专利名称：检测洗衣机中衣物负载的失平衡状况的方法
技术领域：
本申请涉及检测洗衣机中衣物负载的失平衡状况的方法。
背景技术：
例如自动洗衣机、自动干衣器、离心析液机等的各种设备使用容纳可均匀或不均匀地分配于容器内的物料负载的转桶、篮或其它容器。负载不均匀分配或失平衡的状况导致转动容器的质心与容器的转轴不一致的情况。在洗衣机中，随着转动甩水期间容器转速增加，不平衡的负载将导致不同种现象，包括容器相对于其中容器由机壳支承并与容器碰撞的机壳而摇动，就象下面进一步详细说明的那样。这导致容器的高负载和严重振动的发生。这种严重振动将造成设备沿地板或其它支承表面的移动。
如图1的垂直轴洗衣机的示例所示的那样，洗衣机100典型地包括安装在机壳内104的无孔桶102以及安装在无孔桶102内并可相对于桶102转动的有孔洗涤篮106。洗涤篮106界定容纳将要经受洗涤、漂洗和旋转周期(在洗衣机领域内是公知的)的衣物负载的洗涤腔108。电动机110操作上耦合于洗涤篮106，搅拌器112被安装于洗涤篮106内，并且控制器116根据由控制器116执行的洗涤、漂洗和旋转周期使洗涤篮106和/或搅拌器112转动。
桶102和洗涤篮106由悬置系统114悬置于机壳104内，悬置系统104将桶102和洗涤篮106的一些振动吸收。悬置结构的结果是包含桶102、洗涤篮106和洗涤篮106中的衣物的悬置质块具有六个自由度；悬置质块可沿x轴(横向移动)、y轴(前后移动)和z轴(上下移动)平移并绕x、y和z轴转动，如图2所示。
在旋转周期期间，电动机110根据旋转曲线而增加洗涤篮106的转速，旋转曲线包括各种转速斜坡和转速平坦区。随着转速的增加，悬置质块超过与六个自由度对应的固有频率。在这些固有频率下，悬置质块具有根据相应自由度而移动的自然趋势，并且这种趋势当衣物负载失平衡时更是急剧增加。因此，当悬置质块超过x轴和y轴平移固有频率时，具有失平衡负载的悬置质块会象钟摆那样横向地和前后地摆动并撞击机壳104的边。同样，当悬置质块超过z轴平移固有频率时，具有失平衡负载的悬置质块具有上下移动的趋势并因此撞击机壳104和/或使悬置系统114降至最低点。最后，当悬置质块超过转动固有频率时，具有失平衡负载的悬置质块具有在机壳104内摇动的趋势。
在现有技术中已作出各种尝试以提供多种机械结构(例如桨开关)以通过当容器接近或撞击机壳时进行物理检测而检测失平衡负载的出现。然而，机械开关可能花费很大并对水平度不稳健，并且可能无法在可接受的轻度机壳撞击和不可接受的重度机壳撞击之间进行区别。由于随着容器容量的增加，洗衣机的容器和机壳之间的间隙继续减少，在轻度和重度机壳撞击之间进行区别变得更加必不可少。
现有技术还公开一种方法，用来通过检测洗衣机工作成分的输出的波动(例如电动机电流或电压信号)而检测负载的不平衡，从而省去机械开关并减少成本。通常，以某些方式处理输出并随后将其与预设阈值比较以确定当前是否存在不平衡。取决于所利用的输出，这些方法一般仅适用于旋转周期期间的特定转速并且即使在适当转速下也是不可靠的。此外，如果这些方法适用于仅与某些平移或转动固有频率对应的转速，则该方法无法检测到的或该方法认为可接受的失平衡负载当它们在更高转速下达到和超过其它固有频率时，可能造成洗衣机的损坏。
发明内容
根据本发明一个实施例的用于检测洗衣机中衣物负载的失平衡状态的方法，该洗衣机包括其中安装有质块的机壳，该质块包括桶和安装在桶内并界定用来容纳衣物负载的洗涤腔的洗涤篮，以及使洗涤篮绕转动轴转动的电动机，该方法包括接收表示洗涤篮转速的多个频率转速信号以及从多个频率转速信号中提取表示衣物负载失平衡状态的至少一个频率信号。
失平衡状态会招致洗涤篮的摇动。该频率信号具有大约1.0Rev-1的频率。
失平衡状态会招致由洗涤篮的顶部或底部的撞击。该频率信号具有大约0.5Rev-1的频率。
失平衡状态会招致桶不稳定地撞击机壳。该频率信号具有至少大约1/8Rev-1和大约1/5Rev-1中的一个的频率。
提取包括对来自多个包含多个频率转速信号的频率信号的至少一个频率信号滤波。
至少一个频率信号可包括两个表示衣服负载失平衡状态的频率信号，其中每个频率信号对应于失平衡状态的不同影响。
该方法还可包括从至少一个频率信号确定失平衡状态的存在。失平衡状态存在的确定包括将至少一个频率信号与振幅阈值比较。失平衡状态出现的确定还包括从至少一个频率信号与振幅阈值的比较中确定余量并将该余量与余量阈值进行比较。将至少一个频率信号与振幅阈值的比较包括计算振幅阈值和至少一个频率信号之间的差。当至少一个频率信号小于振幅阈值时，则进行该差的计算。
转速信号可以是电动机的转速。
多个频率转速信号的接收可包括接收多个预设转速范围内的频率转速信号。预设转速范围包括与质块的平移固有频率和质块的转动固有频率中至少一个对应的转速。
