DE19857903A1

DE19857903A1 - Verfahren zur Ermittlung der Wäschemenge in der Trommel einer Waschmaschine oder eines Trockners

Info

Publication number: DE19857903A1
Application number: DE19857903A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Kaufmann; Juergen Minol
Original assignee: Miele und Cie KG
Current assignee: Miele und Cie KG
Priority date: 1997-12-16
Filing date: 1998-12-16
Publication date: 1999-06-17

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Wäschemenge in der Trommel einer Waschmaschine oder eines Trockners unter Verwendung eines Mikroprozessors, der die Drehung der Trommel regelt und das Trägheitsmoment Θ_m der Wäsche bezüglich der Dreh achse der Trommel ermittelt, wobei die Trommel in mindestens zwei Phasen beschleunigt wird.

Ein solches Verfahren ist aus der EP 0 345 120 B1 bekannt.

Bei Waschmaschinen ist neben dem reinen Wägeverfahren zur Bestimmung der in der Trom mel befindlichen Wäschemenge die Ermittlung des Massenträgheitsmoments möglich. Das Massenträgheitsmoment der Beladungsmenge hängt von der eigentlichen Masse und dem Radius ab. Die Trommelgeometrie und die Kenntnis über die Soll-Beladungsmenge der Trom mel lassen jedoch eine Vernachlässigung des Radius zu. Ein Rückschluß vom Massenträg heitsmoment wird durch eine Tabellenfunktion gelöst und ist reproduzierbar, da die unter schiedlichen Beladungen sich im am Trommelmantel angelegten Zustand von der Mantelfläche aus nach innen aufbauen.

Aus der EP 0 143 685 B1 und der EP 0 159 202 B1 sind Verfahren bekannt, bei denen die Wäschemenge als Teil des Gesamt-Trägheitsmomentes (Trommel und Wäsche) während einer Phase mit konstanter Beschleunigung aus der Motorbelastung ermittelt wird. Störgröße in diesen Verfahren ist das Reibmoment an der Trommellagerung, welches zusätzlich auftritt und durch Randbedingungen wie Temperatur, Alterung und ähnliches beeinflußt wird. Die Reibung kann daher nicht als zuvor bestimmter Anteil in die Ermittlung der Menge einbezogen werden. Sie ist aber vorhanden und kann mit vertretbarem Aufwand nicht auf einen vernachlässigbaren Wert gemindert werden.

Aus der EP 0 345 120 B1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem die Trommel mit zwei unter schiedlichen konstanten Beschleunigungen angetrieben wird. Es werden somit zwei um einen Faktor λ verschiedene Drehzahlrampen mit positiver Beschleunigung durchlaufen. Die Reibung soll dann durch Differenzbildung unterdrückt werden. Da der Faktor λ auch in das Reibungs moment eingeht, entsteht bei der Differenzbildung ein Fehler, der eine genaue Berechnung der Wäschemenge nicht zuläßt. Die Verwendung von zwei Rampen mit gleichem Drehzahlanstieg ist nicht möglich, da dann durch die Differenzbildung die Aussage über das Trägheitsmoment gleich Null ist.

Der Erfindung stellt sich somit das Problem, ein Verfahren zur Ermittlung der Wäschemenge in der Trommel einer Waschmaschine oder eines Trockenes der eingangs genannten Art zu offenbaren, bei dem der Einfluß des Reibungswertes vollständig eliminiert wird.

Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch ein Verfahren mit den im Patentanspruch 1 ange gebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgenden Unteranspruch.

