EP1048774A2 - Verfahren und Vorrichtung zur Detektion von Unwuchten bei einem durch einen bürstenlosen Elektromotor angetriebenen Rotor - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Detektion von Unwuchten bei einem durch einen bürstenlosen Elektromotor angetriebenen Rotor Download PDF

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EP1048774A2
EP1048774A2 EP00108260A EP00108260A EP1048774A2 EP 1048774 A2 EP1048774 A2 EP 1048774A2 EP 00108260 A EP00108260 A EP 00108260A EP 00108260 A EP00108260 A EP 00108260A EP 1048774 A2 EP1048774 A2 EP 1048774A2
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EP
European Patent Office
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speed
motor
voltage
electric motor
inverter
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EP1048774B1 (de
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Falko Abel
Hans-Wilhelm Klein
Rainer Münzner
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BSH Bosch und Siemens Hausgeraete GmbH
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    • D06F2103/44—Current or voltage
    • D06F2103/46—Current or voltage of the motor driving the drum

Definitions

  • the invention relates to a method for detecting unbalance in a by a brushless electric motor driven rotor, especially one Washing drum in a washing machine, with a measuring device the speed and the unbalance of the rotor is determined by position and size.
  • the invention also relates to a device for detecting unbalance.
  • EP 0 565 157 A1 describes a method for the detection and compensation of a Unbalance in a rotor driven by a motor is known.
  • the rotor is for example a drum in a washing machine. It is a facility for Measurement of the unbalance according to position and size and control electronics for control of the motor based on the measured values, the torque of the Motor initially constant after accelerating the rotor to a minimum value is held so that there is a change in speed if there is an unbalance, which is evaluated to determine the position and size of the unbalance. Then will based on the determined values when the speed increases, the Attempted imbalance by appropriate control.
  • the minimum value to which the rotor is initially accelerated is the value at which a rotor's own imbalance is noticeable.
  • the drum is first accelerated to a value of about 70 rpm or 80 rpm. This is the value at which there is laundry in the drum on the inner walls creates so that there is an imbalance due to uneven distribution of the laundry noticeable.
  • the motor drive must be controlled so that a constant drive torque results.
  • Determining the values for the size and location of the Imbalance occurs, for example, in that one of a rotary encoder of the motor delivered pulse chain evaluated by the electronics with the help of a pulse counter is that in the control program for the motor both the respective speed of the motor shaft and the respective location of a fictitious point on the motor shaft is available and that the speed of the rotor and the position and size of a possible unbalance the rotor can be detected.
  • the pulse counter is activated by each Flank raised in the pulse chain.
  • An unbalance monitor for an automatic washing machine is known from EP 0 539 617 A1 known, the one by a speed detection device in a control device monitored, speed-controlled and fed from an AC power source Electric motor, especially a series motor, upright.
  • an imbalance sensor in the form of a when an is reached impermissible unbalance opening and thus the connection to the control device interrupting microswitch in series with the speed detection device switched.
  • EP 0275862A1 imbalance-related fluctuations in the Current consumption of the drum drive motor detected.
  • This object is achieved according to claim 1 in that after exceeding a minimum speed of the rotor is an electrical parameter of the electric motor of its dimension intended for operation to a dimension intended for measurement is changed so that the slope of the speed-torque characteristic curve The amount increases, whereby the speed of the rotor is also above during the measurement a predetermined minimum speed, and that then the unbalance after Location and size can be measured.
  • the motor voltage is the parameter is selected and lowered during the measurement.
  • the motor voltage can be such lower the speed-torque characteristic above the minimum speed is required for the measuring process, the speed-torque characteristic Universal motor, d. H. a serial motor, same performance.
  • a universal motor in a household appliance, for example in a washing machine, against a brushless motor, in particular an asynchronous motor. Because of the different speed-torque characteristics brushless drive motors can be one Universal motor method used for measuring unbalance does not immediately affect transfer a brushless motor. There are therefore procedural steps required, for example, to adjust the speed-torque characteristic of an asynchronous motor to achieve that of a universal motor. This is the only way to replace it the drive with a speed-controlled universal motor in connection with a Triac or chopper actuator possible using an asynchronous motor, for example is supplied with a supply voltage by an inverter. It is According to the invention not required that the program control on the has to react to measured unbalance values, knowledge of the design of the drum drive, d. H. of the engine used. The unbalance values determined are comparable regardless of the drive system.
  • the fixed electrical parameters occurring speed-torque characteristic changed so that their position unbalanced and size much easier to grasp.
  • a laundry drum 1 (FIG. 1) is a rotor which is mounted horizontally for a while. Via a pulley 2 attached to the shaft, it is driven via a V-belt 3 by an asynchronous motor 4, the drive shaft of which also has a pulley over which the V-belt 3 runs.
  • the motor controller 7 is part of a converter 8.
  • the motor controller 7 is preferably part a microcontroller in which the functions of the motor controller 7, namely the Generation of the generation of the voltage provided with the reference numerals 13 and 14 and the rotating field frequency are integrated.
  • the microcontroller also contains the Summation point 16 and multiplication point 17. On the microcontroller is preferably also the control scheme is stored.
  • the microcontroller contains preferably a memory, for example a ROM.
  • the converter 8 includes one the voltage 9 of an AC voltage-applied filter 10, the Line voltage superimposed harmonics and high-frequency electromagnetic interference filtered out.
  • An intermediate circuit 11 is arranged downstream of the filter 10, in which one is not here Rectifier bridge shown serves to rectify the mains voltage 9, the Rectifier bridge is preferably connected downstream of a smoothing capacitor.
  • the of the DC link 10 generated DC voltage is used on the one hand for Power supply to a multi-phase electronic commutator, d. H. one Inverter 12, three out of phase with each other from the DC voltage AC voltages R, S, T generated for the asynchronous motor 4.