根据本发明另一实施例的用于检测洗衣机中衣物负载失平衡状态的方法，该洗衣机包括界定容纳衣物负载的洗涤腔的洗涤篮和使洗涤篮绕转动轴转动的电动机，该方法包括接收表示洗涤篮转速的转速信号；确定转速信号中的波动测量；将测量与预设测量阈值比较；如果测量高于预设测量阈值则将测量与余量相加；以及将余量与预设余量比较以确定是否存在失平衡状态。
测量确定可包括计算转速信号和基准之间的差。该基准可以是转速信号的平均值。转速信号可包括多个转速采样，可在包含多个转速采样中至少两个的窗内取平均值。差值的计算可包括计算窗内多个转速采样中的一个和平均值之间的差。窗可包括奇数个转速采样，而多个转速采样的一个是窗的中间转速采样。
转速信号的接收包括接收预设转速范围内的转速信号。转速的预设范围包括与洗涤篮的至少一个平移固有频率对应的转速。
转速信号可以是电动机的转速。
根据本发明另一实施例的检测洗衣机中衣物负载失平衡状态的方法，该洗衣机包括界定容纳衣物负载的洗涤腔的洗涤篮和使洗涤篮绕转动轴转动的电动机，该方法包括接收包含表示洗涤篮转速的转速采样的转速信号；界定包含至少两个转速采样的窗；确定窗内转速采样的平均值；确定窗内转速采样中的一个与平均值之间的差以及将该差与预设差阈值进行比较。
该方法还可包括如果该差高于预设差阈值则将差加到余量以及将余量与预设余量阈值比较以确定是否存在失平衡状态。
窗包括奇数个转速采样，而这些转速采样中的一个可以是窗的中间转速采样。
该方法还可包括将窗移动预设数量的转速采样并确定新平均值和新差。预设数量的转速采样可以是一个转速采样。
转速信号的接收可包括接收预设转速范围的转速信号。预设转速范围包括与洗涤篮和洗涤篮中的衣物负载的至少一个平移固有频率对应的转速。预设转速范围包括大约60rpm-120rpm之间的转速。
转速信号可以是电动机的转速。
根据本发明另一实施例的检测洗衣机中衣物负载失平衡状态的方法，该洗衣机包括界定容纳衣物负载的洗涤腔的洗涤篮和使洗涤篮绕转动轴转动的电动机，该方法包括在洗涤篮转速的第一范围内执行第一失平衡检测方案；在不同于洗涤篮转速的第一范围的洗涤篮转速的第二范围内，执行与第一失平衡检测方案不同的第二失平衡检测方案。
根据一个实施例，第一范围和第二范围不重叠。
该方法还包括在不同于洗涤篮转速的第一和第二范围的洗涤篮转速第三范围内，执行与第一和第二失平衡检测方案不同的第三失平衡检测方案。
第一失平衡检测方案包括接收包含表示洗涤篮转速的转速采样的转速信号；限定包含至少两个转速采样的窗；确定窗内转速采样的平均值；确定窗内采样值的其中一个和平均值之间的差；将该差与预设差阈值比较；如果该差高于预设差阈值则将该差与余量相加；以及将余量与预设余量阈值比较以确定是否存在失平衡状态。
第二失平衡检测方案可包括接收表示洗涤篮转速的多个频率转速信号并从多个频率转速信号中提取频率大约为0.5Rev-1和1.0Rev-1的频率信号。
第三失平衡检测方案可包括接收表示洗涤篮转速的多个频率转速信号并从多个频率转速信号中抽取频率大约为1/8Rev-1的频率信号。
第一范围可包括与洗涤篮X轴和Y轴平移固有频率对应的转速。第二范围包括与Z轴平移固有频率和至少一个洗涤篮转动固有频率对应的转速。
根据本发明另一实施例的通过洗衣机中的电动机驱动而控制洗涤篮转速的方法包括检测来自向电动机提供电源的电源线的线路电压并基于该线路电压限制电动机最大转矩输出。
线路电压的检测可包括测量电动机的DC干线电压。DC干线电压的测量可包括在洗涤篮固定转速下检测DC干线电压。最大转矩输出的限制可发生在比固定转速更大的转速下。
最大转矩输出的限制包括为电动机设置最大超前角。可将该电动机的最大超前角设置在80-85度之间。
在附图中图1是包含由悬置系统支承的桶和洗涤篮的范例性洗衣机的示意性侧视图；图2是示出用于定义图1所示的桶和洗涤篮的自由度的x轴、y轴和z轴的范例性洗衣机的立体图。
图3是示出洗衣机中的旋转周期的范例性转速曲线以及在低、中、高速失平衡检测方法以及根据本发明一个实施例失平衡检测方法的功率限制方法生效期间的范例性转速范围的示图。
图4是确定低速失平衡检测方法的转速波动测量的示意性示图。
图5是低速失平衡检测方法生效且负载平衡的旋转周期的一部分的示意性转速曲线图。
图6是低速失平衡检测方法生效且负载略微不平衡的旋转周期的一部分的示意性转速曲线图。
图7是低速失平衡检测方法生效且负载大大不平衡的旋转周期的一部分的示意性转速曲线图。
图8是示出在中等转速失平衡检测方法生效的旋转周期的一部分上的失平衡负载的电动机转速和电动机转速的快速傅立叶变换的相应振幅输出的一系列曲线图。
图9是图8所示f＝1.0Rev-1频率的电动机转速的一部分的放大视图。
图10是图8所示f＝0.5Rev-1频率的电动机转速的一部分的放大视图。
图11是图8所示利用f＝0.5Rev-1和f＝1.0Rev-1信号的中等转速失平衡检测方法的范例性实施的一系列曲线图。
