专利名称：洗衣机的制作方法
本申请是1998年9月22日提交的中国专利申请98119747.7的分案申请。
本发明涉及采用三相感应电机的洗衣机，特别是涉及对衣物量进行估计并且检测滚筒中衣物分布不均引起的不平衡的洗衣机。
大多数情况下，驱动普通洗衣机搅拌器的电机为单相感应电机。单相感应电机通过以电源频率和减速齿轮(例如齿轮和皮带)的减速比确定的恒定角速度转动来驱动搅拌器。单相感应电机的低速扭矩较小使得一次洗衣物量和洗衣物系统都是有限的。
JP-A-7-255988提出了一种利用无刷直流电机和反相器电路改变搅拌器转速的方法作为解决该问题的手段。
另一方面，JP-A-6-351292提出了一种通过利用反相器电路的V/f控制改变三相感应电机转速的方法。
例如在JP-A-61-8094中揭示了一种估计滚筒中衣物量的普通洗衣机。在现有技术中，驱动滚筒的电机在电机转速达到预定值时停止驱动，其中衣物量根据惯性转动下从电机断电到滚筒停转的时间估计得到。另一方面，JP-A-6-71085揭示了一种方法，其中施加在电机上的电压保持恒定并且衣物量根据安装在电机上的角速度传感器检测得到的角速度信息的变化估计出来。另外JP-A-5-3990揭示了一种根据输入电机的电流估计衣物量的方法。
在JP-A-3-70596揭示的检测滚筒内衣物分布不均引起的不平衡量的普通洗衣机中，检测振动的传感器安装在滚筒内以检测不平衡。另外JP-A-5-103895揭示了一种根据安装在电机上的角速度传感器检测角速度信息来检测不平衡状态的方法。而且JP-A-9-290089揭示了一种利用位置传感器来检测滚筒的不平衡状态并根据电机中电流变化测量滚筒内分布不均的衣物位置的方法。
与感应电机相比，利用DC无刷电机的方法会遇到DC无刷电机成本高的问题。
在利用反相器控制三相感应电机角速度的普通方法中，必须使电机的施加电压与频率之比V/f保持不变。但是三相感应电机的可控度差于DC电机。特别是在低速范围内它难以产生较大的扭矩。因此存在的问题是不大容易一次洗涤大量的物品。
根据驱动电机在惯性下转动的时间估计衣物量(例如重量)的方法精度较低。而且根据电机转动角速度估计衣物量的方法要求在电机上安装角速度传感器。
不管是根据预定电压下电机转动角速度变化还是根据输入电机的电流变化估计滚筒内衣物重量，上述方法存在精度低的问题。
检测滚筒内不平衡量的方法要求安装检测振动的传感器。另一方面，根据转动角速度的变化精确检测不平衡量要求高精度的角速度传感器，因此成本高昂。另外，根据输入感应电机的电流的波动检测不平衡量的方法检测精度较低。
本发明的一个目标是提供一种能够洗涤大量衣物的廉价洗衣机，它采用反相器驱动的三相感应电机以达到DC无刷电机的性能。
本发明的另一个目标是提供一种不用任何速度传感器就能够精确估计洗涤衣物量的洗衣机。
本发明的还有一个目标是提供一种洗衣机，特别是一种滚筒洗衣机，它能够精确估计滚筒内的衣物量并且精确检测滚筒内衣物分布不均引起的不平衡量。
按照本发明的一个方面，提供了一种洗衣机，其特征在于包括洗涤和脱水用的滚筒；转动安装在滚筒内的搅拌器的三相感应电机；以及角速度估计器，用来根据输入三相感应电机定子的初级交流电流和初级交流电压中至少一个量和对于三相感应电机唯一的常数估计转动角速度。根据三相感应电机的命令转动角速度和角速度估计器的输出值，互相独立地指令输入三相感应电机定子每一相的交流电流的扭矩电流分量和激发电流分量。因此改变每一相初级交流电流的大小和频率以控制三相感应电机的转动角速度。
按照本发明的另一方面，提供了一种洗衣机，其特征在于进一步包括测试操作装置，用来确定三相感应电机的命令转动角速度与角速度估计器输出值之差与预定测试操作常数的乘积作为上述扭矩电流分量。通过将同一乘积作为命令值输入三相感应电机进行测试操作。衣物量估计装置也包括在内以根据测试操作期间角速度估计器的输出估计衣物量。
根据本发明的另一方面，提供了一种洗衣机，其特征在于包括驱动滚筒用的电机和控制电机转动角速度的控制器。它进一步包括测试操作控制器，用来通过施加保持恒定电机旋转角速度的命令角速度进行测试操作；以及衣物量估计器，用来根据测试操作期间电机的输出扭矩估计衣物量。
当驱动电机以响应于此恒定旋转角速度的命令角速度时，电机的输出扭矩根据负载变化。例如在较大负载下，增加输出扭矩。因此可以根据输出扭矩估计滚筒中的衣物量。
按照本发明的另一方面，提供了一种洗衣机，其特征在于包括驱动滚筒用的电机；控制电机旋转角速度的控制器；测试操作控制器，用来通过以预先确定的恒定旋转角速度旋转电机进行测试操作。它进一步包含不平衡量估计器，用来根据测试操作期间电机的输出扭矩估计附着在滚筒内壁上的衣物不平衡分布引起的滚筒内不平衡量。
电机以预先确定的旋转角速度旋转并且滚筒由此以预先确定的恒定旋转角速度转动，而衣物在滚筒内呈现不均匀分布。因此电机的输出扭矩随转动同步变化。通过确定输出扭矩的改变量，可以估计出滚筒的不平衡量。
按照本发明的另一方面，提供了一种洗衣机，其特征在于包含角速度估计器，用来根据施加在三相感应电机定子上的初级交流电流值和初级交流电压值中的至少一个并且根据对于三相感应电机是唯一的常数估计驱动滚筒或者安装在滚筒内的搅拌器的三相感应电机的旋转角速度。角速度根据三相感应电机的命令旋转角速度和角速度估计器的输出值估计。根据估计的角速度值，互相独立地指令施加在三相感应电机定子上的初级交流电流的扭矩电流分量和激发电流分量。因此通过改变每个初级交流电流的大小和频率控制三相感应电机的旋转角速度，从而生产出价格低廉、性能出色的洗衣机。
按照本发明的另一方面，提供了一种洗衣机，其特征在于进一步包括测试操作控制器，用来响应表示上述扭矩电流分量的命令对三相感应电机进行测试操作，扭矩电流分量等于三相感应电机命令旋转角速度与角速度估计器输出之差与预先确定的测试操作常数的乘积。它进一步包含衣物量估计器，并且根据测试操作期间角速度估计器的输出估计衣物量，从而可以使洗衣机能够精确估计衣物量。