  • the inverter 12 also includes controllable power transistors, not shown, e.g. IGBT's. Inverters of the type described above mainly work with sinus-weighted pulse width modulation according to the so-called Undershoot method, i.e. by means of the higher frequency pulse width modulation frequency becomes a lower AC voltage or 3 phase AC voltage (motor voltage) shown.
  • the inverter 12 is regulated by the motor controller 7, the regulation of the Speed of the asynchronous motor 4 via the manipulated variables formed in the motor controller 7 for the Motor voltage or the rotating field frequency of the inverter 12 takes place, which in Fig. 1, reference numerals 13 and 14 are assigned for illustration.
  • Power supply 15 which in turn z. B. from the intermediate circuit 11 with DC voltage becomes.
  • the laundry drum 1 is initially used to initiate the spinning process Distribution ramp accelerated to a speed at which the laundry due to the centrifugal forces rests on the inner surface of the drum 1.
  • the measuring speed is Avoidance of mechanical resonances above 70 rpm, preferably between 80 and 100 rpm of the laundry drum 1.
  • the shape of the distribution ramp is determined by the speed-controlled operation of the asynchronous motor 4 by the inverter 12 certainly.
  • the speed behavior of the asynchronous motor 4 can thereby Inverters 12 can be influenced according to the following method:
  • a voltage-frequency characteristic for the is in a memory, not shown here
  • Asynchronous motor 4 stored, which is supplied to the inverter 12 as a reference variable is, so that the inverter 12 from it the motor voltage U, consisting of the three partial voltages R, S, T, which are out of phase with one another, and the motor speed wins.
  • the actual speed n actual of the asynchronous motor 4 is compared at a summation point 16 with the target speed n target .
  • the control difference obtained from this is fed to the motor controller 7, which uses this to obtain signal variables for the voltage control element 13 and the speed control element 14.
  • the motor current or the motor voltage dropping in the motor windings can also be measured and compared with corresponding target values for the current or the voltage and a corresponding control circuit as reference variables be fed.
  • a slip control, a flow-oriented current control, a control based on the rotating field vector can be provided for the asynchronous motor 4 using mathematical motor models or the like.
  • the voltage and the speed or the rotating field frequency for the asynchronous motor 4 are formed as manipulated variables.
  • the assignment between motor voltage and rotating field frequency is either at Control based on characteristics stored in a memory, or it is determined by a control algorithm such as that shown in FIG. 1 Control loop. Due to the usual design of the engine operation for an optimal Engine utilization and good efficiency with good dynamics at the same time does not meet the requirements for the unbalance detection task. Therefore at Reaching the speed of more than 70 rpm regulating the speed for that Speed actuator 14 or its control turned off, and the fixed value, the Measuring speed corresponds to the speed frequency of the asynchronous motor 4 is maintained.
  • the value for the motor voltage U is reduced according to the following criterion.
  • the load moment caused by the weight of laundry and water drops to approximately one tenth of the torque required in normal washing operation. Therefore, the electric power supplied to the electric motor and, accordingly, the torque of the motor generated therefrom can be considerably reduced.
  • the following relationship applies to the maximum achievable torque m k :
  • the maximum achievable torque in the case of an asynchronous motor, the maximum achievable torque, the so-called overturning moment m k , depends on the square of the motor voltage U, on the square of the magnetic reversal frequency and on a motor-specific constant c 1 .
  • the overturning moment m k occurring in the course of the torque (m) -speed (n) characteristic curve is associated with the overturning slip s k as the relative difference between the stator and rotor rotational frequency.
  • the tilt slip s k is a second motor-specific variable.
  • the limit of the voltage drop results from the maximum torque occurring at the measuring point, ie the breakdown torque m k , must always be greater than the load torque m d by a safety factor for the overload capability. A start-up with the lowered voltage is usually not possible.
  • the rotating field frequency can be increased.
  • the motor voltage U decreases Reaching the application of the laundry on the outer surface of the laundry drum 1 constant held and the rotating field frequency increased until the measuring speed is reached.
  • the Explanation of this possibility follows from the fact that at constant Motor voltage U with increasing magnetic or rotating field frequency inductive reactances of the motor 4 also increase and thus the motor current and thus reduce the engine stall torque.
  • the engine stall torque is reversed proportional to the square of the magnetic reversal frequency.
  • the motor voltage U depending on the grid voltage currently applied to the inverter 12 and of the winding temperature can be made.
  • the winding temperature of the asynchronous motor 4 is determined, for example, by a Detected temperature sensor, which converts them into an electrical signal and via a Signal line feeds the engine controller 7.
  • the controller 7 there is, for example, a table stored with temperature values from which by comparison with that by the sensor measured temperature the motor voltage in the unbalance measuring range accordingly can be corrected. If the load torque after exceeding the landing speed has decreased, the controller 7 reduces the voltage via the voltage manipulated variable 13. On A comparable effect is achieved by increasing the frequency manipulated variable 14.
  • the signals generated by the rotary encoder 6 are preferably pulse-shaped and are in counted a counter contained in the controller 7, the number of the rotary encoder 6 delivered pulse chain is evaluated so that both the respective speed of the Motor shaft as well as the respective position of a fictitious point on the motor shaft is available and thus the speed of the rotor, d. H. the drum 1, available is.
  • the controller 7 Detect unbalance on the rotor.
  • the motor controller 7 can be regulated by him Parameters, in particular the motor voltage U or the motor current I either already lowered or increased before the measurement or only during the measurement.
  • the motor voltage can also have a plurality of parameters, especially the motor voltage U in connection with the winding temperature of the Motors, 4 are taken into account.