Die mit der Erfindung erreichbaren Vorteile bestehen neben der vollständigen Unabhängigkeit des ermittelten Trägheitsmoments vom Reibungsmoment darin, daß durch das Abarbeiten der Beschleunigungsphase und der Bremsphase hintereinander die Beladungsmenge in relativ kurzer Zeit ermittelt werden kann, da eine zweite Beschleunigungsphase entfällt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist anhand einer Zeichnung rein schematisch dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben. Die Figur zeigt das Drehzahl-Zeit-Diagramm eines er findungsgemäß ausgebildeten Verfahrens zur Bestimmung der Wäschemenge in der Trommel einer Waschmaschine. Zum Antrieb der Trommel wird in bekannter Weise (DE 195 39 567 A2) ein Drehstrom-Asynchronmotor verwendet, der über einen Frequenzumrichter eine in der Frequenz und der Amplitude veränderliche Spannung erhält. Die Änderung dieser beiden Stellgrößen erfolgt mit Hilfe eines Steuerrechners in einer Mikroprozessor-Steuerung, die auch eine Reglereinheit beinhaltet. Zum Abgriff der Motordrehzahl dient ein Tachogenerator, der ein von der Ist-Drehzahl abhängiges Frequenzsignal an den Steuerrechner weitergibt. Die Kraft übertragung zwischen Motor und Trommel erfolgt über einen Keilriemen und eine Riemen scheibe.

Ausgangspunkt der Erfindung ist der Umstand, daß die Reibung zwar von den vorgenannten Punkten abhängt und deshalb über große Zeiträume veränderlich ist, aber innerhalb eines Meßvorgangs gleich bleibt.

Das ermittelte Trägheitsmoment Θ_g ergibt sich aus dem konstanten Trägheitsmoment der Trommel (Riemenscheibe, Motor usw.) Θ_t und dem zu bestimmenden Trägheitsmoment der Wäschemenge Θ_m.

Die Reglereinheit erhält eine Solldrehzahl und steuert den Antrieb über die Stellgröße so, daß die Solldrehzahl erreicht wird. Eine Rampe mit vorzugsweise konstanter positiver oder negativer Beschleunigung wird durch permanente Änderung des Sollwerts erreicht. Aus den Stellgrößen ist ein Rückschluß auf das abgegebene Moment möglich. Stellgröße ist hier der Schlupf, kann aber auch Strom, Spannung, Phasenwinkel usw. sein.

Voraussetzung ist ein Start mit einer Drehzahl ω₁, bei der die Wäscheteile durch eine aus reichend hohe Zentrifugal-Beschleunigung an der Trommelwand anliegen. In einer Phase, in der diese Drehzahl konstant gehalten wird, wird der Schlupf s₁ über einen Zeitraum T₁ gemessen und aufintegriert. Der Antrieb bringt in dieser Phase nur das Reibmoment M_r auf, um die Drehbewegung aufrecht zu erhalten. Für die folgende Beschleunigung (ω_u) von der Drehzahl ω₁ auf die Drehzahl ω₂ ist zusätzlich ein Drehmoment

M_j = Θ_g.dω_u/dt (ω = n.2.π)

zur Beschleunigung der Trommel und der darin enthaltenen Wäsche erforderlich. Vorzugsweise erfolgt diese Beschleunigung (ω_u) mit einer konstanten Drehzahlsteigerung.

Die Beschleunigung ist so gewählt, daß sie nicht durch den Antrieb begrenzt wird

M_max < M_j + M_r.

Das für den Antrieb erforderliche Drehmoment in der Beschleunigungsphase (ω_d)

M_u = M + M_r

wird durch aufintegrieren, des dem Drehmoment proportionalen Schlupfs s des Motors, bis zur Drehzahl ω₂ über die Zeit T/2 ermittelt.

In einer Haltephase T_H mit konstanter Drehzahl ω₂ klingen die Regelüberschwingungen ab. In dieser Phase wird der Schlupf s₂ über einen Zeitraum T₂ gemessen (T₂ = T₁= 5 sec) und aufintegriert. Nach der Haltephase T_H mit konstanter Drehzahl ω₂ beginnt das Bremsen bis zum Erreichen der Drehzahl ω₁. Die Drehzahländerung in der Bremsphase (ω_d) entspricht der Beschleunigung beim Anstieg (ω_u)

ω_u(t) = -ω_d(t) → dω_u/dt = -dω_d/dt

nur mit umgekehrtem Vorzeichen. Die Dauer ist wieder T/2. Der erforderliche Betrag des Drehmoments für die Bremsphase

M_d = M_j - M_r

wird auf die gleiche Weise wie in der Beschleunigungsphase bestimmt und dem selben Integrator zugeführt. Integriert werden die erforderlichen Beträge des Schlupfs. Die Integrator summe nach der Messung entspricht (Vorzeichen korrigiert)

