专利名称：滚筒控制方法
技术领域：
本发明涉及一种滚筒式洗衣机及类似离心脱水装置的脱水控制方法，尤其是使滚筒中的物料均匀分布的控制方法，和检测滚筒中物料偏心程度的方法，以及根据不同偏心程度进行操作的方法。
背景技术：
滚筒式洗衣机、脱水机以及类似设备，其共同特点是有一个绕水平中心轴旋转的近似圆柱形、鼓形的容器——滚筒，内装物料(如衣物等)，通过绕其轴高速旋转，实现离心脱水等功能。也有的设备的旋转容器的旋转轴不水平，与水平面呈一较小夹角，通常小于30°，这种情况属于近似水平，它与旋转轴水平的情况在本专利中没有区别，视为等同。其共同困难是由于重力与容器呈非对称关系，其中的物料易于偏向一边，不易分布均匀，高速旋转时产生较大的偏心力，产生强烈的振动、噪音。
解决此问题通常有三类办法一是设置减振装置，此法不能减小偏心程度，只能减小偏心的危害；二是设置平衡装置，如三洋的02121952.4、02142600.7等，采用水箱作为平衡器，以抵消不均匀性，结构相当复杂；三是通过控制滚筒的运动，使物料分布均匀，此类方法的关键在于滚筒转速曲线的设计，本发明即属此类。
控制滚筒运动类方案中，中国专利86204733、98221461.8试图通过低速旋转消除物料不分布均匀，但由于未找到技术关键点，滚筒转速过高，效果不佳；以LG电子株式会社的中国专利申请03103407.1为代表的专利提供了一系列测量不平衡质量的方法，以测量的结果为依据进行控制，其中采用的均匀化方法，与前两专利基本相同；日本三洋的中国专利96104148.X中提到了缓慢加速过程，但未说明其效果，也未将其作为均匀化操作(该文称偏心修正)；日本东芝的中国专利申请00104006.5则采用滚筒小角度晃动的方法，据介绍实际效果较好，但其控制方法也显得比较复杂，科学依据也显得不是很充分。
LG电子株式会社的中国专利申请03149010.7公开了一种方法，将滚筒转速由40±5(转/分)按预定加速斜率线性加速至110±20(转/分)，有较好效果。但由于该方法未区分加速过程中各阶段速度的功效，在均匀化的效果与所需时间上难以兼顾加速度较小时，效果好但时间较长；加速度较大时，时间短则效果较差。
发明内容
本发明的目的是提供一种滚筒控制方法，它能使滚筒中的物料均匀分布，效果佳、时间短；并提供一种检测偏心程度的方法，检测灵敏，可靠；进而提供基于此均匀化和检测方法的脱水控制方法。
整个脱水过程由依次进行的均匀化操作、偏心检测、预脱水或主脱水操作等步骤构成。
本发明提供的物料均匀化的基本方法是均匀化操作包含依次进行的分散化操作、分布操作和压贴操作。所述分散化操作，是将滚筒在(0.6～0.9)NF的转速范围内旋转2圈以上。通常分散化操作不超过10圈。所述分布操作，是将滚筒从分布操作起点转速，以特定的加速度加速，使滚筒上某特定点旋转到最高处的速度恰好等于分离转速NF；该分布操作起点转速在(0.6～0.9)NF范围内，该特定点沿旋转方向到最高处的角距离为0.6～1圈。通常分布操作起点转速等于分散化操作结束时的转速。所述压贴操作，是将滚筒从压贴操作的起点转速NYQ，以转速阶跃或逐步增大的方式，加速到压贴终点转速NYZ，且加速过程中滚筒旋转2圈以上；压贴操作的起点转速NYQ在NF与1.1NF之间，终点转速NYZ大于1.2NF，通常在1.2NF与1.42NF之间。
上述NF是分离转速，是滚筒的一个特征量，其定义为NF=602πg/R0,]]>单位为转/分(RPM，惯用工程单位)。其中R0为滚筒内壁半径，g为重力加速度，π为圆周率。分离转速的物理含义为当转速小于分离转速时，物料在顶端将因重力下落而与滚筒分离；反之，则不分离，即使在滚筒的最高点。
对于常用的家用滚筒洗衣机，R0≈0.25米，分离转速NF≈60转/分。此时，分散化操作转速为36～54转/分，起点转速NYQ在60～66转/分，终点转速NYZ大于72转/分，通常在72～85RPM之间。
上述方法的原理是滚筒转速低于分离转速时，物料随滚筒旋转上升到一定高度将与滚筒分离，变为抛体运动，落下时在滚筒中产生分散的效果，这就是分散化操作。这种分散化效果理论上在转速为(0.52～0.82)NF时最为强烈，大于0.82NF时较弱。由于物料与滚筒间有相对滑动，实际上表现为转速在(0.6～0.9)NF时最为强烈，大于0.9NF时较弱。当滚筒以(0.6～0.9)NF转速旋转时，物料在滚筒中逐渐均匀分散在滚筒下部的一段圆弧和空中的一段抛物线上，这两段的总长度小于滚筒的圆周。通过一个适当的加速过程，可以将这两段上的物料，近似均匀地分布到整个圆周上，这就是分布操作。滚筒转速大于分离转速时，由于惯性离心力的作用，物料在旋转到最高点也不下落而紧贴容器内壁，此现象称为离心力压贴，简称压贴。压贴操作就是利用压贴现象，通过进一步加速，将物料均匀分布的状态固定在滚筒内壁。