  • the position of the unbalance is determined using the Speed curve detected and always tracked by the encoder 6 so that the The position of the unbalance is always available in the motor controller 7. The location of the imbalance to determine the change in the meter reading over a certain Period examined.
  • the detection of the position of the unbalance is necessary for drive systems that have a enable active unbalance compensation.
  • the unbalance counteracting modulation of the angular velocity of the drum the effects the unbalance reduced.
  • a control device can be used be provided, the corresponding parameters such as the speed of the engine, the Motor current, the motor voltage and / or the temperature of the motor windings supplied be so that the control device corresponding to those stored in a memory Characteristic curves that take these parameters into account, the motor voltage accordingly adjusts. It goes without saying that another parameter is selected as the manipulated variable can be.

Abstract

Bei einem durch einen bürstenlosen Elektromotor angetriebenen Rotor, insbesondere einer Wäschtrommel (1) in einer Waschmaschine, in der eine Meßeinrichtung, insbesondere ein Drehgeber (6), die Drehzahl (n) und die Unwucht des Rotors erfaßt, wird nach Überschreiten einer Mindestdrehzahl des Rotors mindestens ein elektrischer Parameter des Elektromotors (4), insbesondere die Motorspannung (U), von seinem für den Betrieb vorgesehenes Maß auf ein für eine Messung vorgesehenes Maß derart verändert, daß sich die Steigung (dn/dm) der Drehzahl (n)-Drehmoment (m)-Kennlinie dem Betrag nach erhöht. Dabei liegt auch während der Messung die Drehzahl (n) des Rotors oberhalb einer vorgegebenen Mindestdrehzahl. Anschließend werden die Unwuchten nach Größe oder nach Größe und Lage gemessen. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Detektion von Unwuchten bei einem durch einen bürstenlosen Elektromotor angetriebenen Rotor, insbesondere bei einer Wäschetrommel in einer Waschmaschine, wobei eine Meßeinrichtung die Drehzahl und die Unwucht des Rotors nach Lage und Größe bestimmt.
Ebenso bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Detektion von Unwuchten.
Aus der EP 0 565 157 A1 ist ein Verfahren zur Detektion und Kompensation einer Unwucht bei einem durch einen Motor angetriebenen Rotor bekannt. Der Rotor ist beispielsweise eine Wäschetrommel in einer Waschmaschine. Es ist eine Einrichtung zur Messung der Unwucht nach Lage und Größe und eine Steuerelektronik zur Steuerung des Motors aufgrund der gemessenen Werte vorhanden, wobei das Drehmoment des Motors zunächst nach Beschleunigung des Rotors auf einen Mindestwert konstant gehalten wird, so daß beim Vorhandensein einer Unwucht eine Drehzahländerung erfolgt, die zur Ermittlung der Lage und Größe der Unwucht ausgewertet wird. Anschließend wird aufgrund der ermittelten Werte bei einer Erhöhung der Drehzahl eine Kompensation der Unwucht durch entsprechende Ansteuerung angestrebt.
Der Mindestwert, auf den der Rotor zunächst beschleunigt wird, ist der Wert, bei dem sich eine rotoreigene Unwucht bemerkbar macht. Bei Trommelwaschmaschinen wird die Trommel zunächst auf einen Wert von etwa 70 U/min oder 80 U/min beschleunigt. Dies ist der Wert, bei dem sich in der Trommel befindliche Wäsche an den Innenwänden anlegt, so daß sich eine durch ungleichmäßige Verteilung der Wäsche bedingte Unwucht bemerkbar macht. Dabei muß der Motorantrieb derart angesteuert werden, daß sich ein konstantes Antriebsmoment ergibt. Durch die Ausgestaltung eines in der Elektronik abgelegten Motorzustandsmodells werden Steuergrößen erzeugt, die ein von der Drehzahl und von der Belastung durch allfälllige Unwuchten unabhängiges Motordrehmoment erzeugen. Die Ermittlung der Werte für die Größe und die Lage der Unwucht erfolgt beispielsweise dadurch, daß eine von einem Drehgeber des Motors gelieferte Pulskette von der Elektronik mit Hilfe eines Pulszählers derart ausgewertet wird, daß im Steuerprogramm für den Motor sowohl die jeweilige Drehzahl der Motorwelle als auch die jeweilige Lage eines fiktiven Punktes auf der Motorwelle verfügbar ist und daß damit die Drehzahl des Rotors und die Lage und Größe einer möglichen Unwucht auf den Rotor erfaßbar sind. Dabei wird bei Drehung der Welle der Pulszähler durch jede Flanke in der Pulskette heraufgesetzt. Es wird jedoch nicht mitgeteilt, auf welche Weise eine genaue Messung der Unwucht erfolgt.
Aus der EP 0 539 617 A1 ist eine Unwuchtüberwachung für einen Waschautomaten bekannt, der einen durch eine Drehzahlerfassungs-Vorrichtung in einer Regelvorrichtung überwachten, drehzahlgeregelten und aus einer Wechselstromquelle gespeisten Elektromotor, insbesondere einen Reihenschluß-Motor, aufrecht. Zur Unwuchtüberwachung ist ein Unwuchtsensor in Form eines bei Erreichen einer unzulässigen Unwucht öffnenden und damit die Verbindung zu der Regelvorrichtung unterbrechenden Mikroschalters in Reihe zu der Drehzahlfassungs-Vorrichtung geschaltet. Gemäß der EP 0275862A1 werden unwuchtbedingte Schwankungen der Stromaufnahme des Trommelantriebs-Motors erfaßt.