图12是高速失平衡检测方法生效的旋转周期的一部分中不稳定负载的电动机转速和电动机转速的快速傅立叶变换的相应振幅输出的曲线图。
图13是利用图12所示f＝1/8Rev-1信号的高速失平衡检测方法的范例性实施的曲线图；图14是示出HVDC和线电压之间的关系以及功率限制方法的HVDC和最大超前角之间的范例性关系的曲线图。
图15是功率限制方法的HVDC范围的范例性最大超前角的表。
图16是确定另一失平衡检测方法的转速波动测量的示意图。
具体实施例方式
根据本发明一个实施例的失平衡检测方法10解决现有技术的缺陷并提供一种无需附加传感器地在旋转周期的整个转速范围内检测不平衡负载的方法。该方法10可用于任何合适的洗衣机，例如本发明背景中描述的洗衣机100、任何垂直轴洗衣机以及任何水平轴洗衣机。
该方法10包括若干单独的方法或方案，它们适用于不同的转速范围，这些转速范围与包括桶102、洗涤篮106和洗涤篮106中负载的质块的平移和转动固有频率相对应，而方法10中的单独方法特别适用于检测经过特定平移和转动固有频率的失平衡负载。根据本发明一个实施例，方法10包括低速失平衡(OB)检测方法20、中等转速失平衡检测方法30以及高速失平衡检测方法40。对于相应方法20、30和40的低、中和高速描述符在这里用于区分方法20、30和40。在实践中，根据本发明一个实施例，方法20、30、40特别适用于特定质块固有频率，而采用方法20、30和40的转速范围包括与特定固有频率对应的转速，特定固有频率对每个洗衣机是不同的。另外，方法10可包括旋转周期中任何转速下使用的功率限制方法50。图1示出旋转周期期间的范例性转速曲线以及采用方法20、30、40、50的范例性转速范围。下面将对这些方法的每一个进行说明。
根据本发明一个实施例的低速失平衡检测方法20、中等转速失平衡检测方法30以及高速失平衡检测方法40利用驱动洗衣机106的电动机110转速来确定失平衡负载的存在。电动机转速与洗涤篮106的转速对应并可以按任何适合的方式测量。例如可通过电动机110的转子位置传感器直接测量电动机转速。尽管可使用任何适合的转速传感器，但是当转子位置传感器是采用霍尔效应传感器时，可滤除霍尔跳动误差以获得无噪声的有意义的信号。对于具有144换向/转的电动机110来说，最佳的滤波器尺寸被发现为18或36个换向，它们分别在每次转动提供8或4个数据点。由于误差主要来源是电动机110的转子上的物理磁弧之间的间隙变化，这些滤波器尺寸最小化霍尔跳动误差。每个磁弧包含三次磁通改变并存在三个相；因此，在每个磁弧上存在九个换向。通过在整数倍磁弧上取平均，或在这种情况下，在多对磁弧上取平均，由于磁弧之间间隙产生的误差被最小化。对于单独换向时间跳动为±25％的“最差情况”转子，在十八个换向上求平均被发现将误差减小到大约0.5％，并且发现使用36个换向可将误差降低至0.2％。
作为另一种滤波方案，可通过创建在衣物负载中不存在不平衡的恒定转速下的换向时间误差的基准映射而消除换向时间跳动。在较高的转速下，可将瞬时误差从基准映射中减去以获得转速变化的精确测量，这表示失平衡负载。尽管该消除方法能在高速下提供精确的转速变化测量，但它需要稳定状态转速状态以创建基准映射。
通过测量电动机转速变化而不是例如电流或功率，方法20、30、40对机器变化来说是稳健的，例如电动机磁强度或控制器组件变化。当使用电动机转速时，方法20、30、40还具有对环境变化(例如线电压)的确实无疑的稳健度。另外，在高转速下，电动机110可能已经处于其最大电流容限，这意味着电流在不稳定状态下不会增加，并且结果是没有合适的失平衡负载的指示符。在这些情况下，要求将电动机转速用于失平衡检测。然而，方法20、30、40使用除电动机转速外的输出也在本发明范围内，如洗衣机领域内所公知的。
下面将对低速失平衡检测方法20进行说明。当洗涤篮106具有失平衡负载时，由于被安装在桶102内，桶102和洗涤篮106会撞击机壳104的边，特别当经过质块的x轴和y轴平移固有频率时。因此可将机壳撞击视为在对应于x轴和y轴平移固有频率的转速下以失平衡负载使洗涤篮106转动的影响，该平移固有频率对于每个洗衣机各不相同并对某些洗衣机而言被确定在40-60rpm之间。机壳撞击导致旋转中的洗涤篮106的动能损失并且与洗涤篮106的转速下降相对应。由于控制器116试图调整洗涤篮106的转速，可将失平衡负载和机壳撞击视为电动机转速中的振荡。
低速失平衡检测方法20在包括与质块的x轴和y轴平移固有频率对应的转速的转速范围内是有效的。低速失平衡检测方法的范例性转速范围是在旋转周期开始时的低转速范围，诸如大约60rpm-120rpm。方法20特别适用于这种转速范围，因为它对通常发生在旋转周期开始时的较快加速度而言特别稳健。控制器116以预设速率接收转速采样，例如8个转速采样/转。对于具有144换向/转的电动机，通过测量转子位置传感器检测18个连续位置改变或换向所需的测量时间而计算8个转速采样/转的采样速率。