按照本发明的另一方面，提供了一种洗衣机，其特征在于包括驱动滚筒用的电机；控制电机旋转角速度的控制器；响应与电机恒定角加速度有关的命令角速度进行电机测试操作的测试操作控制器。衣物量估计器包含在其中以用来根据测试操作期间的电机输出扭矩估计衣物量，从而使洗衣机能够方便而精确地估计出衣物量。
按照本发明的另一方面，提供了一种洗衣机，其特征在于包括驱动滚筒用的电机；控制电机旋转角速度的控制器；进行测试操作以使电机旋转角速度为预先确定的恒定值的测试操作控制器。不平衡量估计器包含在其中以用来根据测试操作期间的电机输出扭矩估计滚筒内紧贴在滚筒上衣物分布不均引起的不平衡量，从而使洗衣机能够精确地估计出滚筒不平衡量。
图1为按照本发明第一实施例的洗衣机结构框图。
图2为按照本发明第二实施例的洗衣机结构框图。
图3为按照本发明第三实施例的洗衣机结构框图。
图4为按照本发明第四实施例的洗衣机结构框图。
图5为按照本发明第四实施例的命令旋转角速度与时间之间关系的曲线图。
图6为按照本发明第五实施例的洗衣机结构框图。
图7为按照本发明第六实施例的洗衣机结构框图。
图8为按照本发明第七实施例的洗衣机结构框图。
图9为按照本发明的三相感应电机温度升高实例的操作时间与温度之间关系的曲线图。
图10为按照本发明第八实施例的洗衣机结构框图。
图11A为表示估计衣物量时命令旋转角速度的波形图，而图11B为表示估计衣物量时旋转输出扭矩的波形图。
图12为表示衣物量与输出扭矩差之间关系的曲线图。
图13为按照本发明第九实施例的洗衣机结构框图。
图14为按照本发明第十实施例的洗衣机结构框图。
图15为表示滚筒不平衡状态的前视图。
图16为表示滚筒不平衡状态下输出扭矩的波形图。
图17为表示不平衡量与扭矩变化之间关系的曲线图。
图18为按照本发明第十一实施例的洗衣机结构框图。
图19为按照本发明第十二实施例的滚筒结构框图。
图20为按照本发明第十三实施例的滚筒结构框图。
图21为按照本发明第十三实施例的洗衣机结构框图。
以下借助图1-21描述本发明的较佳实施例。在表示电流的每个符号的右上角上的记号*代表命令值。没有记号*的物理量符号表示实际值。带有前缀“e”的物理量表示估计值。
(第一实施例)图1为按照本发明第一实施例的洗衣机的结构框图。
在图1中，三相感应电机100的转轴100A通过传递机构106与布局在洗涤和脱水用滚筒104内的搅拌器102的转轴102A耦合。提供指示三相感应电机旋转角速度的命令旋转角速度ωm*的角速度控制器110的输出端与转差频率计算器112和旋转/静止坐标转换器118的输入端相连。转差频率计算器112和旋转/静止坐标转换器118的其它输入端提供有命令激发电流Ild*。旋转/静止坐标转换器118的两个输出端分别与两相/三相转换器120的两个输入端相连。两相/三相转换器120的三个输出端分别与电流控制器122的三个输入端相连。
电流控制器122的三个输出端分别与PWM反相器124的三个输入端相连，并且PWM反相器124的三个输出端与三相感应电机100相连。PWM反相器124的两个输入端通过转换器130与单相100伏交流电源相连。电流检测器126a、126b和126c在PWM反相器124与三相感应电机100之间分别提供三条连接线。电流检测器126a、126b和126c的输出端分别与电流控制器122的三个控制输入端相连。
三相感应电机100包括检测旋转角速度的角速度检测器128。角速度检测器128的输出端与角速度控制器110的控制输入端和放大器115的输入端相连。放大器115的输出端与加法器114的输入端相连。加法器114的另一输入端与转差频率计算器112的输出端相连。加法器114的输出端与积分器116的输入端相连。积分器116的输出端与旋转/静止坐标转换器118的另一输入端相连。
以下借助图1描述上述结构的洗衣机的操作。
衣物通过安装在滚筒104内的搅拌器102转动进行清洗，搅拌器102通过传送机构106由三相感应电机驱动。
通常情况下，三相感应电机可以视为在两相/三相转换后构成两相感应电机的两相模型。两相感应电机的基本方程用表达式(1)表示v1dv1q00=α0β00α0βγ0δρωm0γ-ρωmδi1di1qψ2dψ2q----------(1)]]>α=R1+L1L2-M2L2ddt]]>β=ML2ddt]]>γ=-R2ML2]]>δ=R2L2+ddt]]>这里ild、ilq为流入构成初级侧定子的d轴电流和与d轴相位差为90度的q轴电流，而Vld、Vlq分别为d轴电压和与d轴相位差90度的q轴电压。ψ2d、ψ2q分别为次级侧d轴和q轴的次级磁通量。而且Rj、Lj(j1或2)分别为j次侧的电阻和电感。M为互感，ωm为电机的旋转角速度，而p为提供电机N和S次级的次级对数。
正如在直流电机的角速度控制中那样，角速度控制器110根据方程(2)例如从命令旋转角速度ωm*和角速度检测器128检测到的旋转角速度ωm确定定义用于产生扭矩的扭矩电流的命令扭矩电流Ilq*。Ilq*=Kis∫0t(ωm*-ωm)dt-Kps·ωm-----(2)]]>这里Kps、Kis为角速度控制增益，它们提供的常数使得实现所需的响应特性。
