JP2008264329A - 洗濯機 - Google Patents

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Hajime Nojima
元 野嶋
Eiji Hiwaki
英治 檜脇
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Abstract

【課題】ドラム回転軸の摩擦トルクのバラツキの影響を抑制し、簡単な構成で精度よくドラム内の布量を検知する。
【解決手段】ドラム3を回転駆動するモータ7と、モータに通電される電流量を検知する電流量検知手段35と、モータの回転数を検知する回転数検知部33と、回転数検知部の検知出力に基づきモータの回転を制御する制御部31とを備える。制御部は、モータにより所定の加速度α1でドラムの回転を加速して所定の時間t1からt2まで時間における加速時電流Iaを測定する第1の検知工程と、第1の検知工程の後に、モータにより所定の加速度α2でドラムの回転を減速して所定の時間t3からt4における減速時電流Ibを測定する第2の検知工程を有し、加速時電流Iaと減速時電流Ibの値に基づき布量を検知するようにしたものである。
【選択図】図1

Description

本発明は、ドラムに投入された洗濯物の量である布量を検知するための布量センサを有する洗濯機に関する。
ドラム式洗濯機の構造の一例を図8に示す。この洗濯機本体1内には、図示しないサスペンション構造によって水槽2が宙吊り状態に支持されている。水槽2内には、有底円筒形に形成されたドラム3が、その軸心方向を正面側から背面側に向けて下向きに傾斜させて支持されている。水槽2の正面側にはドラム3の開口端に通じる衣類出入口4が形成され、洗濯機本体1の正面側の上向き傾斜面に設けられた開口部を開閉可能に閉じる扉5を開くことにより、衣類出入口4を通じてドラム3内に対して洗濯物を出し入れすることができる。
ドラム3には、その周面に水槽2内に通じる多数の透孔6が形成され、内周面の複数位置に攪拌突起(図示せず)が設けられている。このドラム3は、水槽2の背面側に取り付けられたモータ7によって正転及び逆転方向に回転駆動される。また、水槽2には、注水管路8及び排水管路9が配管接続され、図示しない注水弁及び排水弁の制御によって水槽2内への注水および排水がなされる。
扉5を開きドラム3内に洗濯物及び洗剤を投入して、洗濯機本体1の例えば前面上部に設けられた操作パネル10での操作により運転を開始させると、水槽2内には注水管路8から所定量の注水がなされ、モータ7によりドラム3が回転駆動されて洗濯工程が開始される。ドラム3の回転により、ドラム3内に収容された洗濯物はドラム3の内周壁に設けられた攪拌突起によって回転方向に持ち上げられ、持ち上げられた適当な高さ位置から落下する攪拌動作が繰り返されるので、洗濯物には叩き洗いの作用が及んで洗濯がなされる。
所要の洗濯時間の後、汚れた洗濯液は排水管路9から排出され、ドラム3を高速回転させる脱水動作により洗濯物に含まれた洗濯液を脱水し、その後、水槽2内に注水管路8から注水してすすぎ工程が実施される。このすすぎ工程においてもドラム3内に収容された洗濯物はドラム3の回転により攪拌突起により持ち上げられて落下する攪拌動作が繰り返されてすすぎ洗いが実施される。
このドラム式洗濯機には、ドラム3内に収容した洗濯物を乾燥する機能が設けられ、循環送風経路11により、水槽2内の空気を排気して除湿し、加熱して乾燥させた空気を再び水槽2内に送風する。この循環送風経路11の途中には蒸発器などの除湿手段、凝縮器などの加熱手段及び送風手段である送風ファン12が設けられている。この循環送風経路11を利用した乾燥工程では、循環送風経路11を循環される空気中に主として衣類などの洗濯物から発生する糸くずなどの異物が混じって循環し、蒸発器や凝縮器の目詰まり、送風ファン12の回転部への噛み込み、送風ファン12の内面への堆積といった乾燥工程を実施するのに支障を来し易いので、循環送風経路11の途中に、循環空気中の異物を除去するフィルタ13が設けられている。また、モータ7の回転を検知するための回転検知部14が設けられている。