然后控制器116确定转速信号的波动或变动的测量。一旦确定该测量，控制器116将该测量与预设的测量阈值比较。如果该测量超过预设的测量阈值，则将测量加至余量，该余量是超过预设测量阈值的测量的累计。将该余量与预设的余量阈值比较以确定是否存在失平衡状态。如果余量达到或高于预设的余量阈值，则确定负载为失平衡。如果余量未达到或高于预设的余量阈值，则继续方法20同时进行旋转周期。
作为转速信号中波动的测量的一个例子，控制器116可计算转速信号和基准值之间的差。基准值可以是固定值或根据转速信号的“动作”而改变的变化量。例如基准可以是转速平均值，比如在具有预设转速采样数量的移动平均窗上的平均值，而差可以在移动平均值和移动平均窗中转速采样之一之间。根据一个实施例，移动平均窗具有奇数个转速采样以使用来计算差的转速采样位于移动平均窗的中央。例如，如图4示意地示出的那样，对于定义在第一转速采样23和最后转速采样24之间的七个采样移动平均窗22而言，用图4中的实线示出的电动机转速信号对七个转速采样求平均以计算平均值26。将平均值26与移动平均窗的中央或第四个转速采样28比较以计算差，该差由图4中箭头29表示。在九个采样移动平均窗的情况下，在九个转速采样上对电动机转速信号求平均，并且将平均值与移动平均窗中第五个转速采样比较以计算差。已确定七个或九个采样移动平均窗是理想的，然而与九个采样移动平均窗相比，方法20可用七个采样移动平均窗快四分之一转地检测出失平衡并且计算强度更少。
如果在平均值和移动平均窗中的转速采样之一之间的差大于预设差阈值(即测量阈值)，则控制器116将差加到累积差余量中。如果累积差超过预设累积差阈值(即余量阈值)，则认为负载失平衡，电动机110停止。随后，将在下面更详细说明的失平衡恢复方法60可被启动。如果累积差未达到或超过预设的累积差阈值，则移动平均窗平移预设数量的转速采样，对平移后的移动平均窗计算新的平均值，并且对平移后的移动平均窗确定新的差。根据一个实施例，移动平均窗平移一个转速采样。图4的例子示出已平移一个转速采样的平移后的移动平均窗的新的第一转速采样23’、新的最末转速采样24’以及新的中间转速采样28’。
可从经验上分别确定预设的测量和余量阈值(例如差阈值和累积差阈值)并且它们对于不同的洗衣机而言是有区别的。可选择预设的测量和余量阈值以设置所希望的失平衡灵敏度水平，该失平衡灵敏度水平确定哪些负载已足够失平衡从而由方法20认为是失平衡，哪些失平衡负载足够小以允许通过。例如，差阈值大约为80-85rpm，而累积差阈值大约为250rpm。
采用低速失平衡检测方法20的旋转周期的范例性转速曲线如图5-图7所示。图5示出无失平衡的12kg分布负载的电动机转速曲线。该转速信号明显平滑，并且差不会达到差阈值。因此，累积差不会达到累积差阈值。图6示出具有轻微撞击机壳104的2.5kg失平衡负载的12kg分布负载的转速曲线，某些差足够大以被加至累积差中，但这些差还不足以使累积差超过累积差阈值。然而具有5kg失平衡负载的12kg分布负载以更大的力冲击机壳104，由此造成更大的差或转速偏离，如图7所示。在这种情况下，累积差超过累积差阈值，洗衣机停机。
当电动机110停止时，失平衡恢复方法60开始。本文所述的失平衡恢复方法60仅作为范例而存在，并且任何适当的恢复方法可与方法10一起使用。首先，控制器116再次开始执行旋转周期。如果第二次确定负载失去平衡，控制器116充填洗涤篮106并搅拌以试图重新分配负载。在重新分配负载后，旋转周期再次运行。如果第三次确定负载失去平衡，则控制器116停止电动机110并随后再次开始执行旋转周期。最后，如果负载第四次确定失去平衡，则暂停该周期，控制器116通过视觉或听觉信号将信号发给用户，例如告知负载失平衡并且需要用户干预以重新分配负载。
尽管多数严重的失平衡负载由低速失平衡检测方法20检测到，但某些失平衡负载能够越过包括与质块的x轴和y轴平移固有频率对应的转速的低速范围。由于转速增加超过该低速范围，这些失平衡负载越过z轴平移固有频率和转动固有频率，这将导致桶102撞击机壳104的顶部并使悬置系统114降至最低点(即顶部和底部撞击)或桶102的摇动。因此，可将顶部和底部碰撞和摇动视为在分别对应于z轴平移固有频率和转动固有频率的转速下以失平衡负载使洗涤篮106转动的影响，其中转动固有频率根据洗衣机的改变而改变并对某些洗衣机被确定为120-220rpm之间。通过监视洗涤篮106在包括对应于z轴平移固有频率和转动固有频率的转速的转速范围内的转速，控制器116可以将平衡的负载从造成顶部和底部撞击和摇动现象的失平衡负载中区别出来。因此，在包括与z轴平移固有频率和转动固有频率对应的转速的转速范围内，中等转速失平衡检测方法30生效。中间转速失平衡检测方法30的范例性转速范围是接着低速范围的中等转速范围，例如大约120rpm-290rpm。