感应电机缺少永磁铁。为了产生与永磁铁对应的磁场，根据命令激发电流Iid*提供预定的激发电流。而且转差频率计算器112利用命令激发电流Iid*和命令扭矩电流Iiq*，按照方程(3)计算空转角速度ωs。ωs=L2R2·I1q*I1d*---------(3)]]>三相感应电机的旋转角速度ωm与次级对数的乘积由放大器115确定，并且该乘积在加法器114中被加入空转角速度ωs。如图4所示，加法的结果被积分器116积分从而如方程(4)确定电学相位角θo。θ0=∫0tω0dt=∫0t(ρ·ωm+ωs)dt---(4)]]>而且与永磁铁的情况一样，旋转/静止坐标转换器118利用命令激发电流Iid*、命令扭矩电流Iiq*和电学相位角θo如方程(5)那样计算。i1d*i1q*=cosθ0-sinθ0sinθ0cosθ0I1d*I1q*------(5)]]>由此命令激发电流Iid*和命令扭矩电流Iiq*和被转换为表示相位差为90度的两相电流的命令初级交流电流iid*、ilq*。随后命令初级交流电流iid*、ilq*被根据方程(6)转为表示三相电流的命令初级交流电流iia*、ilb*、iic*。i1a*i1b*i1c*=2310-1232-12-32i1d*i1q*------(6)]]>一旦提供了与这些命令电流一致的电流，就可以实现与直流电机同样性能的三相感应电机。
以下描述电流控制器122的操作。实际的初级交流电流iia、ilb、iic通过反馈方式控制使得分别跟随初级交流电流iia*、ilb*、iic*。在该过程中，实际的初级交流电流分别由电流检测器126a、126b、126c检测，并且在作出方程(7)所示的计算之后输出命令电压Vlz(Za，b，或c)。V1z=Kic∫0t(i1z*-i1z)dt-Kpc·(i1z*-i1z)--(7)]]>这里Kpc、Kic为设定为跟随命令值的常数的电流控制增益。根据脉宽对应从电流控制器122提供控制信号的命令电压Vlz的信号，PWM反相器124通过开关内部晶体管由转换器130控制商用电源产生的直流电压。由此在三相感应电机100上施加所需的电压和电流。
这里如方程(8)所示，输送到三相感应电机100上的三相初级交流电流iia、ilb、iic之和为零。
iia＋ilb＋ic＝0(8)为了检测初级交流电流，检测三相中的两相电流，并且可以从检测到的两相电流计算出余下一相的电流。上述操作可以将输送到三相感应电机上的初级交流电流控制为所需命令值，从而使得三相感应电机的旋转角速度可以控制为所需的角速度。
上述控制系统改善了包括启动时三相感应电机扭矩特性在内的控制能力，并且获得了与直流电机同样出色的控制能力。因此方便地实现了能够以所需旋转角速度一次清洗大量衣物的洗衣机。
按照第一实施例，阐述了一个为电流控制而检测电流的实例。作为替代，可以通过从对于三相感应电机是唯一的常数和基本方程(1)估计电流来控制电压。
而且，虽然示出的洗衣机实例是利用三相感应电机转动搅拌器来清洗衣物的，但是第一实施例用于滚筒型洗衣机(例如不用搅拌器而直接转动滚筒)也可以得到同样的效果。
按照第一实施例，需要诸如编码器之类的角速度检测器来检测三相感应电机的旋转角速度。以下借助采用三相感应电机的控制器的洗衣机来阐述本发明的第二实施例，即使不用角速度检测器它也可以得到与这类电机同样的控制能力。以下借助图2描述按照本发明第二实施例的洗衣机。
图2为按照本发明第二实施例的洗衣机的结构框图。
在图2中，三相感应电机100的转轴100A与传递机构106耦合从而驱动布局在滚筒104内的搅拌器102的转轴102A。提供命令旋转角速度ωm*的角速度控制器110的输出端与转差频率计算器112和旋转/静止坐标转换器118的输入端相连。转差频率计算器112和旋转/静止坐标转换器118的其它输入端提供有命令激发电流Ild*。
旋转/静止坐标转换器118的两个输出端与两相/三相转换器120的输入端相连，并且两相/三相转换器120的三个输出端分别与电流控制器122的三个输入端相连。电流控制器122的三个输出端分别与PWM反相器124的三个输入端相连。PWM反相器124的三个输出端与三相感应电机100相连。PWM反相器124的两个输入端通过转换器130与单相100伏交流电源相连。
电流检测器126a、126b和126c在PWM反相器124与三相感应电机100之间分别提供三条连接线。电流检测器126a、126b和126c的输出端分别与电流控制器122的三个控制输入端相连。电流检测器126a、126b和126c的输出端还分别与两相/三相转换器220的三个输入端相连。两相/三相转换器220的两个输出端与次级磁通量估计器224的两个输入端相连。而且两相/三相转换器220的两个输出端的其中一个与第一角速度估计器226的输入端相连，并且其它输出端与第二角速度估计器228的输入端相连。
电流控制器122的三个输出端分别与两相/三相转换器222的三个输入端相连。两相/三相转换器222的两个输出端分别与次级磁通量估计器224的另两个输入端相连。次级磁通量估计器224的两个输出端与第一角速度估计器226的其它两个输入端相连。次级磁通量估计器224的其它两个输出端分别与第二角速度估计器228的其它两个输入端相连。第一角速度估计器226和第二角速度估计器228的输出端分别与估计角速度开关230的两个触点相连。估计角速度开关230的公共触点与放大器115和角速度控制器110的输入端相连。
放大器115的输出端与加法器114的输入端之一相连。加法器114的另一输入端与转差频率计算器112的输出端相连。加法器114的输出端与积分器116的输入端相连。积分器116的输出端与旋转/静止坐标转换器118的另一输入端相连。
以下借助图2描述上述结构的洗衣机的操作。
衣物通过安装在滚筒104内的搅拌器102转动进行清洗，搅拌器102通过传送机构106由三相感应电机驱动。
转差频率计算器112、加法器114、放大器115、积分器116、旋转/静止坐标转换器118、两相/三相转换器120、电流控制器122、PWM反相器124和转换器130与第一实施例的相应单元相同，所以不再赘述。角速度控制器110根据方程(9)例如从三相感应电机的命令旋转角速度ωm*和角速度估计器200输出的估计旋转角速度ωme确定命令扭矩电流Ilq*。I1q*=Kis∫0t(ωm*-ωme)dt-Kps·ωme---(9)]]>这里Kps、Kis为角速度控制增益，它们提供的常数使得实现所需的响应特性。一旦正确估计出角速度，如同在第一实施例那样，可以实现与直流电机等效的控制能力。