下面结合图1，详细分析其中的物理过程，进一步说明上述原理，并给出各个操作过程的优化参数。
如图1，设半径为R0的滚筒[1]以逆时针方向旋转，转速为N，滚筒内壁线速度为V，有V=2πR060N]]>以容器圆心[O]为原点建立XY坐标系。物料的一个微元抽象为质点，设其质量为M、角位置为θ。N小于分离转速。在未分离时质点受重力Mg和容器壁压力P，由于滚筒容器[1]内壁通常有举升筋，分析时忽略物料与滚筒间的切向滑动，故仅考虑法向，有P/M+gsinθ＝V2/R0对分离点[A]，令P＝0，有gsinθ＝V2/R0于是有N=602πgR0sinθ=NFsinθ,]]>sinθ＝(N/NF)2＝ξ2其中NF=602πg/R0,]]>ξ＝N/NF＝V/VF，VF=gR0]]>上述NF即是分离转速，ξ称归一化转速，VF则是ξ＝1时的线速度。
这样分离点[A]的角位置θ就直接由转速确定。在直角坐标系XOY下，其位置、速度为XA＝r×cosθ，YA＝r×sinθ，VAX＝-V×sinθ，VAY＝V×cosθ分离后，物料以抛物线[2]运动至落点[B]，于是抛物线[1]的参数方程可写为
X＝XA+VAXt，Y＝YA+VAYt-gt2/2消去时间t，注意到g/V2=1R0×sinθ,]]>得到抛物线轨迹方程Y-R0×sinθ=-cosθsinθ(X-R0×cosθ)-(X-R0×cosθ)22R0×sin3θ]]>令落点[B]的角位置为β(按数学惯例β为负值)，则在直角坐标系XOY下坐标为XB＝r×cosβ，YB＝r×sinβ代入抛物线方程并化简、整理可得2sin3θsinβ＝-cos2β+2cos3θcosβ-3cos2θ+2两边平方，并将sin函数全部化为cos函数，并令z＝cosβ、c＝cosθ，有z4-4c3z3+(12c4-6c2)z2+(-12c5+8c3)z+(4c6-3c4)＝0该式可因式分解为(z-c)3(z-4c3+3c)＝0于是有解cosβ＝cosθ和cosβ＝4cos3θ-3cosθ＝cos3θ显然，第一个解对应[A]点，即β＝θ第二个解对应[B]点，即β＝-3θ由X方向的抛物线参数方程，可求出由[A]点到[B]点的时间tAB=(XB-XA)/VAX=(R0cos3θ-R0cosθ)/(-VSinθ)=2R0VSin2θ]]>于是[B]点的速度为VBX＝VAX＝-V×sinθVBY=VAY-gtAB=V×cosθ-2gR0VSin2θ=-3VCosθ]]>该速度在[B]点按滚筒内壁切向与法向可分解为VB∥和VB⊥，在该方向建立如图的坐标系X`BY`，此坐标系可视为坐标系XOY旋转β＝-3θ角度而成，于是VB⊥＝VBX`＝VBXCosβ+VBYSinβ＝V×[2Sin2θ+Sin4θ]
VB∥＝VBY`＝-VBXSinβ+VBYCosβ＝-V×[2Cos2θ+Cos4θ]滚筒内壁在法向上不运动，因而VB⊥就是该方向的相对运动速度；切向上滚筒内壁运动速度就是线速度V，物料与滚筒内壁的切向相对速度为VΔ＝V-VB∥＝V×[1+2Cos2θ+Cos4θ]将关系式V＝ξVF和sinθ＝ξ2代入，可得VB⊥=8VF(ξ3-ξ7)1-ξ4]]>VΔ＝4VF(ξ-3ξ5+2ξ9)两个相对速度的图像如图2，可以明显看出有最大值，令其导数为零，可得ξB⊥Max=134≈0.76--ξΔMax=(5-17)/124≈0.52]]>即在归一化转速为0.52和0.76附近区域，切向和法向上的相对速度分别最大，0.52～0.76之间的区域两相对速度较大，而两端的区域相对速度都较小。另外在ξ=124≈0.84]]>处，切向的相对速度为0。
切向的相对速度(简称切向速差)和法向的相对速度(简称法向速差)以不同的机理在分散化操作中起作用切向速差产生的切向力，它有两个效果——平铺与自旋平铺是由于物料与滚筒在切向有相对运动，依次落下的物料就会被切向力带走，分散在滚筒的不同位置；自旋则是物料因受切向力作用，绕自身重心的旋转。法向速差产生的法向冲力，它的主要效果是冲击，即物料跌落的滚筒壁上，因冲力四下散开。显然速差越大，对应的效果越强。因此，分散化操作应选择速差大的区域。