由方法30所使用的转速信号是包含多个单独频率信号的多频率转速信号。图8示出对于具有12kg分布负载以及在洗涤篮106下方具有2.5kg失平衡负载的旋转周期中的范例性合成多频率转速信号。相应转速信号的快速傅立叶变换的振幅输出被曲线化为频率组f＝{0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0}Rev-1。在初始斜率转变发生在旋转周期的开始时，当电动机110接近约100次回转时，f＝1.0Rev-1的振幅增加，并且f＝0.5Rev-1的振幅不表现出明显的变化直到约一百七十次回转。在整个旋转周期中，所有其它频率具有相对小的振幅。已发现频率f＝1.0Rev-1的振幅与摇动现象很好地相关，同时f＝0.5Rev-1的振幅是很强的顶部和底部撞击的指标。图9和图10分别更详细地示出了f＝1.0Rev-1和f＝0.5Rev-1的频率主导(dominance)。
中间转速失平衡检测方法30将一个或多个单独频率信号从多频率转速信号中提取出并利用这一个或多个单独频率信号检测是否存在失平衡状态。根据一个实施例，中间转速失平衡检测方法30采用一个或多个滤波器以分析多频率转速信号并对用于检测顶部和底部撞击和摇动现象的单独频率信号进行滤波。
多频率电动机转速信号通过数字滤波被分成若干单独频率信号。窄带滤波器被设计成将频率彼此隔离，但递归系数经常需要实数乘(real-mathmultiplication)，由此造成微控制器禁止的场合。然而，可通过将滤波零zi根据下列关系置于z平面而任意地删除所选频率组ωiZi=e±jωiTs]]>其中Ts为采样之间的延迟(例如1/8Rev)。相应的滤波器转移函数F(z)可通过下列表达式获得F(z)=Πi(1-ziz-1)]]>为使频率f1＝0.5Rev-1通过，设计第一滤波器F0.5(z)以使频率f＝
Rev-1被完全拒绝通过，并且使用低通滤波器进一步衰减频率f＞f1。同样，对于f2＝1.0Rev-1的第二滤波器F1.0(z)被设计成完全拒绝频率f＝
Rev-1通过，并且级联带通滤波器以衰减频率f≠1.0Rev-1。通过能将递归系数表示为二进制数以更方便实现的附加约束条件特别地选择所设计的滤波器的零点和极点的位置。
当执行方法30时，控制器116以预设速率(例如八个转速采样/转)接收多频率转速信号的转速采样。对于具有一百四十四换向/转的电动机而言，通过测量转子位置传感器检测十八个连续位置改变或换向所需要的时间而计算八个电动机转速采样/转的采样速率。控制器116随后将一个或多个单独频率信号从多频率转速信号中提取出。一旦提取出单独频率信号，控制器116将单独频率信号的振幅与预设振幅阈值进行比较。如果在给定时间的单独频率信号的振幅超过预设振幅阈值，则将给定时间的单个频率信号和预设振幅阈值之间的差加至作为差累计的余量。将余量与预设余量阈值比较以确定是否存在失平衡状态。如果余量达到或超过预设余量阈值，则确定负载失平衡。如果余量未达到或超过预设余量阈值，则继续旋转周期，同时继续方法30。
例如，可使转速采样通过第一和第二滤波器F0.5(z)和F1.0(z)以提取经滤波的输出信号，例如图11所示的与f＝0.5Rev-1和f＝1.0Rev-1相对应的范例性输出信号，从而检测出分别造成顶部和底部撞击以及摇动的失平衡负载。在图11中，对大于125rpm的电动机转速启用滤波器计算。对该例的其余说明参照经滤波的输出信号之一，通过说明能理解可将相同的过程施加于两种经滤波的输出信号。将经滤波的输出信号与预设的滤波器输出阈值(即振幅阈值)进行比较。根据图11所示的实施例，预设的滤波器输出阈值是负值，并且如果经滤波的输出信号小于滤波器输出阈值，则确定预设滤波器输出阈值和经滤波的输出信号之间的差的绝对值。通过这种方式获得差，可不将正转速加速中产生的不希望的瞬变频率分量考虑在内。
将差的绝对值加至累积差余量中，并且如果累积差达到或超过预设累积差阈值(即余量阈值)时，则将负载确定为失平衡。当利用一个以上经滤波的输出信号时，当任何一个累积差达到或超过相应累积差阈值或当两个累积差均达到或超过它们相应的累积差阈值时，可将负载确定为失平衡。此时，可在启动失平衡恢复方法60或其它合适的恢复方法前使洗衣机100停机。在图11的例子中，f＝0.5Rev-1信号的累积差在大约一百七十五转时超过相应的累积差阈值，然而在经过检测到失平衡状态的时间后才允许洗衣机100旋转。f＝1.0Rev-1信号的累积差不超过大于图11中相应曲线的y轴所示最大值的相应累积差阈值。