以下阐述估计三相感应电机旋转角速度的实例操作。
两相/三相转换器220利用方程(10)将电流检测器126a、126b、126c的检测输出iia、ilb、iic转换为两相交流电流iid、ilq。i1di1q=23--12-12032-32i1ai1bi1c-----(10)]]>随后，其它两相/三相转换器222将利用方程(11)将三相电压Vlz(Za，b，或c)转换为两相交流电压Vid、Vlq。v1dv1q=231-12-12032-32v1av1bv1c----------(11)]]>利用方程(12)和(13)，通过次级磁通量估计器224可以从这些两相交流电流和两相交流电压中估计出次级磁通量ψ2d、ψ2q。ψ2d=L2M∫0t(v1d-R1i1d)dt-L1L2-M2Mi1d]]>(12)ψ2q=L2M∫0t(v1q-R1i1q)dt-L1L2-M2Mi1q]]>(13)从两相模型的三相感应电机的基本方程(1)得到下来两个方程以估计三相感应电机的旋转角速度ωme。ωme=1ψ2q(R2L2M·i1d-R2L2ψ2d-ddtψ2d)]]>(14)ωme=1ψ2d(-R2L2M·i1q+R2L2ψ2q+ddtψ2q)]]>(15)在这两个方程中，分母可以在估计精度邻近变差时取值为零。但是在三相感应电机被驱动的状态下，代表方程(14)分母的次级磁通量ψ2q和代表方程(15)分母的次级磁通量ψ2d以正弦形式变化，相位差为90度。因此分母不会同时为零。
第一角速度估计器226根据方程(14)计算表示分子的估计角速度分子部分。估计角速度分子部分由表示次级磁通量ψ2q的分母相除以估计三相感应电机的旋转角速度。随后，第二角速度估计器228根据方程(15)计算表示分子的估计角速度分子部分。估计角速度分子部分由表示次级磁通量ψ2d的分母相除以估计三相感应电机的旋转角速度。随后测量次级磁通量ψ2d、ψ2q的大小并且由角速度开关230选定分母不接近零的一个。因此可以始终精确估计三相感应电机的旋转角速度。
在上述方法中，与第一实施例不同，不用角速度检测器128就可以产生速度从低到高的大扭矩。这样可以方便地实现清洗大量衣物的洗衣机。
两相/三相转换器120构成三相命令初级交流电流，并且在电流控制器122内三相初级交流电流与三相命令初级电流比较，从而控制三相初级交流电流。在另一种方法中，电流检测器126a、126b、126c检测的三相初级交流电流在两相/三相转换器220处被转换为两相初级交流电流。在施加到两相/三相转换器120之前，该两相电流与两相命令初级交流电流比较。根据比较结果控制电流并且可以通过两相/三相转换器将两相命令电压转换为三相命令电压。
而且按照第二实施例，采用命令电压代替实际电压。这样的优点是省去了电压检测器。在这种情况下，如果PWM反相器124开启时时间延迟等影响得到校正则命令电压的精度得到进一步改善。
第二实施例示出了利用三相感应电机转动搅拌器来清洗衣物的洗衣机。该实施例同样可以用于滚筒型洗衣机(例如不用搅拌器而直接转动滚筒)也可以得到同样的效果。在第一和第二实施例中，按照与三相感应电机中包含永磁铁时同样的方式将产生磁场的激发电流控制在恒定的水平。但是为了获取高速旋转下的大扭矩，需要升高激发电流，并且需要较高直流电压。商用电源确定的转换器130输出直流电压是有一定大小的。
作为本发明第三实施例，阐述的洗衣机包含用于三相感应电机的控制器，即使在脱水等高速旋转情况下利用商用电压也可以产生较大的扭矩。
以下借助图3描述按照本发明第三实施例的洗衣机。图3为按照本发明第三实施例的洗衣机的框图。
在图3中，三相感应电机100的转轴100A通过传递机构106与布局在滚筒104内搅拌器102的转轴102A耦合。提供命令旋转角速度ωm*的角速度控制器110的输出端与转差频率计算器112和旋转/静止坐标转换器118的输入端相连。激发电流转换器300的输入端与角速度控制器110的输入端相连。
转差频率计算器112和旋转/静止坐标转换器118的其它输入端与激发电流转换器300的输出端相连。旋转/静止坐标转换器118的两个输出端与两相/三相转换器120的输入端相连。两相/三相转换器120的三个输出端分别与PWM反相器124的三个输入端相连。PWM反相器124的三个输出端与三相感应电机100相连。PWM反相器124的两个输入端通过转换器130与单相100伏交流电源相连。电流检测器126a、126b和126c在PWM反相器124与三相感应电机100之间分别提供三条连接线。电流检测器126a、126b和126c的输出端分别与电流控制器122的三个控制输入端相连，并且还分别与角速度估计器200的三个输入端相连。
角速度估计器200的输出端与放大器115的输入端和角速度控制器的输入端相连。放大器115的输出端与加法器114的输入端相连。加法器114的另一输入端与转差频率计算器112的输出端相连。加法器114的输出端与积分器116的输入端相连。积分器116的输出端与旋转/静止坐标转换器118的另一输入端相连。
以下借助图3描述上述结构的洗衣机的操作。
在第三实施例中，衣物通过安装在滚筒104内的搅拌器102转动进行清洗，搅拌器102通过传送机构106由三相感应电机驱动。
角速度控制器110、转差频率计算器112、加法器114、放大器115、积分器116、旋转/静止坐标转换器118、两相/三相转换器120、电流控制器122、PWM反相器124、转换器130和角速度估计器200与第二实施例的相应单元相同，所以不再赘述。
在本实施例中，洗衣机进一步包括用命令旋转角速度ωm*供给的激发电流转换器300提供用于输出命令激发电流Iid*。如果三相感应电机如在脱水时那样高速驱动，则电流控制器122输出的初级交流电压的最大控制值超过了由电压源确定的转换器130输出的直流输出电压。为此，所需的扭矩无法产生并且电机的旋转角速度降低。