对于不同的物料构成，冲击、平铺与自旋的强度和作用有差别。对于由若干小件、重量轻的衣物构成的轻小物料——如普通衣裤、普通棉麻制品、化纤制品等，切向力的主要效果是平铺。而对于由大件、重量重的物料构成的重大物料——如床单、被套、毛巾被、风衣、大衣、加厚棉质内衣等，切向力的主要效果是自旋。法向冲力的冲击效果，则对轻小物料效果显著，对重大物料效果相对较差。换言之，低速段重自旋，高速段重冲击。
因此，分散化操作还应该分区域进行先在切向速差大的区域，使物料在自旋的离心力作用下分散，简称离心分散；再在法向速差大的区域，使物料在冲击力作用下分散，简称冲击分散。实验表明对轻小物料，只进行冲击分散就有较好效果。所以，更精细的方法为对轻小物料只进行冲击分散；对重大物料先进行离心分散，再冲击分散。至于物料构成种类的选择，一种简单的方法是在洗衣机上安装代表衣物种类的按键，由人进行设定，即在装入衣物时由人按下相应按键即可。当然也可以采用智能识别的方法。
以上分析都忽略了物料与滚筒之间的滑动，实际上，轻微的滑动是不可避免的，物料速度小于滚筒速度，因此，滚筒速度应适当增大。考虑后滑动离心分散的归一化转速修正为0.6～0.75，冲击分散修正为0.8～0.9，总体上修正为0.6～0.9。分散化操作时各区域或总体都应旋转2圈以上，才有较好的效果。通常旋转2～8圈。由于离心、冲击分散两个区段转速的范围不大，可以分别采用固定转速。
分散化操作结束时，物料分布在滚筒内壁的一段圆弧与空中的抛物线上，如图1中[A]点与[B]点之间的圆弧与抛物线，此两段曲线的总长小于滚筒内壁圆周长。通过一个加速度适当的加速过程，可以将物料近似均匀的分布到整个滚筒内壁，这就是分布操作。其原理是加速过程中物料的落点将向后移动，使每一小段物料尾点的向后移动量大于起点，分布区域加大，产生拉长效果，总体效果是实现向整个滚筒内壁的均匀映射。落点后移分为飞行后移与加速后移，下面分别说明。
飞行后移是物料在沿抛物线飞行的过程中，由于滚筒加速，落点向后移动的现象。如图1，物料在[A]点与滚筒分离，在[B]点空间位置落下。在物料飞行的过程中，如果滚筒匀速转动，滚筒上的[D]点将旋转到[B]点位置；如果滚筒加速转动，滚筒上的[E]点将旋转到[B]点位置。显然，[E]点在[D]点位置之后，这就是飞行后移。
加速后移是前移角随速度增大而减小的现象。先说明前移角的概念如图1，物料在[A]点与滚筒分离，在[B]点空间位置落下。假设滚筒匀速转动，在物料飞行的过程中，滚筒上运来的[A]点旋转到[A’]点位置。因此，抛射过程相当于[A’]点的物料向前移动到[B]点，角BOA’就是前移角α。由图1可得α=∠BOA′=2π-θ-|β|-∠AOA′=2π-4θ-2πN60tAB=2π-4θ-2Sin2θ]]>=2π-4arcsinξ2-4ξ21-ξ4]]>
分布操作开始时，物料大致可认为均匀分布在弧ABD上，其中，弧BD是抛物线中飞行物料折算的。这样，选择适当的加速度，使[D]点旋转到最高处[C]点时的速度正好是分离速度，就可以实现物料在整个滚筒内壁的近似均匀分布。进一步考虑初始阶段抛物线中物料飞行后移，可用[E]点替代[D]点，效果更优。因为物料在旋转到靠近最高处[C]点而抛射时，其速度已经接近分离速度，抛射后的加速后移和飞行后移都较小，而开始阶段的飞行后移正好对此进行补偿。BE段长于BD段，补偿更充分，不过两点的差别并不太大。同理，选其它点以调节补偿量理论上也是可行的，不过实际差别也不大。
不同的起始速度影响[E]点或[D]点的位置，在起始转速为(0.6～0.9)NF范围时，两点沿旋转方向到最高处[C]点的角距离大致在0.6～1圈范围，这就是选点的范围。
当转速大于分离转速NF时，由于惯性离心力的作用，物料在旋转到最高点也不下落而紧贴滚筒内壁，此现象称为离心力压贴，简称压贴。但上述结论只是对紧邻滚筒内壁的物料才成立。事实上，对此问题的确切描述为对每一个大于分离转速NF的压贴转速NY(即ξ＞1)，对应着一个压贴半径RY，其关系为RY=g(602πNY)2=NF2NY2R0=R0/ξ2,NY=602πg/RY=NFR0/RY]]>