以上のような構成のドラム式洗濯機においては、ドラム3に投入された衣類等洗濯物の布量を検出し、布量に応じて洗濯時間等を決定している。特許文献1に開示された、布量を検出する方法の一例について、図9を参照して、以下に説明する。
布量の検出は、ドラム3を回転駆動するためのモータ7を制御する機能を有する制御回路(図示せず)により行われる。
洗濯を開始すると、まず、制御回路は、モータ7を始動し、回転検知部14からは検知出力が入力される。回転検知部14の検出周波数は、モータ7の回転によりリニアに変化する。制御回路は、回転検知部14からの入力周波数が小さいときは、位相制御の手段によりモータ7の電源電圧の平均電圧を大きくし、また、周波数が大きくなると平均電圧を小さくする。
布量検知工程では、回転制御を行ないながら、制御回路内部で徐々にモータ7に印加する平均電圧を上昇させて高速回転に移行し、衣類がドラム3の内壁に遠心力により均一に貼り付くようにする。その状態で、所定時間回転を持続した後、モータ7の通電を停止する。それにより、ドラム3の惰性回転が、逆にモータ7を回転させる状態になる。
このとき回転検知部14は、図9に示すように、ドラム3の惰性回転力が摩擦トルクによりしだいに低下して停止する様子を分回転数に変換して出力する。図9における横軸は時間、縦軸は駆動電動機(モータ)の分回転数を示す。通電停止からドラム3の停止までの時間は、布量が多いときは長く、布量が少ないときは短い。この停止に要する時間の違いが布量に比例することを利用して布量を検知する。
ここで布の重量をm、ドラム3の内周に分布する布の平均半径をr、ドラム3やモータ7の慣性モーメントをJdとすると、布の慣性モーメントJは式(1)で求められる。
J=Jd+mr (1)
また、モータ7の発生トルクをT、ドラム回転軸などが有する摩擦トルクをTb、ドラム3の角加速度をαとおくと、これらの関係は式(2)で表される。
T=Jα+Tb (2)
角加速度αは角速度ωと時間tの関数として式(3)で表されるから、式(4)のように、布の平均半径rが一定であれば、布の重量mに応じて、回転数すなわち角速度ωが変化する。
α=dω/dt (3)
dω/dt=(T−Tb)/(Jd+mr) (4)
つまり、モータ7の通電を停止ししてドラム3を惰性回転させ、ドラム3が停止するまでのある時間区間における回転数の変化を測定することによって、布量を知ることができる。
特開平5−168786号公報
上記従来の布量検知方法を用いる場合には、ドラムの惰性回転力が摩擦トルクによりしだいに低下して、ドラムが停止するまでの時間と布量の比例関係を、予め実験により求めておくことになる。そして求めた測定値を、同一機種の全ての洗濯機に適用することになる。しかしながら、式(4)から分かるように、ドラム回転軸の摩擦トルクのバラツキの影響により、ドラムが停止するまでの時間と布量の比例関係は一定ではなく、洗濯機によって相違する。そのため、上記従来の布量検知方法の検知精度には限界があった。
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、ドラムに投入された布量を、ドラム回転軸の摩擦トルクのバラツキの影響を抑制して、簡単な構成で精度よく検知可能な布量検知手段を有する洗濯機を提供することを目的とする。
前記従来の課題を解決するために、本発明の洗濯機は、モータに加速トルクを発生させることでドラムの回転を加速し、所定の時間t1からt2まで時間が経過する間において、前記ドラムの加速時角加速度α1を一定とするようにモータトルクを制御して前記モータに通電される加速時電流Iaを測定する第1の検知工程と、第1の検知工程の後に、前記ドラムの回転を減速し、所定の時間t3からt4まで時間が経過する間において、前記ドラムの減速時角加速度α2を一定とするようにモータトルクを制御して前記モータに通電される減速時電流Ibを計測する第2の検知工程を有し、前記加速時電流Iaと前記減速時電流Ibに基づき布量を検知するようにしたものである。
これによって、ドラムの回転の上昇時および降下時の電流の双方を用いて布量を測定するため、ドラム回転軸の摩擦トルクのバラツキが相殺され、そのバラツキの影響を抑制することが可能であり、簡単な構成で精度よく布量を検知することができる。