Das Trägheitsmoment der Trommelbeladung ergibt sich dann durch folgende Berechnung:

In der Berechnungsformel befinden sich nun neben dem ermittelten Integral nur noch die Dauer T der Beschleunigungs- und Bremsphase, die vom Regler vorgegeben wird, die Motordrehzahl ω(t), die durch einen Tachogenerator gemessen werden kann und die Größe Θ_t, die vor der Konstruktion der Waschmaschine durch Versuche ermittelt werden kann. Das Reibmoment wird ohne gesonderte Berechnung aus dem Meßergebnis eliminiert.

In Abhängigkeit vom Wert des gemessenen und aufintegrierten Schlupfs s kann dann durch die Mikroprozessor-Steuerung ein abgespeicherter Gewichtswert abgerufen und zur weiteren Steuerung des Waschprogramms verwendet werden.

Bei der vorgenannten Methode zur Wäschemengenermittlung kann ein temperaturabhängiger Fehler in der Größenordnung von 20% auftreten. Dies ist in erster Linie in Waschprogrammen der Fall, die mit kurzem Zeitabstand aufeinander folgen, da dann der Motor noch erwärmt ist. Der Fehler wird durch die Temperaturabhängigkeit der Wicklungswiderstände hervorgerufen, die wiederum eine Temperaturabhängigkeit der Drehfeldleistung P_δ bewirken und damit zu einer Veränderung des Motorschlupfs

s = 1 - (P_mech/P_δ)

führen, wobei P_mech die abgegebene mechanische Leistung des Motors ist.

Diese Temperaturabhängigkeit des Schlupfs beeinflußt die Genauigkeit der Beladungsmengen ermittlung, die ja auf der Auswertung des positiven und negativen Schlupfs in der Beschleu nigungs- und Bremsphase beruht, negativ. Der Meßwert für den Schlupf s bzw. sein Integral wird bei konstanter Beladung mit zunehmender Erwärmung größer. In einer Waschmaschine mit erwärmtem Motor wird deshalb ein größerer Wert für die gleiche Beladungsmenge ermittelt als in einer Waschmaschine mit kaltem Motor. Um die Genauigkeit der Beladungsmengen ermittlung zu erhöhen, müssen deshalb Fehler, die durch steigende Motortemperaturen auftreten, kompensiert werden.

Im folgenden wird ein Verfahren beschrieben, welches ohne zusätzliche Meßwertaufnehmer (Temperatursensoren) den Betriebszustand der Waschmaschine bzw. des Motors erkennt und eine Temperaturkompensation durchführt. Zur Erkennung einer Erwärmung des Systems Trommellagerung - Motor wird der Umstand ausgenutzt, daß der Motorschlupf in Phasen mit konstanter Drehzahl nicht von der Beladung, dafür aber zusätzlich zu den Motorverlusten von den Reibungsverlusten an der Trommellagerung abhängt. Diese Abhängigkeit ergibt sich aus der Gleichung für die Verlustleistung P_v am Trommellager durch

P_v = µ.F_N2.π.r.n.

Der Reibungskoeffizient µ der Lager verringert sich mit zunehmender Erwärmung. P_v wird deshalb geringer und damit auch das vom Motor aufzubringende Drehmoment. Hierdurch wird wiederum der Motorschlupf verringert. Die zweite Variable der vorstehenden Gleichung, die Normalkraft F_N, hier gleichzusetzen mit der Riemenspannkraft, ist zwar maschinenabhängig, aber nicht oder nur sehr gering abhängig von der Betriebstemperatur.

Bei hohen Drehzahlen (ω₂) besitzt der Schlupf s₂ nur eine geringe Temperaturabhängigkeit. Hier werden bei hohen Temperaturen die geringeren Reibungsverluste durch die erhöhten Verluste aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Drehfeldleistung P_δ kompensiert, die Temperaturschwankung von s₂ liegt deshalb nur im Bereich von 5%. Bei niedrigen Drehzahlen (ω₁) sind die sinkenden Reibungsverluste bei Erwärmung des Lagers wegen der kleinen Drehfeldleistung P_δ stärker bemerkbar, die temperaturabhängigen Schwankungen von s₁ betragen im Mittel 16%. Der Schlupf s₁ wird deshalb mit zunehmender Temperatur deutlich geringer.