当滚筒以转速NY旋转时，大于或等于压贴半径RY的物料都会被压贴，显然RY＜R0。还可以引入压贴体积，是RY与R0之间的空间。通常滚筒内部近似为圆柱，该区域截面近似为圆环，故压贴体积为πL(R02-RY2)。其中L为滚筒的长度。对非圆柱形滚筒(如鼓形)，可根据容器形状，由几何方法导出压贴体积。于是，压贴转速、压贴半径、压贴体积之间构成一一对应关系。
压贴过程不仅是将分散化的物料固定住，其本身也有均匀化的效果按压贴半径可将滚筒划分为内圈与外圈，外圈的物料被压贴，内圈的物料仍作抛射运动。假设某一时刻物料分布不均匀，外圈中已有部分物料被压贴，但尚未填满，内圈中仍有物料作抛射运动。由于抛射运动导致物料前移(前面已求出前移角)，内圈中物料将有机会落到外圈中未填满的地方；一旦落入，就会被压贴“固化”。这样，只要时间足够长，外圈就会被填满。
对于ξ＝0.76(此处的ξ是对压贴半径而言，与前面稍有差异)，有α≈0.62π，大约为111°。设某小块物料初始位置为0°，经过两次抛射，物料经过的点分别为、111°、222°，基本在圆周的三等分点附近，即经过大约2圈左右，就能形成外圈完全填充，这其实是较坏的情况。由于外圈已填物料，举升筋对于内圈物料作用较弱，存在较大的滑动，归一化转速ξ往往很小，α→2π，这时的物料是向后滚动，于是只要经过大约1圈左右，就能形成外圈均匀填充。这是最好的情况。因此，前述“时间足够长”的含义是大约1～2圈左右。当然，此分析是建立在物料的流动性好的基础上，对衣物，流动性欠佳，可适当增加圈数，实际可取1～3圈。4圈或以上也是可以的，但改善不大。
如果物料的体积恰好等于外圈的体积，且物料的流动性好(如颗粒状物料)，即可实现全部物料的压贴，这就是一步压贴法。一步压贴是最理想的，但条件要求比较苛刻。但如果压贴过程中转速是逐渐增大，压贴半径就是逐渐缩小；如果加速过程较缓慢，滚筒在此间旋转了2圈以上，物料就是一层一层被压贴，这就是分层压贴。如果加速过程是匀加速过程(也称线性加速过程)，压贴轨迹就近似为一条由外向内的螺旋曲线，如图3，此种压贴称为螺旋压贴。如果加速过程中转速阶跃变化，压贴轨迹就是一些同心圆弧；如果每一段都超过一周，压贴轨迹就是一些同心圆，如图4，此种压贴称为同心压贴。显然，如果同心圆超过2个时，使其基本均匀分布——各相邻同心圆的半径之差近似相等——是有益的，称为等间距原则。同心压贴由于采用几个分立的固定转速，电机控制的难度相对降低，是较好的方式。当然，这里的匀加速和阶跃变化等都是理想化描述，实际情况总是有偏差和波动的，因此，各转速、压贴半径、螺旋、同心圆等都可理解为平均、近似意义上的。
如果全部物料不足以填充外圈，也不能形成均匀填充。分层压贴是通过逐渐减小压贴半径，使不均匀只出现在最后一个分层。因此，分层压贴并非完全消除偏心，而是将偏心的大小限制在一层之内。所以，减小各层厚度，也是减小偏心的途径，但这会使压贴时间增加。一般分层数为取2～6层。
利用物料的体积信息，可以压贴过程进行优化。通常获取物料体积的准确值是困难的，但可以知道物料体积的大致范围，因而知道体积可能的最小值与最大值，由最小值求出压贴起点的压贴半径RYQ和转速NYQ，由最大值求出压贴终点的压贴半径RYZ和转速NYZ，缓慢加速的压贴过程从NYQ开始，到NYZ结束。这样压贴只在半径差(RYQ-RYZ)的区间进行，同样分层数下厚度减小，压贴效果更好由压贴体积可以推出起始压贴转速NYQ应在(1～1.1)NF区间，因为1.1NF时，压贴体积约为滚筒容积的32％，NYQ＜1.1NF才能保证衣物少时的压贴效果。同理，终点压贴转速NYZ应大于1.2NF，1.2NF时压贴体积约为52％，NYZ＞1.2NF才能保证衣物多时的压贴效果。另外，终点压贴转速NYZ一般不大于1.42NF，因1.42NF时压贴半径约为R0/2，压贴体积约为75％，这基本上是滚筒洗衣机的装料极限，因为装料太多实际上是无法洗涤的。而且，如果装料超过75％，基本上也不会出现偏心故障。对家用滚筒洗衣机，1.42NF对应转速为85转/分。
也可以采用不完全压贴的方法，是以最大值的一定比例(如80％)求出终点压贴半径RYZ和转速NYZ。这样可以使RYZ增大、NYZ减小，压贴半径差(RYQ-RYZ)减小，从而减少分层或改善压贴效果。未被压贴的部分(剩余的20％)可以视为另外一个单独的分层，在以后的加速过程中自然被压贴。尽管这可能产生不均匀，但符合分层压贴的原理——将偏心的大小限制在一层之内。而且这种不均匀只发生在装料超过该比例时(滚筒总容积75％的80％)。按此比例，终点压贴转速可由85转/分降为75转/分；若按69％比例，约为72转/分。