本発明の洗濯機は、ドラムの回転の上昇時および降下時の電流の双方を用いて布量を測定するため、ドラム回転軸の摩擦トルクのバラツキが相殺され、そのバラツキの影響を抑制することが可能であり、簡単な構成で精度よく布量を検知することができる。
第1の発明は、水平方向または傾斜方向に回転中心軸を有し、洗濯物を収容して回転運動を行うドラムと、前記ドラムを回転自在に内包し洗濯機本体内に弾性的に支持された水槽と、前記ドラムを回転駆動するモータと、前記モータに通電される電流量を検知する電流量検知手段と、前記モータの回転数を検知する回転数検知部と、前記回転数検知部の検知出力に基づき前記モータの回転を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記モータに加速トルクを発生させることで前記ドラムの回転を加速し、所定の時間t1からt2まで時間が経過する間において、前記ドラムの加速時角加速度α1を一定とするようにモータトルクを制御して前記モータに通電される加速時電流Iaを測定する第1の検知工程と、第1の検知工程の後に、前記ドラムの回転を減速し、所定の時間t3からt4まで時間が経過する間において、前記ドラムの減速時角加速度α2を一定とするようにモータトルクを制御して前記モータに通電される減速時電流Ibを計測する第2の検知工程を有し、前記加速時電流Iaと前記減速時電流Ibに基づき布量を検知することにより、ドラムの回転の上昇時および降下時の電流の双方を用いて布量を測定するため、ドラム回転軸の摩擦トルクのバラツキが相殺され、そのバラツキの影響を抑制することが可能であり、簡単な構成で精度よく布量を検知することができる。
第2の発明は、特に、第1の発明において、少なくとも、第1の検知工程および第2の検知工程中においては、モータに通電されるq軸電流の増減によってモータトルクを制御して、ドラムの加速時角加速度α1およびドラムの減速時角加速度α2をそれぞれ所定値で一定となるように制御することにより、モータにおけるトルクの主成分であるマグネットトルクに関係するq軸電流を制御することで、前記加速トルクおよび前記減速トルクをきめ細かく制御できるため、精度良く布量を検知することが可能となる。
第3の発明は、特に、第2の発明において、少なくとも、第1の検知工程および第2の検知工程中においては、モータに通電されるd軸電流がほぼゼロとなるようにしたことにより、モータにおける発生トルクがマグネットトルクのみとなることから、q軸電流だけで前記加速トルクおよび前記減速トルクが制御されて、制御を行いやすくなることから、精度良く布量を検知することが可能となる。
第4の発明は、特に、第1〜第3のいずれか1つの発明において、制御部は、前記モータに通電される加速時電流Iaからモータトルクを推定するモータトルク推定手段を有し、ドラムの回転を加速している間の所定の回転数区間において、前記モータトルクの最大値Tmaxと最小値Tminを推定し、TmaxとTminの差が所定値以上である場合は、前記ドラムの回転駆動を停止することにより、布の前記ドラム内における分布が不均一となって、前記ドラムの振動が所定の値よりも大きくなった場合であっても、安全に前記ドラムを停止することができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、下記に開示される実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の技術的範囲は、実施の形態で開示された内容ではなく、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれると解されるべきである。
(実施の形態1)
本発明の実施の形態1におけるドラム式洗濯機の概略構造は、図8に示した従来例のものと同様である。本実施の形態におけるドラム式洗濯機の動作を制御する制御装置は、図1に示すような概略構成を有する。
図1に示す制御装置においては、商用電源20の交流電力を整流器21より整流し、チョークコイル22及び平滑コンデンサ23からなる平滑回路により平滑化された直流電力を駆動電力として、インバータ回路24によりモータ7を回転駆動する。また、入力設定部25から入力される運転指示、及び各検知手段(図示せず)により検知される運転状態の監視情報に基づいてモータ7の回転を制御し、負荷駆動部26により給水弁27、排水弁28、送風ファン12、ヒータ29の動作を制御する。