Die aus der EP 0 071 308 B1 bekannte Anordnung zur Steuerung der Trommeldrehzahl einer Waschmaschine nutzt unwuchtbedingte Schwankungen der Regelgeschwindigkeit der Waschtrommel und damit des Antriebs-Motors aus, um auf die Unwucht rückzuschließen. Es ist ein Reihenschluß-Motor oder Universal-Motor bekannt, an den ein Tacho-Generator angeschlossen ist. Bei Bestimmung der Drehzahl als Funktion des Drehmoments bei einem derartigen Motor ergibt sich eine hyperbelförmig abfallende Kennlinie, die verhältnismäßig steil ist. Hierbei ist prinzipbedingt mit einer relativ großen Schwankung der Winkelgeschwin-digkeit für eine definierte Unwucht zu rechnen. Die Schwankungen der Winkelgeschwindig-keit werden bei einer bestimmten mittleren Drehzahl über eine Zeit von einigen Sekunden gemessen und gemittelt. Die so ermittelten mittleren Schwankungen der Winkelgeschwin-digkeit werden über eine Tabelle mit als Referenz abgespeicherten Unwucht-Werten zuge-ordnet oder berechnet. Diese Unwucht-Werte werden entsprechend den von der mecha-nischen Stabilität der Waschmaschine zulässigen Werten ausgewertet. Als Ergebnis werden entsprechende Schritte zur Reduzierung der Unwucht durch Neuverteilen der Wäsche, Begrenzung der maximalen Schleuderdrehzahl oder zum Abbruch des Schleudervorgangs eingeleitet.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, das eingangs genannte Verfahren zur Detektion einer Unwucht derart zu verbessern, daß auch bei einem bürstenlosen Motor eine präzise Ermittlung der Unwucht ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird gemäß Patentanspruch 1 dadurch gelöst, daß nach Überschreiten einer Mindestdrehzahl des Rotors ein elektrischer Parameter des Elektromotors von seinem für den Betrieb vorgesehenen Maß auf ein für eine Messung vorgesehenes Maß derart verändert wird, daß sich die Steigung der Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie dem Betrag nach erhöht, wobei auch während der Messung die Drehzahl des Rotors oberhalb einer vorgegebenen Mindestdrehzahl liegt, und daß anschließend die Unwuchten nach Lage und Größe gemessen werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Als besonders vorteilhaft zeigt es sich, wenn als Parameter die Motorspannung ausgewählt wird und während der Messung gesenkt wird.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens läßt sich die Motorspannung derart absenken, daß die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie oberhalb der Mindestdrehzahl, die für den Meßvorgang erforderlich ist, der Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie eines Universalmotors, d. h. eines Serienschlußmotors, gleicher Leistung entspricht.
Gemäß der Erfindung ist es möglich, einen Universalmotor in einem Haushaltsgerät, beispielsweise in einer Waschmaschine, gegen einen bürstenlosen Motor, insbesondere einen Asynchronmotor, auszutauschen. Aufgrund der andersgearteten Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien bürstenloser Antriebsmotoren läßt sich ein bei einem Universalmotor verwendetes Verfahren zur Messung zur Unwuchten nicht unmittelbar auf einen bürstenlosen Motor übertragen. Es sind daher verfahrenstechnische Schritte erforderlich, um bespielsweise eine Anpassung der Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie eines Asynchronmotors an die eines Universalmotors zu erreichen. Nur so ist ein Ersatz des Antriebs mit einem drehzahlgeregelten Universalmotor in Verbindung mit einem Triac- oder Chopper-Steller durch einen Asynchronmotor möglich, der beispielsweise durch einen Wechselrichter mit einer Speisespannung versorgt wird. Dabei ist es erfindungsgemäß nicht erforderlich, daß die Programm-Steuerung, die auf die gemessenen Unwuchtwerte zu reagieren hat, Kenntnis von der Ausführung des Trommel-Antriebs, d. h. des eingesetzten Motors, hat. Die ermittelten Unwucht-Werte sind unabhängig vom Antriebs-System vergleichbar.
Erfindungsgemäß wird somit die bei einem festliegenden, elektrischen Parameter auftretende Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie derart verändert, daß Unwuchten ihrer Lage und Größe nach viel leichter erfaßt werden.
Nachstehend wird die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung nun näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1
ein Prinzip-Schaltbild eines durch einen Umrichter geregelten Asynchronmotors zum Antrieb einer Wäschetrommel und
Fig. 2
ein Drehzahl-Drehmoment-Diagramm des Asynchronmotors gemäß Fig. 1.
Eine Wäschetrommel 1 (Fig. 1) ist ein auf einer Weile waagrecht gelagerter Rotor. Über eine auf der Welle befestigte Riemenscheibe 2 wird sie über einen Keilriemen 3 durch einen Asynchronmotor 4 angetrieben, dessen Antriebswelle ebenfalls eine Riemenscheibe aufweist, über die der Keilriemen 3 läuft. Ein mit der Motorwelle des Asynchronmotors 4 verbundener, beispielsweise auf der Motorwelle angebrachter Drehgeber 6 erzeugt vorzugsweise pulsförmige Signale, die einem Motorregler 7 als Ist-Werte nIst zugeführt werden.