因此在脱水时，与洗涤时较低旋转角速度相比命令激发电流降低。结果，即使在高速下也可以产生较大的扭矩，从而改善了脱水能力。
虽然第三实施例示出了利用三相感应电机转动搅拌器来清洗衣物的洗衣机，但是该实施例同样可以用于滚筒型洗衣机(例如不用搅拌器而直接转动滚筒)并得到同样的效果。在以电源频率确定的预定角速度下工作的单相感应电机中，无法改变旋转角速度的上升特性。
为此在第四实施例中将阐述一种洗衣机，它通过减轻搅拌器开始旋转或反转时的振动来实现小振动和低噪声工作。
以下借助图4描述本发明第四实施例的洗衣机。
图4为按照本发明第四实施例的洗衣机的框图。
在图4中，三相感应电机100的转轴100A通过传递机构106与布局在滚筒104内的搅拌器102的转轴102A耦合。命令角速度发生器320的输出端与角速度控制器的输入端110相连，并且命令旋转角速度ωm*被提供给角速度控制器110。角速度控制器110的输出端与转差频率计算器112和旋转/静止坐标转换器118的输入端相连。转差频率计算器112和旋转/静止坐标转换器118的其它输入端被提供命令激发电流Ild*。
旋转/静止坐标转换器118的两个输出端与两相/三相转换器120的输入端相连。两相/三相转换器120的三个输出端分别电流控制器122的三个输入端相连。电流控制器122的三个输出端分别与PWM反相器124的三个输入端相连并且与角速度估计器200的三个输入端相连。PWM反相器124的三个输出端与三相感应电机100相连。PWM反相器124的两个输入端通过转换器130与单相100伏交流电源相连。
电流检测器126a、126b和126c在PWM反相器124与三相感应电机100之间分别提供三条连接线。电流检测器126a、126b和126c的输出端分别与电流控制器122的三个控制输入端相连，并且还分别与角速度估计器200的三个输入端相连。
角速度估计器200的输出端与放大器115的输入端和角速度控制器的其它输入端相连。放大器115的输出端与加法器114的输入端相连。加法器114的另一输入端与转差频率计算器112的输出端相连。加法器114的输出端与积分器116的输入端相连。积分器116的输出端与旋转/静止坐标转换器118的另一输入端相连。
以下借助图4和5描述上述结构的洗衣机的操作。
在第四实施例中，衣物通过安装在滚筒104内的搅拌器102转动进行清洗，滚筒104透过传送机构106由三相感应电机驱动。
角速度控制器110、转差频率计算器112、加法器114、放大器115、积分器116、旋转/静止坐标转换器118、两相/三相转换器120、电流控制器122、PWM反相器124、转换器130和角速度估计器200与第三实施例的相应单元相同，所以不再赘述。
假定阶跃变化的命令旋转角速度ωm*施加在搅拌器102以恒定角速度旋转的普通洗衣机中三相感应电机上，则由于角速度控制增益确定的瞬时响应，洗衣机在运行中出现冲击。因此为了单调和平稳而非突变地提高旋转角速度，角速度控制增益必须设定在较低水平上。但是由于角速度控制增益较低，所以当衣物被搅拌器缠绕时抗干扰特性变差。另一个问题是上升时间根据衣物量大小变化。因此命令旋转角速度ωm*(t)由代表图5的曲线的方程(16)表示的三阶时间函数来设ωm*(t)＝ωmT·(-2τT3＋3τT2)ιT=tT-------(16)]]>这里T表示上升时间，而ωmT表示目标旋转角速度。命令扭矩电流Ilq*利用估计角速度ωme在方程(17)中给定。I1q*=Kis∫0t(ωm*(t)-ωme)dt-Kps·ωme]]>(17)因此可以实现所需的瞬时响应特性，并且可以实现在启动操作和反转操作时没有振动的小振动和低噪声洗衣机。
虽然在本实施例中命令旋转角速度ωm*(t)由三阶时间函数给定，但是也可以采用诸如正弦函数或者多个函数组合的连续函数。
在第四实施例中示出了利用三相感应电机转动搅拌器来清洗衣物的洗衣机。但是该实施例同样可以用于滚筒型洗衣机(例如不用搅拌器而直接转动滚筒)并得到同样的效果。在洗涤过程中，如果根据衣物量提供合适的水量，则解决了洗涤不充分的问题或者节约了用水。为此，必须在放水前精确估计衣物量(例如重量)。
作为本发明第五实施例，以下阐述一种洗衣机，它可以通过在放水前测试旋转搅拌器来精确估计衣物量。
图6为按照本发明第五实施例的洗衣机的框图。
在图6中，三相感应电机100的转轴100A通过传递机构106与布局在滚筒104内搅拌器102的转轴102A耦合。将提供命令旋转角速度ωm*的角速度控制器110和测试操作控制器400的输出端与开关404的两个开关触点相连。开关404的公共触点与与转差频率计算器112和旋转/静止坐标转换器118的输入端相连。命令激发电流Ild*被施加在转差频率计算器112和旋转/静止坐标转换器118的其它输入端。旋转/静止坐标转换器118的两个输出端与两相/三相转换器120的输入端相连。两相/三相转换器120的三个输出端分别电流控制器122的三个输入端相连。电流控制器122的三个输出端分别与PWM反相器124的三个输入端相连。PWM反相器124的三个输出端与三相感应电机100相连。PWM反相器124的两个输入端通过转换器130与单相100伏交流电源相连。
电流检测器126a、126b和126c在PWM反相器124与三相感应电机100之间分别提供三条连接线。电流检测器126a、126b和126c的输出端分别与电流控制器122的三个控制输入端相连，并且还分别与角速度估计器200的三个输入端相连。