压贴过程完成后，继续旋转2圈以上，进行偏心检测，方法为以固定的周期对电机进行开关控制，每个周期开始时，若滚筒转速低于终点转速NYZ，则电机通电一周期，否则断电一周期；同时记录每个周期的开关状况及转速。
通断电的周期一定要短，通常少于30毫秒，最大不超过50毫秒，否则在一个通电周期中转速增加太多，同时测量点少，影响测量效果。对交流电机，通常取交流电的周期。
顺便说明一下，偏心检测时的转速就是压贴的终点转速NYZ。显然不能以低于NYZ的转速进行偏心检测，因为这会破坏压贴效果；有意地降速更是多此一举。实际上也不能以高于NYZ的转速进行偏心检测，因为加速的过程实际上构成新的压贴过程，压贴的终点转速NYZ因更改为检测时的转速。另外，提高转速是不好的。
以较低的转速进行检测有更好的效果，可以增加检测灵敏度。偏心检测的原理实际上是测量偏心时重力势能释放引起滚筒转速增加的程度，转速增量越大，检测越灵敏。设偏心的重力势能为E，释放前后滚筒转速分别为ω1、ω2，滚筒转动惯量为I，根据能量守恒12Iω22=12Iω12+E⇒ω2=ω12+2E/I]]>Δω=ω2-ω1=ω11+2EIω12-ω1≈EIω1]]>即在一级近似下，转速增量与初始转速ω1成反比，转速越低，灵敏度越高。本发明将检测转速控制在72～85转/分，灵敏度高于现有技术。
根据记录的开关序列和速度序列，可以判定滚筒的偏心程度，并设立从0级到K级的偏心程度依次增加的多个偏心程度等级，0级偏心为不偏心，K级偏心程度最大，其中K为自然数，K≥2。
判定的方法有多种，一种简单的方法是检测转速的最大值，但这种单点检测易受干扰信号影响。用平均值代替最大值，是抗干扰的有效方法，与开关序列配合效果更佳。具体为当检测期间连续断电次数始终小于一定的次数时，判定滚筒0级偏心，即不偏心；大于或等于上述次数时，将断电期间的速度累加，其和除以次数得到平均值，根据平均值的大小判断偏心程度，平均值越大偏心越大。
另一种相似的基于波形识别的方法效果更好，具体为当检测期间连续断电次数始终小于一定的次数时，判定滚筒0级偏心，即不偏心；否则，初步判定滚筒偏心，进一步根据该组采样点的转速序列判定偏心程度设定K-1个大于终点转速NYZ且递增的判定转速NP2、NP3、…、NPk，和K-1个判定次数C2、C3、…、Ck，从高到底进行判断当该转速序列中大于判定转速NPi的次数大于判定次数Ci，判定为i级偏心；其余为1级偏心。其中i为自然数，i≤K。
根据所测得的偏心程度，可以确定后续行动方案，同时，考虑均匀化操作的累积次数(即先前的失败次数)，动态调整判定标准依次进行K组均匀化操作尝试，每组若干次，从第1组开始在任何一次均匀化操作后，当检测到滚筒不偏心时，终止均匀化操作尝试，进行主脱水，否则若在属于第j组的均匀化操作及检测后，当偏心程度超过j级时，进行下一次均匀化操作尝试；否则，先进行预脱水，然后进行下一次均匀化操作尝试。其中j为自然数，j≤K若K组尝试完成后，尚未进入主脱水，则停机报警所述预脱水，是让滚筒以(4～6)NF的转速旋转一定的时间预脱水操作是将滚筒以(4～6)NF的预脱水转速旋转一定时间(通常1～20秒)，对于常见的家用滚筒洗衣机，该转速在240～360转/分。不难证明，离心加速度为a＝gξ2，滚筒以(4～6)NF的转速旋转，离心加速度为(16～36)g，此加速度有一定的脱水能力，同时即使偏心，滚筒的振动也不会太大。实验表明，当衣物的含水量很大时，衣物有很大的粘连性，前述均匀化操作有时效果欠佳；但经预脱水后，含水量减少，基本上都有好的效果。
本发明在详细的理论分析和实验基础上，通过优化均匀化操作的各区段——分散化、分布和压贴区段，取得了很好的均匀化效果，同时缩短了操作时间；采用低速检测，提高了灵敏度；采用离散的固定转速，可以简化电机的控制；通过预脱水，进一步保证了上述效果。
图1是抛射过程分析原理图。
图2是分散化过程的垂直与平行相对速度随转速变化图。
图3是螺旋分层压贴过程原理图。
图4是同心分层压贴过程原理图。
图5是实施例1脱水过程速度曲线示意图。
图6是实施例2脱水过程速度曲线示意图。