中间转速失平衡检测方法30的诸如滤波器输出阈值和累积差阈值的预设振幅和余量阈值可从经验上被确定并对不同的洗衣机是不同的。与方法20相类似，可选择预设振幅和余量阈值以设置所要求的失平衡灵敏度水平。作为一个例子，f＝0.5Rev-1和f＝1.0Rev-1信号的滤波器输出阈值分别在大约-5至-10rpm以及大约-45至-50rpm的范围内。f＝0.5Rev-1和f＝1.0Rev-1信号的累积差阈值的范例值分别为大约20rpm和1500rpm。
有时，洗衣机100被设计成允许中等失平衡负载旋转到相对高的转速。然而，在某些情况下，例如当洗衣机100不是水平的，某些失平衡负载可能造成洗涤桶102以某些转速不稳定地撞击机壳104，只要高于这种转速，则低速失平衡检测方法20和中等转速失平衡检测方法30生效。质块可开始弹起于机壳104的一侧并撞击机壳104的相对侧，由此造成质块开始弹起于机壳104的两侧或更多侧。另外，在旋转周期期间，衣物负载可能会移动。例如，成捆的毛巾或鞋子会从洗涤篮106的底部跳起至洗涤篮106的顶部。如果这发生于电动机110和洗涤篮106的转速落在低速失平衡检测方法20和中等转速失平衡检测方法30的范围外之后，将会造成额外的机壳撞击(如果没有检测到的话)。然而可通过高速失平衡检测方法40检测到这些情况，高速失平衡检测方法40在发生不稳定机壳撞击的转速下(例如高于大约300rpm的高速范围内)生效。
对于高速失平衡检测方法40，控制器116以预设速率(例如一个转速采样/转)接收电动机转速采样。在一百四十四次换向/转的电动机中，通过测量一百四十四次换向之间的时间而计算转速。根据一个实施例，可使用一个转速采样/转的相对低的采样速率，因为高速下的霍尔跳动会将误差引入到回转的一些部分的转速测量中。另外，由不稳定机壳撞击造成的洗涤篮106中的转速振荡动态比洗涤篮106的角频率低很多。
在不稳定的机壳撞击状态下，转速开始下降并变得不稳定。图12示出对于受力而不稳定的负载的范例性转速曲线。同样如图12所示，在循环接近4200回转的不稳定期间，多频率转速信号的FFT的振幅输出示出f＝2/16Rrev-1(f＝1/8Rev-1)的单独频率信号占优势。因此，可利用多频率转速信号的单独频率信号从而以类似于上述相对于中间转速失平衡检测方法30相似的方式检测高速范围内的不稳定性，除了提取1/8Rev-1的单独频率信号外，并且预设振幅阈值和预设余量阈值与1/8Rev-1的单独频率信号对应。在另一洗衣机10中，将优势频率确定为f＝1/5Rev-1。
作为一个例子，当执行方法40时，控制器116提取f＝1/8Rev-1的单独频率信号并将经滤波的输出信号的振幅与滤波器输出阈值进行比较。如果经滤波的输出信号小于(或更负于)滤波输出阈值，则经滤波的输出信号和滤波器输出阈值之间的差的绝对值被累积为累积差。就象在方法30中那样，在正速加速时生成的不希望的瞬变频率分量通过取滤波器输出阈值和小于滤波器输出阈值的经滤波的输出信号的负值之间的差而被剔除。如果累积差超过预设的累积差阈值，则将负载确定为失平衡的。
采用方法40的旋转周期的范例性转速曲线如图13所示。由于在4200转前洗衣机100受力而变得不稳定，经滤波的输出信号开始严重振动，并且累积差就在大约4400rpm之前超过累积差阈值。
高速失平衡检测方法40的滤波器阈值(即振幅阈值)和累积差阈值(即余量阈值)可从经验上被确定并对不同洗衣机是不同的。与方法20、30相类似，可选择预设振幅和余量阈值以设置希望的失平衡灵敏度水平。例如滤波器输出阈值为大约-40rpm，而累积差阈值的范例值为大约400rpm。
当方法40期间确定负载为失平衡，洗衣机可执行恢复方法60、任何其它适合的恢复方法或另一恢复方法70(这取决于检测到不平衡时的洗涤篮106的转速)。如果洗涤篮106的转速大于预设转速(例如850rpm)，则洗涤篮106停转，并且结束旋转周期。在该例中，由于已对衣物旋转若干分钟，因此用户无需手动地对负载进行再平衡并再次执行旋转周期。然而，如果洗涤篮106的转速低于预设转速，则旋转周期停止，而控制器116通过视觉或听觉信号将信号发给用户，告知用户负载不平衡并需要用户干预以在旋转周期重新开始前重新分配负载。
除了高速失平衡检测方法40，能在旋转周期所有转速下有效并运行于其它方法20、30、40背景中的功率限制方法50保护洗衣机100免受高转速条件下不平衡负载的影响。尽管低速或中等转速失平衡检测方法20、30或其它失平衡检测方法能剔除失平衡负载，但未经检测或允许通过的某些失平衡负载会在更高转速下产生问题。如果听任转速上升至设定点最大转速，这些失平衡负载产生增加的机壳振动、地板振动和噪声。
具有失平衡负载的洗涤篮106要求从电动机110获得比具有良好平衡负载的洗涤篮106更高的功率以达到设定点最大转速。结果，尝试使具有失平衡负载的洗涤篮106旋转至设定点最大转速会使电动机110过载并损坏洗衣机100。通过限制旋转中的电动机110的最大功率输出，具有失平衡负载的洗涤篮106无法达到设定点最大转速，而是以由最大功率输出所允许的转速旋转。因此，当限制电动机110的最大功率输出时，具有失平衡负载的洗涤篮106的实际最大转速小于设定点最大转速，由此保护电动机110不至于过载。