角速度估计器200的输出端与放大器115的输入端、角速度控制器110、测试操作控制器400和衣物量估计器402的输入端相连。放大器115的输出端与加法器114的输入端相连。加法器114的另一输入端与转差频率计算器112的输出端相连。加法器114的输出端与积分器116的输入端相连。积分器116的输出端与旋转/静止坐标转换器118的另一输入端相连。衣物量估计器402的输出端与调节滚筒104内水量的水平面调节器412的输入端相连。
以下借助图6描述上述结构的洗衣机的操作。
在估计衣物量过程中，与洗涤衣物一样，安装在滚筒104内的搅拌器由三相感应电机100通过传送机构106测试操作。例如可以在水放入滚筒104内后进行估计。但是这种方法的缺点是用户必须等到水放完之后才可以进行估计。因此需要在放水前进行估计。但是当搅拌器在放水前与洗涤时一样旋转，则由于不必要的提升和翻滚衣物或者衣物挂在搅拌器102上，估计精度变差。特别是在瞬时响应期间，衣物缠绕的效应变得更加突出并且估计精度进一步变差。
在为估计衣物量进行测试操作之前，第一步是将开关404切换到测试操作控制器400。为了便于估计衣物量，测试操作控制器400根据三相感应电机的命令旋转角速度ωm*和角速度估计器200输出的估计角速度ωme控制方程(18)表示的命令扭矩电流Ilq*。
Ilq*＝Kps·(ωm*－ωme)(18)这里Kps为角速度控制增益。转差频率计算器112、加法器114、放大器115、积分器116、旋转/静止坐标转换器118、两相/三相转换器120、电流控制器122、PWM反相器124、转换器130和角速度估计器200与第二实施例的相应单元相同，所以不再赘述。
对于命令扭矩电流Ilq*由方程(18)给定的情形(与洗涤不同，不包括积分项)。因此三相感应电机的旋转角速度随着作为负载的衣物量的增加而降低。因此衣物量可以容易地从角速度估计器200输出的估计角速度大小估计出来。
如果衣物量被划分为五段范围，则衣物量估计器402通过测试将估计角速度ωme和阈值ω1-ω4划分为方程(19)、(20)、(21)、(22)和(23)以作比较。
｜ωme｜≥ω1(衣物量非常少) (19)ω2 ≤｜ωme｜＜ω1(衣物量较少)(20)
ω3≤｜ωme｜＜ω2 (衣物量中等)(21)ω4 ≤｜ωme｜＜ω3(衣物量较多)(22)｜ωme｜＜ω4 (衣物量很多)(23)方程(18)中的控制增益Kps比较好的是设定使得在衣物量最大时三相感应电机的旋转角速度足够低。而且命令旋转角速度ωm*应该设定得不高于洗涤时的角速度。否则旋转角速度增加过大以致衣物集拢的可能性增大。
在估计出衣物之后，水平面调节器412根据估计的衣物量决定滚筒104内的放水量。随后开关404切换至角速度控制器110并且按照第二实施例的方式进行洗涤。
在本实施例中，衣物量从估计角速度的大小得到。估计角速度相对衣物量的增加变化更大。为了避免这种不便，测试操作要进行多次，并且可以采用估计角速度中最终的变化来估计衣物量。
而且代之以在本实施例中从估计角速度的大小估计衣物量，可以如在下述方法中那样采用扭矩电流分量来估计。
首先为了便于在估计衣物量的测试操作中估计衣物量，测试操作控制器400与在角速度控制器110中一样从下面的方程(24)给出命令扭矩电流Ilq*。命令扭矩电流Ilq*基于三相感应电机的命令旋转角速度ωm*和角速度估计器200输出的估计角速度ωme。I1q*=KK∫0t(ωm*-ωme)dt-KpL·ωme----(24)]]>这里KpL、KiL为角速度控制增益。方程(24)包含角速度误差积分项。因此，当命令扭矩电流Ilq*由方程(24)给定时，命令扭矩电流继续增加直到估计角速度遵从命令旋转角速度而不管衣物量的多少。换句话说，命令扭矩电流随衣物量增加。因此衣物量可以不从估计角速度的大小而是从命令扭矩值容易地得到。
命令扭矩电流的变化根据方程(3)增加空转角速度，从而增加初级交流电流和初级交流电压的频率。因此衣物量也可以从这些因素的频率大小估计得到。
而且从启动测试操作到估计角速度接近命令旋转角速度的响应时间，即在估计角速度与命令旋转角速度之间误差进入预定误差边缘之间的响应时间随着衣物量的增加而增大。因此衣物量可以通过测量该响应时间来估计。在这种情况下，为了改善衣物量估计精度，可以使角速度控制增益KpL、KiL比洗涤操作时低。
而且衣物量可以通过将命令扭矩电流设定为预定常数并且测量从启动测试操作到估计角速度到达特定值的时间长度估计出来。在这种情况下，为了改善衣物量的估计精度，命令扭矩电流可以设定在使扭矩小于正常洗涤时产生的扭矩。估计三相感应电机旋转角速度的方程(12)-(15)或者计算空转角速度的方程(3)采用对于三相感应电机是唯一的常数，例如第j侧的电阻Rj、电感Lj和互感M。但是这些对于三相感应电机是唯一的常数受到电机制造因素变化的影响。
对此将阐述按照本发明第六实施例的洗衣机，它可以通过测量对于三相感应电机是唯一的常数来完成优化洗涤操作。
以下借助图7描述按照本发明第六实施例的洗衣机。
图7为按照本发明第六实施例的洗衣机的框图。
在图7中，三相感应电机100的转轴100A通过传递机构106与布局在滚筒104内搅拌器102的转轴102A耦合。提供命令旋转角速度ωm*的角速度控制器110的输出端与转差频率计算器112和旋转/静止坐标转换器118的输入端相连。命令激发电流Ild*被施加在转差频率计算器112和旋转/静止坐标转换器118的其它输入端。
旋转/静止坐标转换器118的两个输出端与两相/三相转换器120的输入端相连。两相/三相转换器120的三个输出端分别与三电路开关452的三个开关触点相连。开关452的其它开关触点与常数测量电流指令器450的三个输出端相连。开关452的三个公共触点与电流控制器122的三个输入端相连。电流控制器122的三个输出端分别与PWM反相器124的三个输入端相连。PWM反相器124的三个输出端与三相感应电机100相连。