图7是无偏心的典型波形图8是轻微偏心的典型波形图9是严重偏心的典型波形图10根据偏心程度及均匀化操作次数的动作流程图中A.抛射点——物料与滚筒的分离位置，A’.物料落到落点时抛射点到达的位置B.物料落点的空间位置，C.滚筒的最高处，D.匀速转动时物料落点在抛射瞬间的位置E.加速转动时抛射物料预计落下后落点在抛射瞬间的位置具体实施方式
下面结合附图，给出实施例，进一步说明本发明提出的滚筒控制方法。
图5是根据本发明提出的优选实施例1，包含了分散化操作、分布操作、分层压贴、偏心检测、以偏心检测为基础的决策及预脱水等技术的具体实施方法。本例中滚筒的半径0.25米，均匀化和检测阶段的速度曲线如图5所示，其流程如下(一)滚筒以42(转/分)转速旋转8秒，约5～6圈，以实现离心分散操作。
(二)滚筒以53(转/分)转速旋转6秒，约5～6圈，以实现冲击分散操作。
(三)滚筒从53(转/分)的转速，以11(RPM/秒)的加速度，加速到64(转/分)。
(四)滚筒以64(转/分)转速旋转2～3圈，约2～3秒，压贴半径约0.22米。
(五)滚筒以69(转/分)转速旋转1～2圈，约1～2秒，压贴半径约0.19米。
(六)滚筒以75(转/分)转速旋转1～2圈，约1～2秒，压贴半径约0.16米。
(七)滚筒以83(转/分)转速旋转5～6圈，约4秒，压贴半径约0.13米。在后3圈进行偏心检测。
(八)根据检测的偏心程度，结合均匀化操作次数，决定进行主脱水、预脱水或返回步骤(一)重新均匀化操作。
下面详细说明上述流程及其技术要点。
步骤(一)、(二)是分散操作，分为离心分散和冲击分散两段，离心分散的取值范围是(0.6～0.75)NF，本例为0.7NF，冲击分散的取值范围是(0.8～0.9)NF，本例约为0.88NF。离心分散和冲击分散的原理及技术要点前面已有详细说明，不再重复。
步骤(三)是分布操作，从上一步骤的53(转/分)一直加速到下一步骤的64(转/分)。加速度是以分布操作开始瞬间所抛射物料，预计落下后落点所对应的滚筒上的点，即图1中的[E]点，旋转到最高处[C]点的速度，恰好等于分离转速NF，这个约束条件求得的。其计算过程为设开始时角速度为ω1，[E]点到达[C]点时角速度为ω2，于是有ω1＝ξωF，ω2＝ωF，其中ωF=VF/R0=g/R0,]]>是ξ＝1时的角速度前面已求得开始瞬间所抛射物料的飞行时间TAB=2R0VSin2θ=4ξ1-ξ4/ωF]]>设角加速度为Ω，于是弧BE的弧角为∠&Bgr;Ο&Egr;=ω1&Tgr;&Agr;&Bgr;12Ω&Tgr;&Agr;&Bgr;2]]>[E]点旋转到最高处[C]点的角位移，即弧EBC的弧角，为s=∠BOE+|β|+π/2=ω1TAB+12ΩTAB2+3θ+π/2=s0+12ΩTAB2]]>其中s0=ω1TAB+3θ+π/2=4ξ21-ξ4+3arcsinξ2+π/2,]]>其实[D]点到[C]点的弧角，若以[D]点作为特定点，下列计算以s0替代s即可。
根据约束条件，有ω22-ω12=2sΩ,]]>带入各项并整理，得到Ω的一元二次方程TAB2Ω2+2s0Ω-(1-ξ2)ωF2=0]]>解此方程就得到角加速度ΩΩ=s02+(1-ξ2)ωF2TAB2-s0TAB2=s02+16ξ2(1-ξ2)(1-ξ4)-s016ξ2(1-ξ4)×gR0]]>求得的角加速度Ω单位为国际单位(弧度/秒2)，转换为工程单位(RPM/秒)即可。
本例中实际起始转速为53(转/分)，但考虑物料与滚筒的滑动，计算时降为49(转/分)，计算得Ω＝10.7(RPM/秒)，取11(RPM/秒)。
步骤(四～七)是同心压贴操作，遵循了等间距原则，间距均为0.03米。压贴操作的原理及技术要点前面已有详细说明，不再重复。
步骤(七)后期进行偏心检测，方法如前所述，采用的通断电周期为民用50Hz交流电的周期20毫秒，测得的典型数据如图7～9所示。图形中部曲线代表转速，下部曲线的小三角形代表电机通电，无三角形代表电机断电，纵坐标是转速，横坐标是测量次数。根据控制规则，转速一旦低于83转/分就通电一周期，实际平均转速约在85～86转/分，滚筒旋转一圈的测量次数约为34～35次。
图7是无偏心的典型波形，从中可看出电机通电的周期基本均匀分布，连续断电的周期数约为7～9次，小于滚筒旋转半圈的测量次数17次。转速波动幅度也基本均匀。
图8是轻度偏心的典型波形，可看出电机通电的周期分布不均匀，连续断电的周期数约为16～23次，接近或超过滚筒旋转半圈的测量次数17次。但在断电期间转速波动幅度还不高。