Der Motorregler 7 ist Teil eines Umrichters 8. Der Motorregler 7 ist vorzugsweise Teil eines Mikrocontrollers, in dem ebenso die Funktionen des Motorreglers 7, nämlich die Erzeugung der mit den Bezugszeichen 13 und 14 versehene Erzeugung der Spannung und der Drehfeldfrequenz integriert sind. Der Mikrocontroller enthält zusätzlich den Summationspunkt 16 und den Multiplikationspunkt 17. Auf dem Mikrocontroller ist vorzugsweise auch das Regelungsschema abgespeichert. Der Mikrocontroller enthält vorzugsweise einen Speicher, beispielsweise ein ROM. Der Umrichter 8 umfaßt einen mit der Spannung 9 eines Wechselspannungs-Netzes beaufschlagten Filter 10, der der Netzspannung überlagerte Oberwellen und hochfrequente elektromagnetische Störungen ausfiltert. Dem Filter 10 ist ein Zwischenkreis 11 nachgeordnet, in dem eine hier nicht dargestellte Gleichrichter-Brücke zur Gleichrichtung der Netzspannung 9 dient, wobei der Gleichrichter-Brücke vorzugsweise ein Glättungs-Kondensator nachgeschaltet ist. Die von dem Zwischenkreis 10 erzeugte Gleichspannung dient einerseits zur Spannungsversorgung eines mehrphasigen, elektronischen Kommutators, d. h. eines Wechselrichters 12, die aus der Gleichspannung drei zueinander phasenversetzte Wechselspannungen R, S, T für den Asynchronmotor 4 erzeugt. Der Wechselrichter 12 umfaßt hier ebenfalls nicht dargestellte steuerbare Leistungstransistoren, z.B. IGBT's. Wechselrichter in der vorstehend beschriebenen Art arbeiten überwiegend mit sinusbewerteter Pulsbreitenmodulation nach dem sogenannten Unterschwingungsverfahren, d.h. mittels der höherfrequenten Pulsbreitenmodulationsfrequenz wird eine niedrigere Wechselspannung bzw. 3 phasige Wechselspannung ( Motorspannung ) abgebildet.
Der Wechselrichter 12 wird über den Motorregler 7 geregelt, wobei die Regelung der Drehzahl des Asynchronmotors 4 über in dem Motorregler 7 gebildete Stellgrößen für die Motorspannung bzw. die Drehfeld-Frequenz des Wechselrichters 12 erfolgt, denen in Fig. 1 zur Veranschaulichung die Bezugszeichen 13 und 14 zugeordnet sind. Zur Spannungsversorgung des Motorreglers 7 sowie des Wechselrichters 12 dient ein Netzteil 15, das seinerseits z. B. aus dem Zwischenkreis 11 mit Gleichspannung versorgt wird.
Die Wäschetrommel 1 wird zur Einleitung des Schleudervorgangs zunächst über eine Verteilrampe auf eine Drehzahl beschleunigt, bei der die Wäsche aufgrund der Fliehkräfte auf der inneren Mantelfläche der Wäschetrommel 1 anliegt. Die Meßdrehzahl liegt zur Vermeidung mechanischer Resonanzen oberhalb von 70 U/min, vorzugsweise zwischen 80 und 100 U/min der Wäschetrommel 1. Die Form der Verteilrampe wird durch den durch den Wechselrichter 12 drehzahlgeregelten Betrieb des Asynchronmotors 4 bestimmt. Dabei kann das Drehzahlverhalten des Asynchronmotors 4 durch den Wechselrichter 12 nach dem folgendem Verfahren beeinflußt werden:
In einem hier nicht dargestellten Speicher ist eine Spannungs-Frequenz-Kennlinie für den Asynchronmotor 4 abgelegt, die dem Wechselrichter 12 als Führungsgröße zugeführt wird, so daß der Wechselrichter 12 daraus die Motorspannung U, bestehend aus den drei zueinander phasenversetzten Teilspannungen R, S, T, und die Motordrehzahl gewinnt.
Alternativ wird, wie in Fig. 1 dargestellt, die Ist-Drehzahl nIst des Asynchronmotors 4 an einem Summationspunkt 16 mit der Soll-Drehzahl nSoll verglichen. Die daraus gewonnene Regeldifferenz wird dem Motorregler 7 zugeführt, der daraus Signalgrößen für das Spannungsstellglied 13 und das Drehzahlstellglied 14 gewinnt. Anstelle der Rückführung der Ist-Drehzahl nIst des Asynchronmotors 4 oder zusätzlich zu dieser Rückführung können auch der Motorstrom oder die in den Motorwicklungen abfallende Motorspannung gemessen werden und mit entsprechenden Soll-Werten für den Strom oder die Spannung verglichen werden und einem entsprechenden Regelkreis als Führungsgrößen zugeführt werden. Insbesondere kann eine Schlupf-Regelung, eine flußorientierte Stromregelung, eine am Drehfeldvektor orientierte orientierteRegelung unter Verwendung von mathematischen Motor-Modellen oder dergleichen für den Asynchronmotor 4 vorgesehen werden. In allen Fällen werden die Spannung und die Drehzahl oder die Drehfeldfrequenz für den Asynchronmotor 4 als Stellgrößen gebildet.
Die Zuordnung zwischen Motorspannung und Drehfeldfrequenz ist entweder bei einer Steuerung anhand von in einem Speicher abgelegten Kennlinien fest vorgegeben, oder sie wird durch einen Regelalgorithmus bestimmt wie in dem in Fig. 1 dargestellten Regelkreis. Durch die übliche Auslegung des Motorbetriebs auf eine optimale Motorausnutzung und einen guten Wirkungsgrad bei gleichzeitig guter Dynamik werden die Anforderungen an die Aufgabe der Unwucht-Erfassung nicht erfüllt. Daher wird bei Erreichen der Drehzahl von mehr als 70 U/min die Regelung der Drehzahl für das Drehzahl-Stellglied 14 oder seine Steuerung abgeschaltet, und der feste Wert, der der Meßdrehzahl der Drehzahl-Frequenz des Asynchronmotors 4 entspricht, wird beibehalten.