PWM反相器124的两个输入端通过转换器130与单相100伏交流电源相连。电流控制器122的三个输出端与三电路开关456的三个公共触点相连。电流检测器126a、126b和126c在PWM反相器124与三相感应电机100之间分别提供三条连接线。电流检测器126a、126b和126c的输出端一方面分别与电流控制器122的三个控制输入端相连，另一方面还分别与三电路开关458的三个公共端相连。每个开关456、458的三个开关触点与角速度估计器200的输入端相连，其它三个开关触点与电机常数测量装置454的输入端相连。
角速度估计器200的输出端与角速度控制器110和放大器115的输入端相连。电机常数测量装置454的输出端与转差频率计算器112和角速度估计器200的输入端相连。放大器115的输出端与加法器114的其中一个输入端相连。加法器114的另一输入端与转差频率计算器112的输出端相连。加法器114的输出端与积分器116的输入端相连。积分器116的输出端与旋转/静止坐标转换器118的另一输入端相连。
以下借助图7描述上述结构的洗衣机的操作。
在本实施例中，衣物通过安装在滚筒104内的搅拌器102转动进行清洗，滚筒104透过传送机构106由三相感应电机驱动。
角速度控制器110、转差频率计算器112、加法器114、放大器115、积分器116、旋转/静止坐标转换器118、两相/三相转换器120、电流控制器122、PWM反相器124、转换器130和角速度估计器200与第五实施例的相应单元相同，所以不再赘述。
以下阐述对于三相感应电机是唯一的常数的测量。
在NationalConvetion Record I.E.E.JAPAN Industry ApplicationSociety，1996，“Method of Measuring Constants of InductionMotor”，pp375-378中描述了对于静止状态下的三相感应电机是唯一的常数的测量方法。在利用该方法测量对于三相感应电机时唯一的常数的过程中，在较短的时间内(即几秒钟)电流从常数测量电流指令器450输送到静止状态的电机以进行测量。因此当电机运行时无法进行测量。
按照第六实施例，在向电机输送功率或者电机不在供水或脱水时运行时由开关452将对于电流控制器122的输入从两相/三相转换器120切换至常数测量电流指令器450。而且开关456和458将电流控制器122的输出和电流检测器126a、126b、126c的输出从角速度估计器220切换至电机常数测量装置454。随后，测量对于三相感应电机是唯一的常数。此后，改变用于转差频率计算器112和角速度估计器200的对于三相感应电机是唯一的常数。
因此单个电机的制造差别得到了校正。通过测量电机在运行时每次加水或衣服脱水引起的温度升高可以抑制对于三相感应电机是唯一的常数的差别效应。因此可以对洗涤操作进行优化。在对于三相感应电机是唯一的常数中，自感和互感在电机操作期间不变化。因此自感和互感数值一旦测量就可以存储在电机常数存储器中，并且可以利用存储在电机常数存储器中的数值控制电机。即使预先知道对于三相感应电机是唯一常数，但三相感应电机可能在启动后因温度升高而引起电阻Rj的变化。
为了避免上述问题，以下阐述作为第七实施例的洗衣机。在第七实施例中，电阻随电机温度升高的变化得到了校正并且总是完成优化的洗涤操作。
以下借助图8描述按照本发明第七实施例的洗衣机。图8为按照本发明第七实施例的洗衣机的框图。
在图8中，三相感应电机100的转轴100A通过传递机构106与布局在滚筒104内，搅拌器102的转轴102A耦合。提供命令旋转角速度ωm*的角速度控制器110的输出端与开关404的其中一个开关触点相连。开关触点404的其它开关触点与提供有命令旋转角速度ωm*的测试操作控制器400输出端相连。开关404的公共触点与转差频率计算器112和旋转/静止坐标转换器118的输入端相连。命令激发电流Ild*被施加在转差频率计算器112和旋转/静止坐标转换器118的其它输入端。
旋转/静止坐标转换器118的两个输出端与两相/三相转换器120的输入端相连。两相/三相转换器120的三个输出端与电流控制器122的三个输入端分别相连。电流控制器122的三个输出端分别与PWM反相器124的三个输入端相连，同时又与角速度估计器200的三个输入端相连。PWM反相器124的三个输出端与三相感应电机100相连。PWM反相器124的两个输入端通过转换器130与单相100伏交流电源相连。电流检测器126a、126b和126c在PWM反相器124与三相感应电机100之间分别提供三条连接线。电流检测器126a、126b和126c的输出端一方面分别与电流控制器122的三个控制输入端相连，另一方面还分别与角速度估计器200的三个输入端相连。
角速度估计器200的输出端与角速度控制器110、测试操作控制器400、衣物量估计器402和放大器115的输入端相连。放大器115的输出端与加法器114的其中一个输入端相连。加法器114的另一输入端与转差频率计算器112的输出端相连。加法器114的输出端与积分器116的输入端相连。积分器116的输出端与旋转/静止坐标转换器118的另一输入端相连。衣物量估计器402的输出端与电阻值曲线选择器500的输入端相连。电阻值曲线选择器500的输出端与电阻值补偿器504的输入端相连。电阻值补偿器504与定时器502相连。电阻值补偿器504的两个输出端与控制频率计算器112和角速度估计器200的输入端分别相连。
图9为按照本发明的三相感应电机操作时间和温度(以衣物量为参数)的曲线图。
以下借助图8和9描述上述结构的洗衣机的操作。
在本实施例中，衣物通过安装在滚筒104内的搅拌器102转动进行清洗，通过传送机构106由三相感应电机驱动。
