滾筒洗衣機(jī)負(fù)載不平衡識(shí)別算法可靠性設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

謝建軍 鄭明星 戴浩乾 施清清 王曉楠

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

目前，滾筒洗衣機(jī)逐漸的成為日常生活中不可缺少的家用洗滌電器，隨著用戶的使用頻次增加，洗滌的衣物種類增多。對(duì)滾筒洗衣機(jī)的各方面的性能提出了更高的要求。最為突出的問題為滾筒洗衣機(jī)脫水過程中發(fā)生的撞筒移位和部分衣物種類不脫水的現(xiàn)象發(fā)生，該售后反饋數(shù)量在滾筒洗衣機(jī)問題反饋中占比較大。

一般的針對(duì)滾筒洗衣機(jī)不平衡量的檢測(cè)在靜態(tài)過程中進(jìn)行，在洗衣機(jī)穩(wěn)定狀態(tài)下進(jìn)行不平衡狀態(tài)的識(shí)別。該方案針對(duì)大多數(shù)情況穩(wěn)定性較好，滿足正常環(huán)境的使用需求。在實(shí)際使用過程中，為滿足不同用戶在不同環(huán)境使用滾筒洗衣機(jī)的需求，提升產(chǎn)品可靠性，需要提升不平衡量識(shí)別與控制的可靠性。本文針對(duì)不同的使用場(chǎng)景在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行情景模擬分析，依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出優(yōu)化不平衡的識(shí)別與控制方案。提升滾筒洗衣機(jī)的脫水性能的同時(shí)提供一種可靠可執(zhí)行的系統(tǒng)性解決思路。

1 不平衡控制方法分析

在彈簧——阻尼模型的滾筒洗衣機(jī)中，衣物狀態(tài)分布不均勻時(shí)，將產(chǎn)生不平衡的運(yùn)動(dòng)過程，該簡(jiǎn)易模型如圖1所示。

圖1 不平衡狀態(tài)運(yùn)行簡(jiǎn)易模型

在上述模型中，m為模擬衣物不平衡量，電機(jī)為BLDC電機(jī)，當(dāng)m在筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)，此時(shí)洗衣機(jī)狀態(tài)為不平衡的狀態(tài)，該狀態(tài)將反饋在電機(jī)參數(shù)中，如電壓、電流、功率、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等各項(xiàng)參數(shù)，均存在不同變化趨勢(shì)。通過辨識(shí)各參數(shù)的變化率，可以識(shí)別出此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)部的衣物狀態(tài)的相對(duì)不平衡量的相對(duì)值。

根據(jù)動(dòng)力學(xué)原理可列出機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程，如下：

式中：

te—電磁轉(zhuǎn)矩；

tL—負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

在轉(zhuǎn)速Ωr恒定時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J，阻尼系數(shù)RΩ在同一工況下均可作為常量，由上面機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程可知，對(duì)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的控制需要通過控制動(dòng)轉(zhuǎn)矩（te-tL）來實(shí)現(xiàn)，若負(fù)載狀態(tài)發(fā)生變化，產(chǎn)生不平衡狀態(tài)，將系統(tǒng)穩(wěn)定在某一轉(zhuǎn)速時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩te將通過調(diào)整自身輸出，使得轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速。此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩的調(diào)整過程中的變化量可作為負(fù)載狀態(tài)不平衡量A的相對(duì)標(biāo)示值，公式如下：

式中：

n—電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)；

(ten-te(n+1))—轉(zhuǎn)動(dòng)一圈內(nèi)的轉(zhuǎn)矩差值。

累積計(jì)算穩(wěn)定轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)平均值，將獲得當(dāng)前不平衡量的相對(duì)標(biāo)示值。