Der Wert für die Motorspannung U wird nach dem folgenden Kriterium abgesenkt. Im Drehzahlbereich der Unwucht-Messung nach dem Anlegen der Wäsche an der Mantelinnenfläche der Wäschetrommel 1 sinkt das durch das Gewicht von Wäsche und Wasser verursachte Lastmoment auf etwa ein Zehntel des im normalen Waschbetriebs erforderlichen Momentenbedarfs. Deshalb kann die dem Elektromotor zugeführte elektrische Leistung und entsprechend das daraus erzeugte Drehmoment des Motors erheblich verringert werden. Hierfür gilt für das maximal erreichbare Drehmoment m k folgender Zusammenhang:
Figure 00060001
Bei einem Asynchronmotor ist das maximal erreichbare Drehmoment, das sogenannte Kippmoment m k , vom Quadrat der Motorspannung U, vom Quadrat der Ummagnetisierungsfrequenz sowie von einer motorspezifischen Konstanten c1 abhängig. Dem im Verlauf der Drehmoment(m)-Drehzahl(n)-Kennlinie auftretenden Kippmoment m k ist der Kippschlupf sk als die relative Differenz zwischen Ständer- und Läuferdrehfrequenz zugeordnet. Der Kippschlupf sk ist eine zweite motorspezifische Größe. Die Abhängigkeit der Größen c1 und sk von der Ummagnetisierungsfrequenz von Wicklung und Ständer-Läufer-Eisenkreis, der Erwärmung der Wicklung und von Nichtlinearitäten der Magnetisierungskurve bleibt hier unberücksichtigt. Im Arbeitsbereich des Motors ergibt sich eine ebenfalls vom Quadrat der Motorspannung abhängige Steigung der Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie bei konstanter Drehfeldfrequenz (Ständerdrehfrequenz). Zur mathematischen Veranschaulichung dieser Abhängigkeit lassen sich für den hier interessierenden Bereich folgende stark vereinfachte Näherungsgleichungen aufstellen: Dabei besteht der folgende Zusammenhang zwischen der Ummagnetisierungsfrequzenz fu und der Drehfeldfrequenz f mit der Polpaarzahl p des Asynchronmotors 4: f = fu p sowie zwischen dem relativen Drehmoment md / m k sowie dem Betriebsschlupf s und dem Kippschlupf sk: md mk = 2 s/sk +sk/s
Mit der Überlegung, daß der Betriebsschlupf s klein gegenüber dem Kippschlupf sk ist, kann der Term s/sk vernachlässigt werden, und der Schlupf s ergibt sich näherungsweise zu: s ≈ md mk * sk 2
Der Einfluß der Motorspannung U folgt damit aus (1) und (4) zu: s ≈ md *fU 2 c 1*U 2 * sk 2
Mit der Zusammenfassung der motorspezifischen Größen c1 und sk/2 zu einem Faktor c läßt sich (4) vereinfachen zu: s ≈ c * md *fU 2 U 2
Weiterhin ergibt sich die Winkelgeschwindigkeit ω an der Motorwelle mit der Ummagnetisie-rungsfrequenz fu, der Polpaarzahl p des Asynchronmotors 4 und dem Schlupf s zu: ω = fu *2*π p * (1-s)
Wenn (5) in (6) eingesetzt wird, gilt bei konstanter Ummagnetisierungsfrequenz fu: ω ≈ fu *2*π p * (1-c* md *fU 2 U 2 )
Aus Gleichung (8) läßt sich erkennen, daß bei gleichem Lastmoment md durch Reduzierung der Motorspannung U die Winkelgeschwindigkeit ω des Rotors und damit der angetriebenen Waschtrommel 1 ebenfalls abnimmt. Daraus folgt, daß z.B. unwuchtbedingte Lastschwankungen durch Reduzierung der Motorspannung U größere Variationen dieser Winkelgeschwindigkeit ω zur Folge haben.
Entsprechend der Gleichung (8) sind die Zusammenhänge in Fig. 2 als Kurven dargestellt. Hierbei sind die Verhältnisse der Winkelgeschwindigkeitsdifferenzen Δω für zwei Motorspannungen U1, U2 in Abhängigkeit von Drehmomentdifferenzen Δm im Betrieb ohne Drehzahlregelung aufgezeigt, wobei für den Zusammenhang zwischen der Winkelgeschwindigkeit ω und der Drehzahl pro Minute n gilt: n = 602*π * ω
Dabei zeigt sich, daß bei derselben Drehmomentdifferenz Δm die Differenz der Winkelgeschwindigkeiten Δω2 bei der Spannung U2 viel größer ist als die Differenz der Winkelgeschwindigkeiten Δω1 bei der Spannung U1.
Die Grenze der Spannungsabsenkung ergibt sich durch das maximal im Meßpunkt auftretende Moment, d.h. das Kippmoment mk, muß stets um einen Sicherheitsfaktor für die Überlastbarkeit größer sein als das Lastmoment md. Ein Hochlauf mit der abgesenkten Spannung ist in der Regel nicht möglich.
Weiterhin ist aus (7) und aus Fig. 2 zu erkennen, daß durch Absenkung der Motorspannung U von der Spannung U1 auf die Spannung U2 die mittlere Drehzahl oder Winkelgeschwindigkeit ω abnimmt. Um eine bestimmte Winkelgeschwindigkeit ω während der Unwuchtmessung zu erreichen, muß, bevor die Regelung abgeschaltet und die Motorspannung U abgesenkt wird, vorher eine entsprechend höhere Winkelgeschwindigkeit ω erreicht worden sein.
Durch die Vorgabe der Motorspannung zur Anpassung der Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie des Motors läßt sich die Auflösung der Unwuchterfassung im Vergleich zum Meßfehler erheblich verbessern. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, führen nämlich die gleichen Drehmomentschwankungen oder -veränderungen bei der niedrigeren Spannung U2 zu einer Änderung der Winkelgeschwindigkeit Δω2, die viel größer ist als die Änderung der Winkelgeschwindigkeit Δω1 bei der Spannung U1; d. h. Unwuchten, die derartige Drehmomentschwankungen verursachen, lassen sich bei der niedrigeren Spannung U2 viel besser, d. h. mit viel höherer Auflösung, messen als bei der Spannung U1.