图9是严重偏心的典型波形，不仅连续断电的周期数接近或超过17次，而且在断电期间转速明显大幅度增加。因此，对在断电期间转速增加情况进行分类，可以确定偏心程度。
本例的实际判定规则是整个测量期间连续断电的周期数都不超过15次，为0级偏心(不偏心)；超过15次，初步判定有偏心。再根据该组超过期间的速度进一步判定若大于90RPM的次数大于12次，为4级偏心；大于89RPM的次数大于12次，为3级偏心；转速大于87RPM的次数大于11次，为2级偏心；其余1级偏心。显然，1级偏心实际上是转速大于87RPM的次数小于11次。
最后进行步骤(八)，根据检测的偏心程度，结合均匀化操作次数进行后续动作。只要出现0级偏心，就进行主脱水。在第一组的1、2次均匀化操作后，若出现2级及以上偏心，则返回步骤(一)；否则，先预脱水，然后返回步骤(一)。在第二组的3、4次均匀化操作后，若出现3级及以上偏心，则返回步骤(一)；否则，先预脱水，然后返回步骤(一)。在第三组的5、6、7、8次均匀化操作后，若出现4级偏心，则返回步骤(一)；否则，先预脱水，然后返回步骤(一)。若始终都是4级偏心，则停机报警。预脱水是以300转/分旋转10秒。其流程由图10显示，其中的均匀化操作和检测包含步骤(一)到步骤(七)。
步骤(八)的判断与步骤(七)的检测实际上是同时进行的。
图6是根据本发明提出的优选实施例2，与实施例1大致相同，区别在于均匀化和压贴区段采用连续的匀加速过程，偏心判定用平均值法，其均匀化和检测阶段的转速曲线如图6所示，其流程如下(一)滚筒从38(转/分)的转速，以1.4(RPM/秒)的加速度，加速到52(转/分)。
(二)滚筒从52(转/分)的转速，以11(RPM/秒)的加速度，加速到60(转/分)。
(三)滚筒从60(转/分)的转速，以3(RPM/秒)的加速度，加速到75(转/分)。
(四)滚筒以75(转/分)转速旋转3圈，进行偏心检测。
(五)根据检测的偏心程度，结合均匀化操作次数，决定进行主脱水、预脱水或返回步骤(一)重新均匀化操作。
下面对不同部分进行说明，相同部分不再重复。
步骤(一)是分散操作，采用连续的匀加速过程，包含了离心分散和冲击分散两个区域，加速时间约10秒，旋转约7.5圈。
步骤(二)是分布操作，与实施例1基本相同。
步骤(三)是螺旋压贴操作，采用不完全压贴，加速时间约5秒，旋转约5～6圈。即压贴分层约5～6层。匀加速压贴过程基本是等间距的。
步骤(四)是偏心检测，采用平均值法，具体为当检测期间连续断电次数始终小于18次时，判定滚筒0级偏心，即不偏心；大于或等于18次时，将断电期间的速度累加，其和除以次数得到平均值，根据平均值的大小，从高到低判断偏心程度平均值大于84rpm为4级，大于82rpm为3级，大于79rpm为2级，小于等于79rpm为1级。本例中检测通电的转速为75rpm，不偏心时平均速度就在78～79rpm，因此1级偏心中重力势能基本上刚好克服滚筒转动的摩擦损耗。这也可以作为分级的原则。另外，由于转速降低，旋转一圈的测量次数约为40次，不偏心判定标准也变为18次。
步骤(五)与实施例1步骤(八)基本相同。其流程也由图10表示，只是其中的均匀化操作由本例的步骤(一)(二)(三)代替。
以上各例中，都取滚筒的半径为0.25米，对于其他半径的滚筒，不难根据前述公式计算。
显然，同一发明可以有多种实施方式，本发明不仅限于以上实施例，普通技术人员根据本发明的思想和方法，可以构造其它实施例；也不仅限于滚筒式洗衣机，也适用于类似离心脱水装置。这不能认为是超出了本发明的范围。
权利要求
1.一种用于控制滚筒式洗衣机及类似离心脱水装置脱水过程中的滚筒控制方法，由依次进行的均匀化操作、偏心程度检测、高速主脱水操作等步骤构成，其宿主滚筒洗衣机或离心脱水装置包含滚筒、控制器、驱动电机及相应的调速器，还可以包含转速检测器、偏心程度检测器等部件，其特征在于均匀化操作包含依次进行的分散化操作、分布操作和压贴操作所述分散化操作，是将滚筒在(0.6～0.9)NF的转速范围内旋转2圈以上所述分布操作，是将滚筒从分布操作起点转速，以特定的加速度加速，使滚筒上某特定点旋转到最高处[C]的速度恰好等于分离转速NF；该分布操作起点转速在(0.6～0.9)NF范围内，该特定点沿旋转方向到最高处[C]的角距离为0.6～1圈所述压贴操作，是将滚筒从压贴起点转速NYQ加速到压贴终点转速NYZ，且加速过程中滚筒旋转2圈以上，其中NF≤NYQ≤1.1NF，NYZ≥1.2NF，NF=30πg/R0]]>其中R0为滚筒内壁半径，g为重力加速度，π为圆周率。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于所述压贴操作的压贴终点转速NYZ，不高于1.42NF。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于所述分布操作中所选特定点，是分布操作开始瞬间滚筒上的点[E]，分布操作开始瞬间从抛射点[A]所抛射物料飞行一段时间后落下时，该点[E]正好旋转到物料的落点。