依據(jù)上述的公式計(jì)算，當(dāng)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速內(nèi)統(tǒng)計(jì)的轉(zhuǎn)矩差值次數(shù)越多，不平衡量的計(jì)算越準(zhǔn)確。在實(shí)際應(yīng)用過程中，該時(shí)長(zhǎng)是在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果將存在偏差。偏差的產(chǎn)生因素是因?yàn)樵诓煌h(huán)境電源下，電磁轉(zhuǎn)矩te存在一定的偏差，計(jì)算電磁轉(zhuǎn)矩的公式如下：

為了研究偏差對(duì)實(shí)際的不平衡量控制偏差，在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境工況中，將不平衡量的標(biāo)示值記為Am，在上限工況中不平衡量的標(biāo)示值記為Ah，下限工況中不平衡量的標(biāo)示值記為Al，可得出如下公式：

式中：

Uh、Ul—兩種上下限工況中的校正系數(shù)；

c1、c2—校正常量；

Am—標(biāo)準(zhǔn)工況環(huán)境中的基準(zhǔn)值。

實(shí)際應(yīng)用中工況的情況較復(fù)雜，不能僅通過三種工況的數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)的控制，需要根據(jù)環(huán)境的變化，參數(shù)也應(yīng)該相應(yīng)的發(fā)生變化，最終可通過不同固定工況下的參數(shù)進(jìn)行參數(shù)回歸，公式如下：

最終的不平衡量A將依據(jù)環(huán)境情況UC與實(shí)際計(jì)算的不平衡量AC，進(jìn)行參數(shù)擬合校正后，作為最終的不平衡量標(biāo)示值。

2 系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

以某一滾筒洗衣機(jī)平臺(tái)開發(fā)為例，脫水控制設(shè)計(jì)初期的方案如圖2。

如圖2所示，圖中的不平衡量A及預(yù)設(shè)值是在標(biāo)準(zhǔn)工況下測(cè)試獲取，在實(shí)際使用過程，不平衡量A的預(yù)設(shè)值設(shè)定將影響到脫水的正常運(yùn)行。相同工況下，若電壓偏低，不平衡量A小于預(yù)設(shè)值，存在撞筒移位的風(fēng)險(xiǎn)；若電壓偏高時(shí)，不平衡量A大于預(yù)設(shè)值，存在不脫水的情況發(fā)生。鑒于初期方案的缺陷，將該問題在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行規(guī)避設(shè)計(jì)，優(yōu)化脫水控制的系統(tǒng)邏輯，如圖3所示。

圖2 設(shè)計(jì)初期方案流程圖

圖3 改進(jìn)方案流程圖

按照上述，設(shè)計(jì)脫水控制的基本流程，使得不平衡量輸出值，能夠隨著環(huán)境的變化進(jìn)行校正。系統(tǒng)由原來的單一輸入量的控制系統(tǒng)，變更為雙輸入量控制系統(tǒng)，如圖4和圖5所示。

圖4 系統(tǒng)優(yōu)化前控制圖

圖5 系統(tǒng)優(yōu)化后控制圖

通過引入第二參數(shù)的設(shè)計(jì)方式，系統(tǒng)的可靠性較原控制系統(tǒng)提升。確保了系統(tǒng)參數(shù)的穩(wěn)健性。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)的可行性及有效性，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了不同工況下不同狀態(tài)的驗(yàn)證。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)不平衡量驗(yàn)證

3.1.1 實(shí)驗(yàn)方案

將電壓值作為單一環(huán)境變量，分別在上限環(huán)境工況、下限環(huán)境工況及標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境工況下運(yùn)用系統(tǒng)優(yōu)化前后的兩種方案，測(cè)試相同偏心質(zhì)量下的不平衡量，對(duì)比兩種方案得出的不平衡量的差異。

具體的實(shí)施方法：選用同一臺(tái)洗衣機(jī)樣機(jī)，依次采用空筒400 g單偏心塊兩種負(fù)載，運(yùn)行脫水程序，采用監(jiān)控程序讀取樣機(jī)反饋出的不平衡量；調(diào)節(jié)電壓，采集不同環(huán)境工況下的不平衡量參數(shù)。

