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滚筒洗衣机的最佳洗涤时间控制算法
摘要
一般来说,滚筒洗衣机的洗涤效率受洗涤时间的影响。然而,洗涤时间由衣物的
质量和类型确定。虽然用户很容易输入衣物的类型,但是衣物的数量和质量是不容易
辨别的。因此,本文建议通过使用能估计衣物数量和质量的惯性估计器来调节洗涤时
间。在实际洗衣机中应用的惯性计算器所使用的算法是在PMSM驱动上使用低成本位
移传感器实现的,并且实验是由滚筒洗衣机的电机在实际负载条件下进行的。
关键词:滚筒洗衣机惯性估计器惯性力矩识别
一、介绍
首先,确定洗涤时间的最重要因素是衣物的数量和质量。一般来说,常规的洗涤
时间的方法是由衣物的数量和质量的三个时间阶段所确定的,因为洗涤过程中会存在
估计质量的误差和实际质量的误差。在所描述的常规衣物的数量和质量的估计方法
中,洗衣供水被衣物吸收,因此,供水量受到衣物数量和质量的影响。这种来自负载
建模为滚筒洗衣机系统仿真的方法,需要时间来提供一定的供水量。并且洗衣的性能
和效率受到衣物种类非常大的影响。在用于电动机的高性能速度控制的惯性识别算法
描述的另一种估算方法,电动机的速度达到某一“自愿”的固定点,观察用于数量和
质量估计的施加电压的占空比。这个电机的负载也受衣物数量和质量的影响,因此,
可以通过实验建立的查找表来估计衣物的数量和质量。然而,该方法需要另一个存储
器设备用于查找表。
另一方面,使用状态观测器的常规惯性估计方法不能避免内部控制器的时间延
迟,然而,洗涤负荷在洗涤模式中连续地改变,并且瞬态时间开启估计器的结果有一
定的误差。
为了解决这个问题,本文建议通过测量的惯性估计衣物的数量和质量保持快速的
转速,进而保持惯性,并且深入阐述了惯性估计的计算方法。最后,提出了能量效率
的最佳洗涤时间的计算方法。
二、恒定惯量的速度计算
滚筒洗衣机在衣物通过挡板提升之后,借助在使衣物下落时产生的力来洗涤衣
物。因此,在洗涤模式下连续地改变衣物的惯性。:.
图1滚筒旋转时施加在衣物上的力
当洗衣机滚筒旋转时,滚筒接收的衣物内部的力如上图所示。如果洗衣机的滚
筒旋转起来时,衣物将上下翻滚。此时,衣物承受重力和离心力。当衣物位于顶部时,
衣物受到的重力最大。如果离心力大于重力,衣物将会挂在滚筒上,此时,计算公式:
mr2mgcos(1)
由公式(1)和公式(2),可以获得挂在滚筒上的衣物的最小速度。
g
rad
sr
atcos1(2)
从(2)计算的角速度可以通过(3)变成机械角速度
60
rpmrad
(3)
r2s
三、惯性估计方法
如果电机以第二章计算的100[rpm]旋转,则衣物由于离心力悬挂在滚筒上,图2
(b)示出了惯性估计方法,惯性矩来自公式(4)处的电机的机械方程,并且所提出
的算法由图2-(a)中描述的三个部分分类。
d
TJrBT(4)
edtrl
图2(b)示出了模式1的控制框图。此时,q轴电流变为ir*ir,电动机电转
qsqs
矩在(6)中表示为倍增q轴电流ir和转矩系数K。由于使用PMSM,扭矩系数K为
qsTT
公式(5)。负载转矩由公式(7)表示,因为电动机的速度不变。
3P
Kf(5)
T22r
T(t)Kir(6)
e1Tqs
T(t)T(t)(7)
e1L1:.
图2-(c)表示模式2的控制框图,如果T*大于T的特定转矩T(t)命令施加
eLL1
到电动机,则在t2处电动机速度改变。
在图2-(d)中,由于由变化的速度引起的q轴电流变化,电动机的电转矩由公
式(8)决确定。并假设速度控制在,处的液压扭矩可通过公式(9)确定。
r2r2
r*"
T(t)Ki(8)
e2Tqs
T(t)T(t)(9)
e2L2
(a)每个模式的速度图,(b)模式1,(c)模式2,(d)模式3
在模式2中通过公式(10)计算平均负载转矩:
T(t)T(t)
TL1L2(10)
L2
如果模式3完成,可以通过(4)和(10)估计惯性矩,假设磨料系数B为零,
公式(11)可以改变为公式(13):.
d
T*''JtBrT(11)
edtl
d
T*''TtrJ
(12)
eLdttt
21
(T*''T)(tt)
JeL21(13)