モータ7は、3相巻線7a、7b、7cを有するステータと、2極の永久磁石を有するロータとを備え、3つの位置検出素子30a、30b、30cを設けた直流ブラシレスモータとして構成され、スイッチング素子24a〜24fにより構成されたPWM制御インバータ回路24により回転制御される。位置検出素子30a、30b、30cが検出するロータ位置検出信号は、マイコンにより構成された制御部31に入力される。このロータ位置検出信号に基づいて、駆動回路32によりスイッチング素子24a〜24fのオン/オフ状態をPWM制御することにより、ステータの3相巻線7a、7b、7cに対する通電を制御してロータを所要回転数で回転させる。
制御部31は、3つの位置検出素子30a、30b、30cの検出出力が入力される回転数検知部33を有する。回転数検知部33は、3つの位置検出素子30a、30b、30cのいずれかの信号の状態が変わるたびにその周期を検出し、その周期よりロータの回転数を算出する。回転数検知部33の検知出力は布量検知部34に供給され、検出された回転数に基づき、以下に説明するように布量が検知される。なお、回転数検知部33の検知出力はドラム3の回転数に対応するので、以下の説明においてドラム3の回転数は、回転数検知部33の検知出力により得られるものである。電流量検知手段35は、モータへ通電される電流量を検知する。
本実施の形態における布量検知方法の特徴について、図2を参照して説明する。図2は、ドラム3の回転数上昇に要する時間、および回転数降下に要する時間との関係を示す。横軸は布量検知開始からの経過時間、縦軸は回転数である。布量検知を開始すると、所定の時間経過あるいは回転数到達後に、モータ7によって所定の加速度α1でドラム3の回転が加速するような加速トルクT1を発生させ、時間t1からt2の間にΔN1だけ回転数を上昇させる第1の検知工程が行われる。この時、電流量検知手段35により、モータ7に通電される電流を検知し、必要に応じて平均化処理等を行い加速時電流Iaを検知する。この第1の検知工程が終了した後に、ドラム3の回転数を加速から減速に転じさせた上で、モータ7によって所定の加速度α2でドラム3の回転が減速するような減速トルクT2を発生させ、時間t3からt4の間にΔN2だけ回転数を降下させる第2の検知工程が行われる。この時、電流量検知手段35により、モータ7に通電される電流を検知し、必要に応じて平均化処理等を行い減速時電流Ibを検知する。
ここで、第1の検知工程の動作状態について考察する。
式(3)から、第1の検知工程における角加速度α1は式(5)で表される。
α1=ΔN1/(t2−t1) (5)
また、式(3)より、式(6)が成立する。
T1=α1(Jd+mr)+Tb (6)
同様に、第2の検知工程について考察すると、第2の検知工程における角加速度をα2と置いた場合に、式(7)、式(8)となる。
α2=ΔN2/(t4−t3) (7)
T2=α2(Jd+mr)+Tb (8)
式(6)および式(8)から、摩擦トルクTbの成分を消去すると、式(9)となる。
T1―T2=(α1−α2)(Jd+mr) (9)
式(9)は、布のドラム内周における平均半径r、加速時の加速度α1、減速時の加速度α2がある一定の値である場合に、図3に示すように、布の重量mに応じて(T1−T2)が変化することを示している。
ここで、T1とT2は、IaとIbから求められる(後述)ため、ドラム3へ通電される電流量を測ることによって容易に得ることが可能である。したがって、布の重量mと角加速度の変化(T1−T2)の関係のみ把握し、図1の布量検知部34にテーブルなどとして保存しておくだけで、摩擦トルクTbの変化に関係無く、容易に精度良く、布量を検知することができることが分かる。
図4は、本実施の形態における布量検知方法を示すフローチャートである。布量検知がスタートすると(ステップS1)、制御部31は、モータ7を駆動して、所定の加速度α1によりドラム3の回転数を上昇させて、回転数がΔN1だけ上昇した所定の回転数Bに到達させるように制御する(ステップS2)。ドラム3が回転数Bに到達した時点で(ステップS3)、所定の時間t1からt2までの加速時電流Iaを算出する(ステップS4)。
