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01波輪洗衣機(jī)不平衡控制方法

以往波輪洗衣機(jī)的不平衡（out of balance）控制方法：機(jī)械式開(kāi)關(guān)安裝在工作臺(tái)上，此機(jī)械式開(kāi)關(guān)距離盛水桶部裝設(shè)有一定距離，其具有一定的斷開(kāi)行程。洗滌過(guò)程中衣物發(fā)生纏繞會(huì)使得衣物在桶內(nèi)分布不均勻，由此產(chǎn)生的不平衡會(huì)導(dǎo)致脫水桶偏向一側(cè)，使得盛水桶有較大的振動(dòng)，當(dāng)盛水桶觸碰到機(jī)械式開(kāi)關(guān)，并且達(dá)到機(jī)械式開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)行程，則機(jī)械開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，脫水過(guò)程終止，繼續(xù)進(jìn)行補(bǔ)水，再把衣物抖散后繼續(xù)脫水[1]。機(jī)械式開(kāi)關(guān)成本較低，而且應(yīng)用較為廣泛，但是其精度較低；多數(shù)情況下，脫桶內(nèi)衣物纏繞厲害時(shí)，產(chǎn)生較大的不平衡，脫水啟動(dòng)狀態(tài)不同又會(huì)出現(xiàn)不規(guī)律脫水運(yùn)動(dòng)，即使產(chǎn)生較大偏心量也可能未觸碰到機(jī)械開(kāi)關(guān)，無(wú)法及時(shí)切斷脫水狀態(tài)，導(dǎo)致感應(yīng)失效。從而引起撞擊箱體產(chǎn)生較大噪音，甚至出現(xiàn)洗衣機(jī)移動(dòng)等現(xiàn)象[2]。

新型不平衡控制方法使用加速度傳感器來(lái)代替機(jī)械式開(kāi)關(guān)來(lái)感應(yīng)脫水振動(dòng)量大小，脫水時(shí)檢測(cè)的加速度能夠高精度實(shí)時(shí)檢測(cè)偏心量大小，通過(guò)對(duì)偏心量判斷選擇脫水模式和最高脫水轉(zhuǎn)速，有效避免脫水失控狀態(tài)，保證脫水過(guò)程安全穩(wěn)定。

02原理解析

根據(jù)檢測(cè)位移量原理方式，常用的加速度傳感器可分為應(yīng)變式、電磁式、壓電式、光纖式和MEMS等。本文使用插件式MEMS傳感器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、低功耗及可靠性高等諸多特點(diǎn)[2]。如圖1所示。插件式MEMS加速度傳感器采用線性慣性原理，其力平衡公式為：F=ma。圖2為MEMS加速度傳感器簡(jiǎn)化圖。從表達(dá)式可看出，脫水離心力可以反應(yīng)出離心力大小，離心力越大，振動(dòng)量就越大。從圖3可以看出脫水過(guò)程中的振動(dòng)量可以簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。

圖1 插件式傳感器

圖2 MEMS加速度傳感器簡(jiǎn)化圖

圖3 不同偏心狀態(tài)下的加速度

簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)方程：

加速度：

在同一機(jī)型，相同速度控制的情況下，ω相同，相位相同；則加速度a與振幅A正相關(guān)，即：

因此，加速度可直接反應(yīng)洗衣機(jī)脫水桶的振動(dòng)量大小。波輪洗衣機(jī)脫水時(shí)，衣服纏繞導(dǎo)致的不平衡使得脫水桶產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)量大小與加速度正相關(guān)，因此檢測(cè)到的加速度反映了振動(dòng)量大小。若振動(dòng)量大于設(shè)定參數(shù)值，則進(jìn)行補(bǔ)水，擺平抖散衣物后重新脫水。

03應(yīng)用實(shí)例

我們?cè)诓ㄝ喯匆聶C(jī)上使用了MEMS加速度傳感器，此傳感器集成在主控板上。脫水過(guò)程實(shí)時(shí)檢測(cè)加速度大小來(lái)反應(yīng)振動(dòng)量大小。

如圖4所示，橫坐標(biāo)是表示脫水時(shí)間，縱坐標(biāo)表示系統(tǒng)檢測(cè)振動(dòng)量大小參考值。系列1代表前后方向，系列2代表左右方向，系列3代表上下方向，三個(gè)維度全方位測(cè)量振動(dòng)量大小。

圖4 脫水過(guò)程中振動(dòng)量檢測(cè)圖

在檢測(cè)過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)脫水啟動(dòng)時(shí)振動(dòng)量出現(xiàn)異常，系統(tǒng)檢測(cè)偏心量過(guò)大，此時(shí)判定脫水終止，進(jìn)行補(bǔ)水進(jìn)水，重新擺平衣物，減少衣物纏繞，最終使得偏心量得以降低，再繼續(xù)進(jìn)行脫水。

隨著脫水轉(zhuǎn)速的不斷提升，振動(dòng)量越來(lái)越大，振動(dòng)量過(guò)大情況下有可能產(chǎn)生較大噪音、甚至出現(xiàn)撞擊箱體和內(nèi)外桶碰撞等現(xiàn)象。因此需要在系統(tǒng)中設(shè)定振動(dòng)量臨界值，在脫水啟動(dòng)階段，若振動(dòng)量超過(guò)閾值，就進(jìn)入補(bǔ)水?dāng)[平模式；為了防止多次補(bǔ)水后，仍然無(wú)法完成脫水過(guò)程，系統(tǒng)設(shè)定補(bǔ)水3次后進(jìn)行E4報(bào)警。E4報(bào)警時(shí)，洗衣機(jī)發(fā)出蜂鳴聲，提醒用戶手動(dòng)處理調(diào)整衣物，使其分布均勻，以便正常完成脫水過(guò)程。