由于功率是转矩的函数，因此可通过限制最大转矩输出来限制最大功率输出，这是通过电动机110的超前角α控制的。在理论限值以上，更大的超前角对应于更大的转矩输出；因此，为了限制可用于驱动洗涤篮106的功率，在旋转周期内，方法50通过设置电动机110的最大超前角α而设置最大转矩输出。例如，α＝85°被认为是电动机的标准最大超前角，因为超前α＝85°，电动机110的效率下降。
来自为电动机110提供电压源的电源线的线电压会极大地影响电动机110的操作。理想地，线电压等于被用来设置电动机110工作参数的标定线电压(例如120V)，然而事实上，线电压会变化并与标定线电压不同。为了不考虑线电压地将电动机110的最大转矩输出归一化从而当负载失平衡时避免电动机110过载，基于线电压设置或调整最大超前角。总地来说，线电压增加与给定超前角的更高的最大转矩输出对应。因此，为了维持所希望的最大转矩输出，随着线电压增加，最大超前角从标准最大超前角开始减少。如果线电压超过标定线电压而最大超前角保持恒定，则最大转矩输出大于所要求的最大转矩输出，由此可能导致电动机110的过载。
方法50在旋转周期的早期检测线电压，例如在转速稳定区间(即恒定转速)。根据一个实施例，在转速稳定区间的转速为低速，而范例性低速为大约20rpm。通过测量电动机110的DC干线电压(也被称为高压DC(HVDC))而近似地获得线电压。HVDC和线电压之间的关联由图14示意性地示出并通过下列等式从数学上近似地计算得到线电压(RMS单元中)＝[HVDC(DC单元中)-5]/22采用其它等式或关系以确定来自HVDC的线电压也落在本发明范围内。在确定来自HVDC的线电压之后，设置最大超前角以限制最大扭矩输出。最大超前角可从经验上确定的查找表中被读取，该查找表的一个例子给出于图15中。图15中的表提供HVDC范围内的最大超前角，它指示图14所示和上述的线电压。
在操作中，洗涤篮106可仅以最大转矩输出所能获得的转速那么快地旋转，如由所选的最大超前角限定的。如果洗涤篮106装有不平衡负载并要求比最大超前角所能获得转矩更大的转矩以达到设定点最大转速，则洗涤篮106以低于设定点最大转速的实际最大转速旋转。结果，由于高转速下不平衡负载引起的对洗衣机100的潜在损坏被防止。
已对转速范围内采用的每种方法20、30、40和50进行了说明，其中方法20、30、40的范围包括与洗衣机10中的质块的固有频率对应的转速。然而，在任何适当的转速范围内(包括包含旋转周期的整个转速范围的转速范围)利用方法20、30、40和50也在本发明范围内。
尽管方法10在上面已被描述为包含独立的低、中和高速失平衡检测方法20、30、40和功率限制方法50，但方法10仅包含方法20、30、40、50或方法20、30、40、50的子集也落在本发明范围内。可单独使用方法20、30、40、50或结合任何其它方法20、30、40、50而使用。另外将方法20、30、40、50中的任何一种与上述方法以外的方法结合使用也在本发明范围内。
单独使用或与方法20、30、40、50结合使用的另一失平衡检测方法80的一个例子如下所述。可在特定转速范围内利用方法80，包括包含旋转周期整个转速范围的转速范围。在旋转周期中，在采样窗内(例如洗涤篮106的一转)以预设采样速率(例如八个转速采样/转)测量洗涤篮106的转速。现在参阅图16中的示例，其中电动机转速由实线表示，基准线82从采样窗88中的第一转速采样84中引出并指向采样窗88的最末转速采样86，而采样窗中每个转速采样和基准线82之间的差(由箭头90表示)被计算出。然后将差90累加并用来确定是否存在不平衡。例如，将所累加的差与预设阈值比较以确定是否存在不平衡，如果该差高于阈值，则将所累加的差加至累积/余量值。如果累积值高于累积阈值，则确定负载不平衡。在负载不平衡的情况下，控制器116执行适当的恢复方法，停止旋转周期，降低最终转速或执行任何其它适当功能。如果确定负载为不平衡，则平移采样窗(例如平移一个转速采样)，并且通过确定在新的第一转速采样84’和新的最末转速采样86’之间的新的基准线82’而使方法80重复。作为计算采样窗88和基准线82中采样转速之间的差90的另一方法，可计算由转速采样定义的曲线和基准线82之间的面积(即积分)，并且如果存在不平衡，则以相同方式对该面积进行处理。方法80消除了由于渐进加速度产生的影响并因此在加速期间以及稳定状态状态或转速平稳区间内是可靠的。
上面给出的方法80的范例性采样窗是一种解决方案，然而对更高回转数(例如四转)的次级滤波器能工作在更高的转速下以检测次级失平衡模式，在次级失平衡模式中洗涤篮106不是每次撞击机壳104，而使以更低的频率从机壳104的一端向另一端弹起。