次に所定の加速度α2にてモータ7の回転数の降下を開始させる(ステップS5)。ドラム3が所定の回転数CからΔN2だけ回転数が降下した所定の回転数Dに到達した時点で(ステップS6)、所定の時間t3からt4までの減速時電流Ibを算出する(ステップS7)。次にIa、Ib、からT1、T2を求めてモータトルクの差T1−T2を求め(ステップS8)、予め測定しておいた判定値Sと布量の関係から、式(9)に基づいて布量を求める(ステップS9)。
このような制御は、モータ7に印加する電圧を制御することでも実現可能ではあるが、一般的に、図5に示すような、ベクトル制御によってモータトルク制御を行うことが知られている。
図5の制御ブロックにおいて、モータ7に通電される電流のうち、すくなくとも2相の電流と、ホールICなどによって得られるモータの回転位置信号を検知する。これらの信号を用いて、モータ7の電流を、トルク成分であるIqと磁束成分であるIdという直交する2つの電流に換算する。その後、換算されたIqおよびIdと、指令されているIqおよびIdを比較したうえで、適切な制御ゲインP、Iなどを用いることによって、モータ7のIq、Idを制御することができる。
ここで、モータ7のトルクTは式(10)で表されることから、IqとIdを制御すれば、モータ7のトルクTを制御可能である。
T=P(ψa・Iq+(Ld−Lq)IqId) (10)
なお、Pはモータ7の極対数、ψaは磁石による鎖交磁束、Ldはd軸インダクタンス、Lqはq軸インダクタンスを示す。
特に、式(10)におけるψa・Iqはマグネットトルクを表しており、モータが発生するトルクの主成分である。したがって、モータ7のトルクはIqによって主体的に制御することが可能である。また、Idがゼロではない場合、回転状態によってLdやLqが変化すると、トルクTの変動、あるいは布量の計算を行う時にトルクTを演算する場合に誤差を生じやすくなる。つまり、IqとIdを一定に制御してもトルクTが一定にならない場合が存在することから、Idをゼロとし、Iqを一定に制御してモータ7のトルクを一定に制御することによって、布量の計算誤差を小さくすることが望ましい。
Id=ゼロという制御が実現した場合、例えば電流量検知手段35により加速時電流Iaとして図5のiuを検知していたとすると、IqとIaの関係は式(11)のようになる。
Iq=√3 ・ Ia (11)
式(11)と式(10)により、加速時のトルクT1は、式(12)の様に表すことができ、IaからT1を求めることが可能となる。
T=Pψa・√3・Ia (12)
(実施の形態2)
本発明の実施の形態2における洗濯機について、図6と図7を参照して説明する。本実施の形態における洗濯機の構成、布量検知方法は、基本的には、実施の形態1に記載のものと同様である。本実施の形態における相違点は、図6に示した制御装置において、制御部は31は、電流量検出手段35により検出された電流量に基づきモータトルクを推定するモータトルク推定手段36を備えており、布量を検知するためにドラム3の回転数を上昇させる際に、回転数の上昇に伴うモータトルクの変化に応じて、ドラム3の回転を駆動を停止させる制御を設けた点である。
図7(a)は、ドラム3の回転数が時間とともに上昇する様子を示す。横軸は、モータ7を駆動して、所定の加速度によりドラム3の回転数を上昇させたときの経過時間、縦軸はモータトルクである。図示のとおり、モータトルクは一定の値を示すのではなく、上下動を繰り返しながら推移する。これは、ドラム3内に収容された洗濯物のバランスの影響で、洗濯槽が振動することに起因する。振動が大きくなり過ぎると、洗濯槽が洗濯機本体に衝突して異常音を発することになる。
本実施の形態では、そのような事態の発生を回避するための制御を行う。すなわち、ドラム3の回転を加速している途中における、所定回転角区間におけるモータトルクについて、最大値Tmaxと最小値Tminの差を検知する。その差が所定値以上である場合は、ドラム3の回転を停止するように制御する。TmaxとTminとしては、例えばドラム3の1回転毎にモータトルクを微少時間毎に断続的に測定し、その最大値と最小値を求める。
