\·T_C}\·\underset{n=1}{\overset{(t_3-t_2)/T_s}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\τ}}_{d\left(n\right)})$

然后由下式得出惯量(kg.m²)：

$J_d=\frac{T_s\·(\frac{1}{T_B}\·\underset{n=1}{\overset{(t_2-t_1)/T_s}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\τ}}_{d\left(n\right)}-\frac{1}{2\·T_A}\·\underset{n=1}{\overset{(t_1-t_0)/T_s}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\τ}}_{d\left(n\right)}-\frac{1}{2\·T_C}\·\underset{n=1}{\overset{(t_3-t_2)/T_s}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\τ}}_{d\left(n\right)})}{p\left({\mathrm{\ω}}_d\right)}$

在某些应用中，可在不显著激发悬架的情况下使转筒从ω_d1加速到适当的更高速度ω_d2——尤其是如果ω_d1设置为最小贴靠速度。如果在此状况，那么本发明的另一个实施例是可能的，藉此惯量和不平衡质量可以同时进行计算，由此省去如上述实施例中所述的单独计算惯量和质量的必要。同样没有必要进行惯量补偿。在该实施例中，可以设定由方程3给出的广义固定轴线模型。展开方程3中的cos项得到：

τ_d＝m_u· g·r_u·cos(α)·cos(φ_u)·cos(θ_d)+m_u· g r_u·cos(α)·sin(φ_u)sin(θ_d)+J_d·p(ω_d)+B_d·ω_d+τ_csignum(ω_d)                         (15)

可以注意到，方程15具有与方程14给出的惯量模型相同的形式，其中A＝m_u· g r_u·cos(α)·cos(φ_u)以及B＝m_u· g r_u·cos(α)·sin(φ_u)。实际上，该实施例使用的程序与前述实施例中使用参数估算器计算惯量时使用的程序相同，除了计算惯量，因为转筒轴线基本保持固定，可以从参数A和B中得出不平衡质量。从上述的A和B计算m_u的方法是与在前面实施例的后半部分所述的相同方法。

如上所述，给定的速度波动的最高惯量扭矩波动将由J_d决定，并且假定r_u可以被预先计算，重力扭矩波动将由m_u决定。图14概念性地示出了容纳衣物110的洗衣机转筒104和不平衡质量112。在计算不平衡半径r_u时，假设衣物110如图14分布，具有不平衡112作用于均匀分布的衣物110形成的内侧。

衣物110的惯量可以通过从J_d减去空转筒惯量来计算：

J_l＝J_d-J_空转筒

衣物惯量将近似等于：

$J_l=\frac{m_1}{2}(r_d^2+r_u^2)$

其中m₁是衣物质量。

衣物的体积近似等于：

$V_l=1\mathrm{\π}(r_d^2-r_u^2)$

其中“1”是转筒的长度。为现在的织物密度假设一个数值，D₁，衣物的质量可以写作：

m_l＝D_lV_l

由此通过下式得出r_u：

$r_u=\sqrt[4]{{r_d}^4-\frac{{2J}_l}{D_{l}1\mathrm{\π}}}$

(应该知道D₁取决于被洗衣物的类型，例如合成的，羊毛的，等，每一种将具有其各自的密度。)

在本实用新型的另一个实施例中，具有“不充分激发”系统的问题得以解决，其通过引入“高频振动”信号以激发系统的所有模。在本文研究系统中，包括给速度指令信号202加入一个信号以便实际转筒速度以确定的方式在平均值附近波动。

高频振动信号的一个要求是它应当有相当小的振幅以便转筒速度不偏离其平均值太多。该信号的另一个要求是它应当不引起可能导致剧烈振动的任何系统共振。

如上所述，为何固有速度波动不适合的一个原因是因为其频率等于平均转筒速度的频率。对于速度波动的低值，这意味着不平衡扭矩和惯量扭矩都在相同频率的近似为正弦曲线，并且由此参数估算器在两个扭矩成分之间区分时会有困难。然而，如果转筒波动包含与平均转筒速度不同的频率的频率成分，扭矩的不平衡和惯量成分也将在频率上不同，并且由此由参数估算器更容易地区分。

使用该高频振动信号激发系统胜于前述实施例一个益处是，可以在一个基本恒定的转筒速度下同时计算不平衡质量和惯量。因此，在不平衡检测期间，平均转筒速度可以固定在一个速度以允许使用方程3给出的固定轴线模型，或者如果假设由粘滞摩擦引起的扭矩波动为忽略不计，可以使用方程12。不需要高频振动的特殊形式，不过在某些执行过程中，使用具有约0.2rad/s的振幅的1Hz正弦高频信号有令人满意的结果。

上述公开的具体实施例仅是解释性的，因为本实用新型可以以不同的但等价的方式被改变和应用，这些方式对于获得此处内容帮助的所述领域技术人员是显而易见的。而且，不意味以此处所示结构和设计的细节为限，而是在以下权利要求中描述范围。因此，很明显，上面揭示的具体实施例可以被替代或改变，所有这些变化都被认为在本实用新型的范围和精神之内。因此，要求保护的范围由下述权利要求所确定。

Claims (3)

1.一种检测洗衣机负载不平衡的系统，其特征在于，包括：

箱体；

可旋转地安装于所述箱体内的转筒；

可操作地与所述转筒耦合用于旋转箱体中转筒的电机；

连接所述电机的处理器；以及

存储器装置，其可以被处理器访问并存储执行一种方法的程序代码，所述方法包括，确定电机的扭矩波动，确定电机速度，以及根据电机扭矩和速度确定负载不平衡质量。

2.根据权利要求1所述的检测洗衣机负载不平衡的系统，其特征在于，还包括测量转筒旋转速度的装置。

3.一种检测洗衣机负载不平衡的系统，其特征在于，包括：

箱体；

可旋转安装于所述箱体内的转筒；

可操作地与所述转筒连接用于旋转箱体中转筒的无传感器电机；

连接所述电机的处理器，所述处理器接收电机电流和电压的指示；以及

存储器装置，其可以由处理器访问并存储程序代码，所述程序代码执行基于电机电流和电压信号确定负载不平衡质量的方法。

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