4.根据权利要求2所述方法，其特征在于所述分布操作中所选特定点，是分布操作开始瞬间滚筒上的点[E]，分布操作开始瞬间从抛射点[A]所抛射物料飞行一段时间后落下时，该点[E]正好旋转到物料的落点。
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于所述分散化操作方法，是先将滚筒在(0.6～0.75)NF的转速范围内旋转2圈以上，再在(0.8～0.9)NF的转速范围内旋转2圈以上。
6.根据权利要求2所述方法，其特征在于所述分散化操作方法，是先将滚筒在(0.6～0.75)NF的转速范围内的固定转速旋转2圈以上，再在(0.8～0.9)NF的转速范围内的固定转速旋转2圈以上所述分布操作中所选特定点，是分布操作开始瞬间滚筒上的点[E]，分布操作开始瞬间从抛射点[A]所抛射物料飞行一段时间后落下时，该点[E]正好旋转到物料的落点所述压贴操作的加速过程分为不少于2个的分段，每分段内滚筒以固定转速旋转至少1圈，段间转速以阶跃方式加速；各分段遵循等间距原则，即相邻分段的压贴半径之差基本相等。
7.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述方法，其特征在于压贴操作完成后，继续旋转2圈以上，进行偏心检测，方法为以固定的周期对电机进行开关控制，每个周期开始时，若滚筒转速低于终点转速NYZ，则电机通电一周期，否则断电一周期；同时记录每个周期的开关状况及转速。
8.根据权利要求7所述方法，其特征在于根据记录的开关序列和转速序列，判定滚筒的偏心程度当检测期间连续断电次数始终小于一定的次数时，判定滚筒不偏心；否则，根据该组连续断电序列转速的平均值的大小判断偏心程度，平均值越大偏心越大。
9.根据权利要求7所述方法，其特征在于根据记录的开关序列和转速序列，判定滚筒的偏心程度，设立从0级到K级的偏心程度依次增加的K个偏心程度等级，0级偏心为不偏心，K级偏心程度最大当检测期间连续断电次数始终小于一定的次数时，判定滚筒0级偏心，即不偏心；否则，初步判定滚筒偏心，进一步根据该组连续断电期间的转速序列判定偏心程度设定K-1个大于终点转速NYZ且递增的判定转速NP2、NP3、…、NPk，和K-1个判定次数C2、C3、…、Ck，从高到底进行判断当该转速序列中大于判定转速NPi的次数大于判定次数Ci，判定为i级偏心；其余为1级偏心其中i、K均为自然数，i≤K，K≥2。
10.根据权利要求9所述方法，其特征在于从第1组开始，依次进行K组均匀化操作尝试，每组若干次在任何一次均匀化操作后，当检测到滚筒不偏心时，终止均匀化操作尝试，进行主脱水，否则若在属于第j组的均匀化操作及检测后，当偏心程度超过j级时，进行下一次均匀化操作尝试；否则，先进行预脱水，然后进行下一次均匀化操作尝试其中j为自然数，j≤K若K组尝试全部完成后，尚未进入主脱水，则停机报警所述预脱水，是让滚筒以(4～6)NF的转速旋转一定的时间。
全文摘要
本发明提供了一种均匀化方法、偏心检测方法和脱水控制方法，能使滚筒洗衣机及类似离心脱水装置中的物料均匀分布，减少偏心引起的振动、噪音。此法采用科学原理，将均匀化操作细分为分散操作、分布操作和压贴操作，通过优化每个细分过程，获得很好的均匀化效果。并采用短周期通断电机方法，采集滚筒以72～85RPM转速旋转一圈中因偏心引起的转速变化，对偏心程度的进行检测，有很好的效果。进而对较小偏心情况，以300RPM左右转速进行预脱水、重新均匀化，使脱水过程高效快捷，效果更佳。
文档编号D06F49/00GK1760430SQ20051010613
公开日2006年4月19日 申请日期2005年10月4日 优先权日2005年10月4日
发明者朱筱杰 申请人:朱筱杰