3.1.2 數(shù)據(jù)分析

采用上述實(shí)驗(yàn)方案測(cè)得的數(shù)據(jù)匯總于圖6、圖7。

圖6 空筒不平衡量對(duì)比

圖7 400 g單偏心塊不平衡量對(duì)比

從圖6可以看出，在優(yōu)化前不平衡量隨著電壓的升高而增大，優(yōu)化后的不平衡量不再隨電壓而改變。

就相同電壓下的三組測(cè)試結(jié)果來看，優(yōu)化前三組結(jié)果波動(dòng)較大，易受其他環(huán)境因素的影響；而優(yōu)化后相同電壓下的三組測(cè)試結(jié)果極為穩(wěn)定，上下偏差不會(huì)超過1。

從圖7可以看出，在400 g單偏心塊測(cè)試下同樣能體現(xiàn)出優(yōu)化后方案的優(yōu)越性：不平衡量不再隨電壓的改變而變化，而且輸出的不平衡量抗環(huán)境因素干擾能力也增強(qiáng)了。

由以上兩種負(fù)載情況下的測(cè)試結(jié)果可見，優(yōu)化后的不平衡量能排除電壓等環(huán)境因素的影響，能夠真實(shí)的反映滾筒內(nèi)的不平衡狀態(tài)。

3.2 模擬用戶使用情況驗(yàn)證

3.2.1 實(shí)驗(yàn)方案

同樣的將電壓值作為單一環(huán)境變量，在同一洗衣機(jī)樣機(jī)上分別采用優(yōu)化前后的兩種控制方案進(jìn)行實(shí)負(fù)載脫水測(cè)試，對(duì)比兩種方案測(cè)試結(jié)果的差異。

具體的實(shí)施方法：選用三種常見衣物組合作為試驗(yàn)負(fù)載，在同一臺(tái)洗衣機(jī)上，分別使用優(yōu)化前后兩種控制，運(yùn)行脫水程序，記錄每組脫水的實(shí)際情況，有無撞筒移位現(xiàn)象發(fā)生，是否脫水成功。改變電壓，驗(yàn)證不同環(huán)境工況下的脫水情況。

3.2.2 數(shù)據(jù)分析

采用上述實(shí)驗(yàn)方案測(cè)得的負(fù)載脫水情況匯總于表1。

表1 實(shí)負(fù)載脫水測(cè)試

由表1可見，采用優(yōu)化后的不平衡量進(jìn)行脫水控制，可有效降低脫水過程中的撞筒概率，提高脫水成功率。

由圖8可見，采用舊方案的脫水控制由于不平衡量的預(yù)設(shè)值僅能滿足正常環(huán)境工況下的脫水，因此在低壓下撞筒概率高達(dá)60 %，高壓下脫水成功率僅達(dá)到20 %；而采用優(yōu)化不平衡量后的控制方案，能有效避免電壓等環(huán)境工況帶來的影響，低壓下不再撞筒，高壓下的脫水成功率也提高到了80 %。

圖8 負(fù)載組合3脫水測(cè)試對(duì)比

因此，優(yōu)化不平衡量后的控制方案能有效解決舊方案在低電壓下的撞筒問題和高電壓下的脫水失敗問題，可靠性較高。

4 結(jié)論

通過在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)工況下的數(shù)據(jù)收集與分析，針對(duì)不同工況中的不平衡量的數(shù)據(jù)回歸，將該不平衡量的最終輸出值穩(wěn)定為不隨環(huán)境電源變化的值。同時(shí)驗(yàn)證了該方案在實(shí)際應(yīng)用過程中的情況，驗(yàn)證結(jié)果表明，該方法具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。解決了低壓情況時(shí)撞筒移位現(xiàn)象及提升了高壓情況時(shí)脫水完成率。本文中通過優(yōu)化系統(tǒng)邏輯，提升了軟件可靠性，解決了脫水過程的不平衡量的不可控性的問題。提升了滾筒洗衣機(jī)的整體性能，增加了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。