r
四、估计惯性矩换入质量
物体的惯性矩由其旋转轴的质量分布的形状确定。如果质量远离旋转轴,则转动
惯量增加。如果电机以100[rpm]旋转,则由于固定的衣物,转动惯量具有恒定值。
简化的洗衣分布模型在图3上表示:
图3是在100[rpm]下衣物的体积(a)假定的衣物在100[rpm]的体积,(b)衣物的展开体积
估计的转动惯量J可以被描述为滚筒的惯性J和衣物的惯性的和J。假设
drumlaundry
衣物分布在滚筒上,并且衣物的厚度不在挡板上方。
JJJ(14)
drumlaundry
通常,围绕已知轴旋转的点质量的惯性矩定义为:
Jr2dm(15):.
中间的力矩是可加性的。因此,对于由N个点质量m组成的刚性体,距旋转轴线的
i
距离为r,总的转动惯量等于点的质量矩。因此,这由公式(16)、(17)确定。
i
N
Jmr2
(16)
laundryii
i
Jr2dm(17)
laundry
在公式(17)中,dm可以由极坐标系(r,)表示,并且该等式定义为:
dmrdrd(18)
如果用公式(17)代替公式(18),则估计转动惯量由公式(19)表示,此时,
负载的形状类似于气缸
1
J(r2r2)(r2r2)(19)
laundry22323
图3(b)示出了作为衣物的厚度的图3(a)中所示的衣物的扩展体积,在图3(b)
中,内部空余的空间发生在衣物之间或任何情况,空间是r和r之间的质量密度。并
23
由公式(20)确定。
D(1-D)(20)
12
D:洗衣存在率的部分
:洗衣存在部分的密
1
:洗衣不存在部分的密度
2
公式(21)是来自公式(19)的的方程:
2J
laundry(21)
(r2r2)(r2r2)
2323
在将公式(21)应用于公式(20)之后,为公式(22)计算:
D2J
laundry(22)
21D1(1D)(r2r2)(r2r2)
2323
作为未存在的衣物的密度的可以由~0表示,如果公式(22)被计算为D,
22
则它由公式(23)表示。因此,可以获得作为整个空间上的衣物存在部分的速率的D。
2J
Dlaundry(23)
(r2r2)(r2r2)
2323
如果将公式(22)中得到的D代入公式(18),则可以接收整个洗涤的质量密
度,质量m由将衣物的体积乘以总质量密度的公式(24)定义:
m(24):.
例如图3的形状质量由公式(25)表示。此时,实际的衣物的形状与假设不同。因
此,它由常数值(K)补偿,此时,K由洗涤存在部分的速率D决定。是通过实验
的值。并且K根据诸如表1的估计的转动惯量而变化的。
m(r2r2)hK(25)
231
KD(26)
四、洗涤时间的决定
,并且衣物类型是棉花类衣物,则图4是根据衣物的数量
和传统洗衣机的最佳洗涤时间。在图4中,每段洗涤时间恒定为2kg〜4kg,5kg〜8kg,
9kg〜11kg。并且根据分类的三个部分改变洗涤时间。因此,根据衣物的量,常规的
洗涤时间不合适。特别是,一些洗衣店洗涤的时间比必要的洗涤时间要长。该方法具
有不必要的清洗时间浪费过多功率的缺点。
图5是计算出的最佳洗涤时间点的图,其在图4中描述,图5示出最佳洗涤时间点
洗涤时间选项通过回归分析。该式表示为公式(27)。
TT
(TT)(n1)(mm)
TTn1nmmm1n

Tn1nm1n(27)
washmm2
m1n

如果使用公式(25)的计算的m被代入公式(27),则可以根据衣物的量来计
算最佳洗涤时间。:.
图4示出了传统的洗涤时间和通过洗衣量的最佳洗涤时间
图5最佳洗涤时间的图
五、实验结果
图6是实验中设定的反转和惯性负载。图6(a)是实验中的逆变器,开关器件
和逆变器系统的IGBT器件。因此,逆变器系统的硬件设计可以设计更小的尺寸和更
轻的重量,该CPU在TI(德州仪器)中使用了高性能32位TMS320F281器件。为了
知道惯性估计性能,建立具有特定值的惯性负载,并进行实验以验证所提出的算法。
图7是滚筒洗衣机的后面和滚筒洗衣机的内部。表3显示了使用实验的滚筒洗衣机的
惯性力矩和惯性负载和SPMSM(表面永磁同步电机)的电机参数。图8(a)示出了无
负载时的电动机驱动器,并且是估计的惯性矩形式。此外,图8(b)是在连接惯性
负载之后的估计惯性矩波形。图8(b)示出了将惯性力矩和电机本身的转动惯量相
加的估计惯性矩。:.
图6实验组图(a)变频器在实验中使用(b)惯性负载设定
图7图示了滚筒洗衣机在实验中使用(a)滚筒洗衣机的后面,(b)滚筒洗衣机

表1为电机参数和惯量负载:.
图9是使用实际滚筒洗衣机的估计惯性矩波形,[g/
cm3],图9(a)进行了在洗衣机中的离开洗衣机的惯性估计实验,此时,估计转动
惯量是滚筒转动惯量和电机转动惯量之和。图9-(b),(c),(d)是当衣物重量
为3[kg],7[kg],11[kg]时进行惯性估计实验的波形。在图9-(b),(c),(d)中
的估计转动惯量可以确认大于图9-(a)中的估计转动惯量。
图8飞轮惯性负载的实验(a)无载实验,(b)飞轮惯性负载估计的实验:.
图9使用滚筒洗衣机和衣物负载的实验(a)无负载实验,(b)应用3[kg]衣物负载的实验,(c)应用7[kg]衣
物负载的实验,(d)应用11[kg]衣物负载的实验.
表2是根据没有实验波形的衣物量的估计转动惯量,如表中所示,惯性矩增加了
衣物的量。:.
表2是衣物的估计转动惯量
图10示出了所提出的算法的增加的效率,消耗功率由测力计测量。实验进行5
次,然后取平均值。来自所提出的算法的增加的效率在较低的衣物量下更受影响。
图10是测量的消耗功率的比较图
六、结论:.
在本文中,提出了用惯性估计器估计衣物重量的方法。因为洗涤负荷瞬间改变,
所以在本文中计算固定惯性的速度。从该固定惯性,提出了用于识别衣物质量的计算
方法。所提出的算法首先通过惯性负载实验验证,然后,由实际的滚筒洗衣机执行。
结果证明,通过改进的质量识别能更精确控制洗涤时间,同时提高效率。
七、参考文献