例えば図7(b)に示すように、ドラム3の回転数に対応させて、TmaxとTminの差の上限値を実験に基づいて設定し、制御部31にテーブルとして備えておく。図7(b)に示すようなTmaxとTminの差の上限値は、ドラム3の各回転数における、実験的に求めた振動の許容範囲に基づいて設定すればよい。
このように、ドラム3の所定回転角区間におけるTmaxとTminの差が上限値を超えないように制御することにより、洗濯物のバランスが悪いことに起因して、洗濯槽が大きく振動し洗濯機本体に衝突するような事態を回避することができる。
以上のように、本発明の洗濯機は、ドラムに投入された布量を、簡単な構成で精度よく検知して、良好な脱水工程を行うことが可能であり、家庭用、業務用の洗濯機に有用である。
本発明の実施の形態1における洗濯機の制御装置を示す回路図 同洗濯機に用いられる布量検知の動作を示す図 同洗濯機の布量検知の布量と加速度差を示す図 同洗濯機の布量検知方法を示すフローチャート 同洗濯機の布量検知におけるベクトル制御ブロック図 本発明の実施の形態2における洗濯機の制御装置を示す回路図 (a)(b)同洗濯機の制御方法を示す図 ドラム式洗濯機の概略構成を示す断面図 従来のドラム式洗濯機の布量検知方法を示す図
符号の説明
1 洗濯機本体
2 水槽
3 ドラム
4 衣類出入口
5 扉
6 透孔
7 モータ
7a、7b、7c 3相巻線
8 注水管路
9 排水管路
10 操作パネル
11 循環送風経路
12 送風ファン
13 フィルタ
14 回転検知部
20 商用電源
21 整流器
22 チョークコイル
23 平滑コンデンサ
24 インバータ回路
24a〜24f スイッチング素子
25 入力設定部
26 負荷駆動部
27 給水弁
28 排水弁
29 ヒータ
30a、30b、30c 位置検出素子
31 制御部
32 駆動回路
33 回転数検知部
34 布量検知部
35 電流量検知手段
36 モータトルク推定手段

Claims (4)

  1. 水平方向または傾斜方向に回転中心軸を有し、洗濯物を収容して回転運動を行うドラムと、前記ドラムを回転自在に内包し洗濯機本体内に弾性的に支持された水槽と、前記ドラムを回転駆動するモータと、前記モータに通電される電流量を検知する電流量検知手段と、前記モータの回転数を検知する回転数検知部と、前記回転数検知部の検知出力に基づき前記モータの回転を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記モータに加速トルクを発生させることで前記ドラムの回転を加速し、所定の時間t1からt2まで時間が経過する間において、前記ドラムの加速時角加速度α1を一定とするようにモータトルクを制御して前記モータに通電される加速時電流Iaを測定する第1の検知工程と、第1の検知工程の後に、前記ドラムの回転を減速し、所定の時間t3からt4まで時間が経過する間において、前記ドラムの減速時角加速度α2を一定とするようにモータトルクを制御して前記モータに通電される減速時電流Ibを計測する第2の検知工程を有し、前記加速時電流Iaと前記減速時電流Ibに基づき布量を検知することを特徴とする洗濯機。
  2. 少なくとも、第1の検知工程および第2の検知工程中においては、モータに通電されるq軸電流の増減によってモータトルクを制御して、ドラムの加速時角加速度α1およびドラムの減速時角加速度α2をそれぞれ所定値で一定となるように制御することを特徴とした請求項1記載の洗濯機。
  3. 少なくとも、第1の検知工程および第2の検知工程中においては、モータに通電されるd軸電流がほぼゼロとなるようにした請求項2記載の洗濯機。
  4. 制御部は、前記モータに通電される加速時電流Iaからモータトルクを推定するモータトルク推定手段を有し、ドラムの回転を加速している間の所定の回転数区間において、前記モータトルクの最大値Tmaxと最小値Tminを推定し、TmaxとTminの差が所定値以上である場合は、前記ドラムの回転駆動を停止する請求項1〜3のいずれか1項に記載の洗濯機。
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