已经就说明为目的对用于本发明背景技术中描述的范例性垂直轴洗衣机100的方法20、30、40、50和80进行了说明。如上所述，方法20、30、40、50和80可用于任何合适的洗衣机中，包括任何其它类型的垂直轴洗衣机和水平轴洗衣机。另外，洗衣机100用包含作为从机壳104顶部开始悬置的桶102以及洗涤篮104的质块表示和说明。然而具有支承于机壳104底部的洗衣机以及具有混合系统的洗衣机(其中部分支承于机壳104顶部、部分支承于机壳104的底部)相关的任何方法也在本发明范围内。
尽管已结合某些具体实施例对本发明进行详细说明，但要理解这是示例性的并且不构成限制，而所附权利要求的范围应被广泛地解释为现有技术所允许的任何情况。
权利要求
1.一种检测洗衣机中衣物负载的失平衡状态的方法，所述洗衣机包括其中安装有质块的机壳，所述质块包括桶和安装在所述桶内并界定用来容纳衣物负载的洗涤腔的洗涤篮，所述洗衣机还包括使洗涤篮绕转动轴转动的电动机，所述方法包括接收表示所述洗涤篮转速的多个频率转速信号；以及从所述多个频率转速信号中提取出表示所述衣物负载的失平衡状态的至少一个频率信号。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述失平衡状态指数洗涤篮的摇动。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述频率信号具有大约1.0Rev-1的频率。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述失平衡状态指数洗涤篮的顶部或底部的撞击。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述频率信号具有大约0.5Rev-1的频率。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述失平衡状态指数桶不稳定地撞击机壳。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述频率信号具有约1/8Rev-1和约1/5Rev-1中的至少一个的频率。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述提取包括对来自包含多个频率转速信号的多个频率信号的至少一个频率信号进行滤波。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一个频率信号包括两个表示衣物负载失平衡状态的频率信号，其中每个频率信号对应于失平衡状态的不同影响。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括从所述至少一个频率信号确定失平衡状态的存在。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述失平衡状态存在的确定包括将所述至少一个频率信号与振幅阈值进行比较。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述失平衡状态存在的确定还包括从所述至少一个频率信号与振幅阈值的比较中确定一余量并将所述余量与余量阈值进行比较。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，将所述至少一个频率信号与振幅阈值进行比较包括计算振幅阈值和至少一个频率信号之间的差。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，当所述至少一个频率信号小于所述振幅阈值时，则进行所述差的计算。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述转速信号是电动机的转速。
16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个频率转速信号的接收包括在预设转速范围内接收多个频率转速信号。
全文摘要
一种失平衡检测方法包括多种失平衡检测机制，它们利用洗涤篮转速检测横跨整个旋转周期的转速范围并包括与包含洗涤桶和洗涤篮的质块的固有频率对应的转速的转速范围内的失平衡负载状态。这些机制可单独使用或与一种或多种其它机制结合使用。当存在失平衡状态时，失平衡检测方法还包括功率限制方法以防止电动机超载。
文档编号D06F39/00GK1916266SQ20061009154
公开日2007年2月21日 申请日期2006年6月7日 优先权日2005年8月16日
发明者A·C·斯坦瑟尔, M·F·S·奈托, J·L·克莱蒙司, B·J·库克, A·J·达比 申请人:惠尔普尔公司, 费舍及佩克尔装置有限公司