Als alternative Möglichkeit kann anstelle der beschriebenen Verringerung der Motor-spannung U die Drehfeldfrequenz erhöht werden. Hierbei wird die Motorspannung U ab Erreichen des Anlegens der Wäsche an der Mantelfläche der Wäschetrommel 1 konstant gehalten und die Drehfeldfrequenz so erhöht, bis die Meßdrehzahl erreicht wird. Die Erklärung dieser Möglichkeit folgt aus der Tatsache, daß sich bei konstanter Motorspannung U mit Zunahme derUmmagnetisierungs- bzw. Drehfeldfrequenz die induktiven Blindwiderstände des Motors 4 ebenfalls erhöhen und somit den Motorstrom und damit das Motorkippmoment veringern. Das Motorkippmoment ist hierbei umgekehrt proportional zum Quadrat der Ummagnetisierungsfrequenz.
Diese Möglichkeiten können nun ausgenutzt werden, um den Antrieb im Meßbereich der Unwucht so anzupassen, daß vergleichbare Verhältnisse bezüglich der Kennlinie des Universalmotors eingestellt werden können.
Um die Reproduzierbarkeit zu erhöhen, kann die einzustellende Motorspannung U abhängig von der momentan an dem Wechselrichter 12 anliegenden Netzspannung und von der Wicklungstemperatur gemacht werden kann.
Die Wicklungstemperatur des Asynchronmotors 4 wird beispielsweise durch einen Temperatursensor erfaßt, der sie in ein elektrisches Signal umformt und über eine Signalleitung dem Motorregler 7 zuführt. In dem Regler 7 ist beispielsweise eine Tabelle mit Temperaturwerten abgelegt, aus der durch Vergleich mit der durch den Sensor gemessenen Temperatur die Motorspannung im Unwuchtmeßbereich entsprechend korrigiert werden kann. Wenn das Lastmoment nach Überschreiten der Anlegedrehzahl gesunken ist, reduziert der Regler 7 die Spannung über die Spannungsstellgröße 13. Ein vergleichbarer Effekt wird durch Vergrößern der Frequenzstellgröße 14 erreicht.
Die von dem Drehgeber 6 erzeugten Signale sind vorzugsweise pulsförmig und werden in einem in dem Regler 7 enthaltenen Zähler gezählt, wobei die von dem Drehgeber 6 gelieferte Pulskette derart ausgewertet wird, daß sowohl die jeweilige Drehzahl der Motorwelle als auch die jeweilige Lage eines fiktiven Punktes auf der Motorwelle verfügbar ist und damit die Drehzahl des Rotors, d. h. der Wäschetrommel 1, verfügbar ist. Somit lassen sich durch den Regler 7 auch die Lage und Größe einer möglichen Unwucht auf dem Rotor erfassen.
Es kann vorgesehen werden, daß der Motorregler 7 den von ihm zu regelnden Parameter, insbesondere die Motorspannung U oder den Motorstrom I entweder bereits vor der Messung absenkt bzw. erhöht oder erst während der Messung. Anstelle eines einzigen Parameters wie der Motorspannung kann auch eine Mehrzahl von Parametern, insbesondere die Motorspannung U in Verbindung mit der Wicklungstemperatur des Motors, 4 berücksichtigt werden. Dabei werden Differenzen zwischen der maximalen und minimalen Winkelgeschwindigkeit der Wäschetrommel 1 zur Bemessung der Größe der Unwucht herangezogen. Außerdem wird die Lage der Unwucht mit Hilfe des Drehzahlverlaufs detektiert und durch den Drehgeber 6 stets so nachgeführt, daß die Lage der Unwucht jederzeit in dem Motorregler 7 verfügbar ist. Um die Lage der Unwucht nachzubestimmen, wird die Änderung des Zählerstandes über einen bestimmten Zeitabschnitt untersucht. Die Änderung des Zählerstandes je Zeitabschnitt, dividiert durch die Anzahl der möglichen Pulse je Rotordrehung, entspricht der Änderung der Lage eines fiktiven Punktes auf dem Rotor, woraus sich, wenn diese von dem mittleren Wert abweicht, eine Unwucht ergibt. Hierzu ist bei einem indirekten Antrieb, bei dem der Motor, wie in Fig. 1 dargestellt, die Wäschetrommel 1 über einen Antriebsriemen 3 antreibt, das mechanische Übersetzungsverhältnis zu berücksichtigen.
Die Erfassung der Lage der Unwucht ist bei Antriebssystemen erforderlich, die einen aktiven Unwuchtausgleich ermöglichen. Hierbei wird z.B. durch eine der Unwucht entgegenwirkende Modulation der Winkelgeschwindigkeit der Trommel die Auswirkungen der Unwucht veringert.
Wenn eine Unwucht festgestellt worden ist, können entsprechende Maßnahmen getroffen werden, um sie zu reduzieren, bespielsweise durch Neuverteilen der Wäsche, durch Begrenzung der maximalen Schleuderdrehzahl oder durch den Abbruch des Schleudervorgangs. Alternativ zu dem Motorregler 7 kann eine Steuereinrichtung vorgesehen sein, der die entsprechenden Parameter wie die Drehzahl des Motors, der Motorstrom, die Motorspannung und/oder die Temperatur der Motorwicklungen zugeführt werden, so daß die Steuereinrichtung entsprechend den in einem Speicher abgelegten Kennlinien, die diese Parameter berücksichtigen, die Motorspannung entsprechend nachstellt. Es versteht sich, daß auch ein anderer Parameter als Stellgröße gewählt werden kann.