Um von den Schlupfwerten s₁ und s₂ einen Rückschluß auf die Temperaturen zu erhalten, werden sie, wie bereits oben beschrieben über die Zeiten T₁ und T₂ in Phasen mit konstanter Drehzahl ω₁ und ω₂ aufintegriert und durch Bildung der Differenz

von ihrer Abhängigkeit von der Normal kraft F_N befreit. Diese Differenz wird mit steigender Erwärmung größer. Wenn der Wert Δs einen Grenzwert a (= 600) überschreitet,

ist eine Temperaturkompensation des für die Beladungsermittlung ausgewerteten Integrals

erforderlich und es wird ein Korrekturfaktor

von diesem Integral abgezogen (c = 750). Der so kompensierte Beladungswert weicht nur noch maximal um 6% vom tatsächlichen Wert ab, ohne Kompensation würden Abweichungen bis zu 20% auftreten.

Claims

1. Verfahren zur Ermittlung der Wäschemenge in der Trommel einer Waschmaschine oder eines Trockners unter Verwendung eines Mikroprozessors, der die Drehung der Trommel regelt und das Trägheitsmoment Θ_m der Wäsche bezüglich der Drehachse der Trommel ermittelt, wobei die Trommel in mindestens zwei Phasen beschleunigt wird,
gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

- Beschleunigen der Trommel von einer Drehzahl ω_u = ω₁, bei der die Wäscheteile durch eine ausreichende Zentrifugalbeschleunigung am Trommelmantel an liegen, auf eine Drehzahl ω_u = ω₂ < ω₁ während einer Zeit T/2;
- Bremsen der Trommel mit einer negativen Beschleunigung bis zum Erreichen der Drehzahl ω₁ in der gleichen Zeit T/2, wobei der Drehzahlverlauf ω_u in der Beschleunigungsphase dem negativen Drehzahlverlauf ω_d in der Bremsphase entspricht;
- Aufintegrieren bzw. aufsummieren der drehmomentabhängigen Stellgröße (s) der Drehzahlregelung über die Zeit T;
- Ermitteln des Trägheitsmoments Θ_m der Wäsche aus dem Integral bzw. der Summe der drehmomentabhängigen Stellgröße (s) der Drehzahlregelung unter Berücksichtigung des Trägheitsmoments Θ_t der Trommel und des Trommelantriebs.

2. Verfahren zur Ermittlung der Wäschemenge in der Trommel einer Waschmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Drehzahl in der Beschleunigungsphase und in der Bremsphase konstant erfolgt.

3. Verfahren zur Ermittlung der Wäschemenge in der Trommel einer Waschmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bremsphase der Trommel eine Haltephase T_H mit konstanter Trommeldrehzahl ω₂ vorgeschaltet ist.

4. Verfahren zur Ermittlung der Wäschemenge in der Trommel einer Waschmaschine oder eines Trockners nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kompensation hinsichtlich der Motortemperatur vorgenommen wird.

5. Verfahren zur Ermittlung der Wäschemenge in der Trommel einer Waschmaschine oder eines Trockners nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in zwei Phasen (T₁, T₂) mit konstanten Drehzahlen ω₂ und ω₁ jeweils eine Messung des Schlupfs s₁ und s₂ erfolgt und daß von dem zur Beladungsmengenerkennung ermittelten Integral bzw. der Summe der drehmomentabhängigen Stellgröße (s) der Drehzahlregelung ein Korrekturwert b abgezogen wird, wenn die Differenz der Integrale der Schlupfwerte s₂ und s₁ über die Zeiten T₁ und T₂ einen Grenzwert a überschreitet.

6. Verfahren zur Ermittlung der Wäschemenge in der Trommel einer Waschmaschine oder eines Trockners nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrekturwert b aus der Summe des Integrals des Schlupfwertes s₁ über der Zeit T₁ und einer Konstanten c ermittelt wird.