在脫水階段末期，就進(jìn)入慣脫模式，不再繼續(xù)提速，有效避免脫水異響等情況發(fā)生。

如圖5所示，從啟動(dòng)階段開(kāi)始，脫水偏心量在閾值以內(nèi)，脫水過(guò)程正常進(jìn)行。接著進(jìn)入脫水穩(wěn)定階段，此時(shí)系統(tǒng)檢測(cè)振動(dòng)量在閾值范圍內(nèi)，此情況下可繼續(xù)提升至最高速 1000rpm，系統(tǒng)執(zhí)行提速指令。達(dá)到系統(tǒng)最高度后停止加速，進(jìn)入慣脫模式，速度逐步下降直至脫水結(jié)束。

圖5 脫水曲線圖

在實(shí)際使用過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)洗衣機(jī)底腳不平時(shí)，在空桶脫水啟動(dòng)階段，洗衣機(jī)可以有效完成此過(guò)程，但是隨著脫水轉(zhuǎn)速進(jìn)入高速階段，特別是從500rpm提升至700rpm這段區(qū)間內(nèi)，振動(dòng)量越來(lái)越大，會(huì)超值設(shè)定閾值，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)降速補(bǔ)水，無(wú)法有效完成脫水過(guò)程。因此，洗衣機(jī)使用前必須要調(diào)整底腳高度，使其與底面貼合，不能出現(xiàn)晃動(dòng)現(xiàn)象。在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)，調(diào)平洗衣機(jī)后，使用空桶狀態(tài)進(jìn)行脫水，若能夠一次性完成脫水過(guò)程，初步可以說(shuō)明閾值參數(shù)設(shè)定有效。除此之外，洗滌衣物量大小也直接決定了脫水時(shí)振動(dòng)量大小。脫水轉(zhuǎn)速越高，振動(dòng)量越大，脫水噪音也大，因此有必要進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化處理。一種脫水振動(dòng)量閾值控制無(wú)法滿足不同洗滌量條件脫水轉(zhuǎn)速要求。因此，我們?cè)谶壿嬌嫌孟礈焖粰n位來(lái)設(shè)定不同閾值。一般洗衣機(jī)水位設(shè)置為1～8檔，因此我們將1～4檔設(shè)定一個(gè)閾 值，5～8檔設(shè)置一個(gè)閾值。

以實(shí)際開(kāi)發(fā)產(chǎn)品為例：

（1）在脫水起步階段閾值設(shè)定。常規(guī)洗衣機(jī)用撞桶開(kāi)關(guān)阻斷偏心量過(guò)大時(shí)脫水過(guò)程。我們用偏心塊來(lái)模擬洗衣機(jī)衣物偏心量，參照常規(guī)洗衣機(jī)脫水偏心塊測(cè)試要求， 1.0kg偏心量能夠順利完成脫水，2.0kg偏心量時(shí)需要補(bǔ)水?dāng)[平重新脫水。我們分別采集了1.0kg和2.0kg偏心塊脫水時(shí)的振動(dòng)值，用采集到的振動(dòng)值作為脫水啟動(dòng)階段的閾值，以保證啟動(dòng)階段脫水穩(wěn)定性。

（2）脫水最高轉(zhuǎn)速spec如下：根據(jù)水位選擇，如果水位超過(guò)5檔，設(shè)定最高轉(zhuǎn)速750rpm。

如果在1～4檔：根據(jù)振動(dòng)量來(lái)判定：在750～800轉(zhuǎn)速檢測(cè)（Δx、Δy，Δz）值以及在大于800rpm轉(zhuǎn)速時(shí)也實(shí)時(shí)檢測(cè)（Δx、Δy，Δz），根據(jù)兩個(gè)區(qū)域值確定最終最高轉(zhuǎn)速。具體spec如下：

當(dāng)脫水轉(zhuǎn)速在750～800rpm之間時(shí)，振動(dòng)量閾值為400。假如系統(tǒng)檢測(cè)的振動(dòng)量大小超過(guò)400，則停止加速，進(jìn)入慣性脫水模式；假如系統(tǒng)檢測(cè)的振動(dòng)量小于400，則繼續(xù)加速，當(dāng)速度達(dá)到800rpm時(shí)，系統(tǒng)再次檢測(cè)振動(dòng)量大小，假如振動(dòng)量大于800，則停止加速，進(jìn)入慣性脫水模式，假如振動(dòng)量小于800，則繼續(xù)加速，直至速度達(dá)到1000rpm。

04結(jié)論

加速度傳感器的應(yīng)用在波輪洗衣機(jī)脫水過(guò)程中，有效地實(shí)時(shí)檢測(cè)振動(dòng)量大小，根據(jù)振動(dòng)量大小系統(tǒng)實(shí)時(shí)決定脫水模式，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定地完成脫水過(guò)程，提升了脫水穩(wěn)定性，優(yōu)化洗衣機(jī)使用性能。

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