Zwischen dem Zwischenkreis 11 und dem Motorregler 7 ist eine elektrische Verbindung 18 vorhanden, über die der Motorregler die Spannung des Zwischenkreises 11 überwacht, so daß insbesondere beim Abbremsen des Asynchronmotors 4 und der damit einhergehenden Spannungsrückführung in den Zwischenkreis 11, diese eine bestimmte vorgegebene Höhe nicht überschreitet; andererseits kann, wenn die Spannung in dem Zwischenkreis 11 aufgrund der Netzversorgung eine von der Sollspannung abweichende Spannung aufweist, diese durch entsprechende Ansteuerung des Wechselrichters 12 durch den Motorregler 7 durch Veränderung der Pulsbreiten der Spannungen R, S, T ausgeglichen werden.

Claims (18)

  1. Verfahren zur Detektion von Unwuchten bei einem durch einen bürstenlosen Elektromotor (4) angetriebenen Rotor, insbesondere einer Wäschetrommel in einer Waschmaschine, wobei eine Meßeinrichtung die Drehzahl (n) und die Unwucht des Rotors nach Größe oder nach Größe und Lage bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß nach Überschreiten einer Mindestdrehzahl des Rotors mindestens ein elektrischer Parameter des Elektromotors (4) von seinem für den Betrieb vorgesehenen Maß auf ein für eine Messung vorgesehenes Maß derart verändert wird, daß sich die Steigung (dn/dm) der Drehzahl (n)-Drehmoment (m)-Kennlinie dem Betrag nach erhöht, wobei auch während der Messung die Drehzahl (n) des Rotors oberhalb einer vorgegebenen Mindestdrehzahl (nM) liegt, und daß anschließend die Unwuchten nach Lage und Größe gemessen werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Parameter die Motorspannung (U) ausgewählt wird, die vor oder während der Messung abgesenkt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Parameter die Drehfeldfrequenz des Motors ausgewählt wird, die vor oder während der Messung erhöht wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Genauigkeit des Meßverfahrens zusätzlich als weiterer Parameter die Spannung des Zwischenkreises (11) und/oder die Temperatur von Motorwicklungen des Elektromotors (4) ausgewählt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Parameter derart verändert wird, daß die Drehzahl (n)-Drehmoment (m)-Kennlinie oberhälb der Mindestdrehzahl (nM) des Elektromotors, insbesondere des Asynchronmotors (4), der Drehzahl (n)-Drehmoment (m)-Kennlinie eines Universalmotors gleicher Leistung entspricht.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Istdrehzahl (nIst) des Elektromotors (4) durch einen Drehgeber (6) als aktuelle Winkelgeschwindigkeit (ω) gemessen wird und einem Regelkreis (7, 13, 14, 12) zur Regelung der Motorspannung (U) zugeführt wird und daß der Regelkreis nach Überschreiten der Mindestdrehzahl (nM) die Motorspannung (U) absenkt oder einen anderen Parameter des Elektromotors (4) derart verändert, daß sein abgebbares Drehmoment sinkt.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Motorstrom, insbesondere in Verbindung mit einer Messung der Istdrehzahl (nIst) des Elektromotors (4), gemessen wird und als Regelgröße dient.
  8. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlupf (s) des Elektromotors (4), der Motorstrom, insbesondere in Abhängigkeit vom magnetischen Fluß, oder das Drehfeld der Spannungen (R, S, T) oder der zugehörigen Ströme des Elektromotors (4), insbesondere anhand eines mathematischen Motormodells, geregelt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Regler (7) in dem Regelkreis (7, 13, 14, 12) Signalgrößen zur Stellung der Motorspannung und/oder der Drehfeldfrequenz erzeugt, die ihrerseits Stellgrößen für einen Wechselrichter (12) des Elektromotors (4) sind.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellsignal zur Stellung der Motorspannung und das Stellsignal für die Drehfeldfrequenz zur Erzeugung der Drehzahl einem Multiplikationspunkt (17) zugeführt und von diesem dem Wechselrichter (12) zugeführt werden.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Istdrehzahl (nIst) des Elektromotors (4) durch einen Drehgeber (6) als aktuelle Winkelgeschwindigkeit (ω) gemessen wird und einer Steuereinrichtung zur Steuerung der Motorspannnung (U) zugeführt wird, in der anhand von gespeicherten Kennlinien Stellgrößen für die Motorspannung und die Motordrehzahl zur Steuerung des Wechselrichters (12) erzeugt werden.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb der Mindestdrehzahl (nM) die Steuerung oder Regelung der Drehzahl des Elektromotors (4) abgestellt wird und die erreichte Drehzahl des Elektromotors (4) als Meßdrehzahl verwendet wird und daß dann die Steigung (dn/dm) der Drehmoment(m)-Drehzahl(n)-Kennlinie dem Betrag nach erhöht wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Mindestdrehzahl (nM) die Drehzahl (n) gewählt wird, bei der sich die Wäsche an der inneren Mantelfläche der Wäschetrommel (1) anlegt.
  14. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (4) anhand der gemessenen Istdrehzahl (nIst) über einen Motorregler (7) durch eine Spannungsstellgröße und eine Drehzahlstellgröße regelbar oder über eine Steuerschaltung steuerbar ist.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsstellgröße und die Drehzahlstellgröße über einen Wechselrichter (12) dem Elektromotor (4) zuführbar sind.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß dem Wechselrichter (12) aus einem Zwischenkreis (11) gespeiste Spannungasignale zuführbar sind und daß diese in dem Wechselrichter (12) entsprechend den Werten der Spannungsstellgröße und der Drehzahlstellgröße veränderbar sind.
  17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß dem Zwischenkreis (11) ein Filter (10) zur Ausfilterung hochfrequenter elektromagnetischer Störungen vorgeschaltet ist.
  18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Motorregler (7) und der Wechselrichter (12) durch ein Netzteil (15) gemeinsam mit Spannung versorgbar sind.
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