基于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的洗衣機(jī)稱重算法研究

周文忠，王 超，徐柳春，王紅興

(無(wú)錫艾柯威科技有限公司，江蘇無(wú)錫214063)

0引 言

為了實(shí)現(xiàn)洗衣機(jī)的自動(dòng)進(jìn)水和用于OOB測(cè)量的校正補(bǔ)償，需要測(cè)量洗衣機(jī)筒中衣服的重量。測(cè)量衣物重量的主要方法有兩大類:一類是采用稱重傳感器直接測(cè)量衣物的重量［1］;另一類是利用洗衣機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)測(cè)量筒中衣物的慣量［2］，由于重量與慣量基本上是成比例的，根據(jù)它們之間的比例關(guān)系就可以把慣量轉(zhuǎn)換成重量。采用傳感器檢測(cè)衣物的重量有成本高、傳感器安裝不便的缺點(diǎn)，而利用驅(qū)動(dòng)電機(jī)測(cè)量衣物慣量的方法不需要專門(mén)的傳感器，不存在安裝問(wèn)題，因此現(xiàn)在的變頻洗衣機(jī)中的變頻電機(jī)基本上都具有稱重功能。

專利文獻(xiàn)［2］提出了一種滾筒洗衣機(jī)自動(dòng)稱重方法，該專利方法的慣量測(cè)試核心包括兩點(diǎn):(1)利用加速功率估計(jì)負(fù)載慣量;(2)利用勻速功率消除摩擦等因素對(duì)負(fù)載慣量測(cè)量精度的影響，其詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)見(jiàn)文獻(xiàn)［2］。

文獻(xiàn)［2］利用能量估算洗衣機(jī)筒內(nèi)衣物慣量的方法具有計(jì)算簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，但由于能量與慣量之間不是線性關(guān)系，因此其線性度差。為了改善慣量測(cè)試結(jié)果的線性度，本文提出了根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)矩估算衣物慣量的新方法，該方法不但改善了慣量測(cè)量的線性度，而且慣量測(cè)試算法還與電機(jī)轉(zhuǎn)速控制算法一致，因此還具有實(shí)現(xiàn)容易和成本低等優(yōu)點(diǎn)。本文較詳細(xì)地介紹洗衣機(jī)的自動(dòng)稱重算法及其工作原理，以供相關(guān)研發(fā)人員參考。

1變頻電機(jī)速度控制算法

變頻電機(jī)采用的電機(jī)是三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，其控制算法如圖1所示，主要包括三部分:(1)輸出電壓幅值計(jì)算，它由速度比較、PI算法和限幅三部分組成;(2)電壓角度計(jì)算，它包括轉(zhuǎn)差表(Slip Table)、加法器和積分器;(3)SVPWM，把電壓矢量轉(zhuǎn)換成三相控制信號(hào)。

圖1 變頻電機(jī)控制算法框圖

2變頻電機(jī)慣量測(cè)量算法

2．1慣量測(cè)量算法測(cè)試速度曲線

變頻電機(jī)測(cè)試衣物慣量的速度曲線如圖2所示，n1一般取90 r/min，n2一般取130 r/min。n1主要由變頻電機(jī)的性能決定，速度太低，變頻電機(jī)低速性能較差，并且衣物不易分布到筒壁上，它們會(huì)影響慣量的測(cè)量精度。n2主要由洗衣機(jī)決定，速度太高，稱重測(cè)量過(guò)程中容易撞筒。

圖2 慣量測(cè)試速度曲線

2．2變頻電機(jī)慣量測(cè)量算法

變頻電機(jī)稱重控制算法與電機(jī)速度控制算法基本一致，差異在于轉(zhuǎn)差表不一樣。電機(jī)速度控制算法的轉(zhuǎn)差表會(huì)隨著速度的改變而改變，改變的目的是為了實(shí)現(xiàn)單位電流產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩。變頻電機(jī)稱重控制算法的轉(zhuǎn)差表是恒定不變的，其原因見(jiàn)下面稱重算法測(cè)量原理。

2．3慣量測(cè)量原理

式中:Te為電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩;T0為摩擦轉(zhuǎn)矩;J為洗衣機(jī)筒及筒中衣物的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;為電機(jī)的角加速度。

式(1)表明，要計(jì)算慣量J就需要電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和摩擦轉(zhuǎn)矩。

式中:P是電機(jī)輸出功率;ω是電機(jī)角速度;T是電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。

當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)差恒定時(shí)，其輸出功率可由下式估計(jì)［3-4］:

式中:V是電機(jī)PWM輸出電壓。

電磁轉(zhuǎn)矩由加速平均功率(t2～t3)確定，摩擦轉(zhuǎn)矩由n1的穩(wěn)態(tài)平均功率(t1～t2)確定。

式(1)～式(5)即為變頻電機(jī)的慣量測(cè)量原理。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于上述變頻電機(jī)慣量測(cè)量原理和變頻電機(jī)速度控制算法，用一款8位單片機(jī)(R5F21246)開(kāi)發(fā)了變頻電機(jī)的硬件及其軟件。表1是對(duì)某國(guó)際公司生產(chǎn)的9 kg洗衣機(jī)的慣量測(cè)試結(jié)果，其測(cè)試條件如下:

(1)變頻電機(jī)功率為490 W;

(2)洗衣機(jī)內(nèi)筒的質(zhì)量約5 kg(等價(jià)于3×1．7 kg負(fù)載);

(3)慣量負(fù)載采用橡膠塊，并均勻?qū)ΨQ地放在洗衣機(jī)內(nèi)筒的三面(3 ×1．5 kg，3 ×3．0 kg);

(4)n1為90 r/min，n2為130 r/min。

表1 慣量負(fù)載測(cè)量結(jié)果(變頻器輸出數(shù)值)

表1的測(cè)試數(shù)據(jù)表明:

(1)相同負(fù)載下的慣量測(cè)試數(shù)據(jù)波動(dòng)幅度小，穩(wěn)定性好，最大值和最小值與平均值的差異都很小，它是測(cè)試精度高的前提;

(2)線性度好，即在負(fù)載差異相同情況下，測(cè)試數(shù)據(jù)的差異也基本相同(170．5-120=50．5，120-66=56)，該差異還可以通過(guò)上位機(jī)控制器以查表或其它方式進(jìn)行修正(非線性測(cè)量校正的常用方法);

(3)分辨率高，相同負(fù)載下數(shù)據(jù)差異很小，不同負(fù)載下的數(shù)據(jù)差異大，負(fù)載在相差0．5 kg時(shí)其測(cè)量數(shù)據(jù)沒(méi)有交叉，其精度可達(dá)到0．5 kg以上(詳細(xì)數(shù)據(jù)限于篇幅沒(méi)有給出)。

由于洗衣機(jī)差異(內(nèi)筒直徑/重量等參數(shù)不一樣)，在相同慣量負(fù)載時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)是不一樣的，需要洗衣機(jī)上位機(jī)控制器根據(jù)實(shí)際測(cè)試結(jié)果進(jìn)行線性校正和定標(biāo)(負(fù)載具體重量)，該功能也可以由變頻器完成，但限制了一個(gè)變頻器對(duì)多個(gè)洗衣機(jī)的應(yīng)用，所以校正處理一般由上位機(jī)完成，變頻器僅僅輸出一個(gè)無(wú)量綱的值，如表1中的測(cè)試數(shù)據(jù)。

表1的測(cè)試結(jié)果表明了本文研究的慣量測(cè)量算法的有效性。

4結(jié) 語(yǔ)

本文提出的慣量測(cè)量算法具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)算法簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易。稱重算法與電機(jī)控制算法基本一致，其差異僅僅是轉(zhuǎn)差表不一樣。

(2)算法的可重復(fù)性好，精度高。通過(guò)n1的轉(zhuǎn)矩計(jì)算消除了摩擦轉(zhuǎn)矩對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量精度的影響。

(3)對(duì)硬件電路依賴小，不需要高精度的電流采樣電路。不管是電機(jī)的速度控制，還是慣量測(cè)量，均不需要測(cè)量電機(jī)的電壓或電流，它直接采用PWM輸出的命令電壓。

基于本文的電機(jī)速度控制算法和慣量測(cè)量算法開(kāi)發(fā)的變頻電機(jī)已批量用于國(guó)內(nèi)洗衣機(jī)大客戶，其電機(jī)控制性能和慣量測(cè)量性能均能滿足洗衣機(jī)客戶的要求。

［1］ 杜光林，舒海，李文偉．一種洗衣機(jī)的稱重方法及其實(shí)現(xiàn)所述方法的洗衣機(jī):中國(guó)，200410062531［P］．2005-11-02．

［2］ 呂佩師，許升，張惠玉，等．滾筒洗衣機(jī)自動(dòng)稱重方法:中國(guó)，200810094132［P］．2009-11-11．

［3］ Murphy J M D．Thyristor Control of AC Motor［M］．Pergamon Press，Oxford，1973．

［4］ Dewan S B，Slemon G R，Straughen A．Power Semiconductor Drives［M］．John Wiley，1984．