角速度控制器110、转差频率计算器112、加法器114、放大器115、积分器116、旋转/静止坐标转换器118、两相/两三相转换器120、电流控制器122、PWM反相器124、转换器130、角速度估计器200、测试操作控制器400、衣物量估计器402和开关404与第五实施例的相应单元相同，所以不再赘述。
在洗涤、漂洗和脱水的实际操作中，如图9所示，三相感应电机的温度随衣物量和操作时间升高。随着温度的升高，初级电阻R1(定子绕组的电阻)和次级电阻R2(转子绕组的电阻)依赖温度而变化。根据衣物量估计器402估计的衣物量，电阻值曲线选择器500选择先前测量并且存储在包含于电阻值曲线选择器500的ROM内的电阻升高曲线。电机的运行时间由定时器502测量。初级电阻R1和次级电阻R2在特定的时刻由电阻值补偿器504导出，从而改变转差频率计算器112和角速度估计器200所用的常数。因此可以在运行期间抑制因为温度升高引起的初级和次级电阻的变化效应，从而保证优化的洗涤条件。
操作时间比衣物量更容易引起温度的变化。因此仅仅根据三相感应电机的运行时间而不考虑衣物量来改变初级电阻R1和次级电阻R2也是有效的。
图10为采用按照本发明第八实施例的三相感应电机的洗衣机的框图。
在图10中，三相感应电机100的转轴100A通过传递机构106与洗涤、脱水和烘干衣物的滚筒104耦合。输出指令三相感应电机的旋转角速度的命令旋转角速度ωm*用的命令角速度发生器103的输出端与角速度控制器110的输入端相连。角速度控制器110的输出端与转差频率计算器112和旋转/静止坐标转换器118的输入端相连。命令激发电流Ild*被施加在转差频率计算器112和旋转/静止坐标转换器118的其它输入端。
旋转/静止坐标转换器118的两个输出端与两相/三相转换器120的输入端相连。两相/三相转换器120的三个输出端与电流控制器122的三个输入端分别相连。电流控制器122的三个输出端分别与PWM反相器124的三个输入端相连。PWM反相器124的三个输出端与三相感应电机100相连。PWM反相器124的两个输入端通过转换器130与单相100伏交流电源相连。
电流检测器126a、126b和126c在PWM反相器124与三相感应电机100之间分别提供三条连接线。电流检测器126a、126b和126c的输出端分别与两相/三相转换器220输入端相连。两相/三相转换器220两个输出端与次级磁通量估计器224、角速度估计器226和输出扭矩估计器250相连。电流控制器122的三个输出端与两相/三相转换器222的输入端相连。两相/三相转换器222的两个输出端与次级磁通量估计器224相连。次级磁通量估计器224的输出端与角速度估计器226和输出扭矩估计器250相连。角速度估计器226的输出端与放大器115和角速度控制器110的输入端相连。输出扭矩估计器250的输出端与衣物量估计器252的输入端相连。
放大器115的输出端与加法器114的其中一个输入端相连。加法器114的另一输入端与转差频率计算器112的输出端相连。加法器114的输出端与积分器116的输入端相连。积分器116的输出端与旋转/静止坐标转换器118的另一输入端相连。
首先借助图10描述上述结构的洗衣机的基本操作。在滚筒104内的衣物通过旋转滚筒104进行清洗，滚筒104通过传送机构106由三相感应电机驱动。
首先阐述角速度控制单元150的操作。
如上所述，角速度控制单元150包括角速度控制器110、转差频率计算器112、加法器114、放大器115、积分器116、旋转/静止坐标转换器118和两相/三相转换器120。与直流电机的角速度控制一样，角速度控制器110根据例如方程(9)给出命令扭矩电流Ilq*。命令扭矩电流Ilq*由命令角速度发生器103输出的三相感应电机的命令旋转角速度ωm*和角速度估计器200(用于估计三相感应电机的旋转角速度)输出的估计旋转角速度ωme构成。
一旦正确估计出旋转角速度，则可以实现与直流电机同样的控制能力。由于感应电机没有永磁铁，所以根据命令激发电流Ild*在激发线圈上施加其产生磁场与永磁铁等同的预定激发电流。转差频率计算器112根据方程(3)利用命令激发电流电流Ild*和命令扭矩电流Ilq*计算转差角速度ωs。
放大器115获得的实际旋转角速度ωm与三相感应电机极对数p的乘积在加法器114内与空转角速度ωs相加。加法结果由积分器116积分，从而产生方程(4)给定的电学相位角θo。
而且利用旋转/静止坐标转换器118，方程(5)利用命令激发电流电流Ild*、命令扭矩电流Ilq*和电学相位角θ。按照激励的永磁铁以一定方向存在的情况计算。
因此命令激发电流Ild*、命令扭矩电流Ilq*被转换为初级命令交流电流ild*、命令扭矩电流ilq*，它们是相位差为90度的两相电流。随后根据方程(6)，两相/三相转换器120将初级命令交流电流ild*、命令扭矩电流ilq*转换为表示三相电流的初级命令交流电流ila*、ilb*、ilc*。
只要按照这些命令电流提供电流，就可以由感应电机实现与直流电机等价的性能。
以下阐述电流控制器122的操作。在电流控制器122中，通过反馈方式控制实际的初级交流电流ila、ilb、ilc从而分别跟随初级命令交流电流ila*、ilb*、ilc*。例如实际的初级交流电流由电流检测器126a、126b、126c检测并且由根据方程(7)的计算输出命令电压Vlz*(za，b，c)。
PWM反相器124通过晶体管，根据基于电流控制器122的命令电压的脉宽开/关由转换器130的商用电源产生的直流电压。在这种方式下，施加所需电压以向三相感应电机100提供电流。按照这种方式，施加在三相感应电机100的三相初级交流电流ilb、ilb、ilc之和为零，即表示方程(8)所示的关系。
在电流检测过程中，检测三相中任意两相的电流，并且可以从检测的两相电流中计算得到余下的一相电流。在这种方式下，施加在三相感应电机上的初级交流电流可以控制为等于所需的命令值，从而可以将三相感应电机的旋转角速度控制为所需的角速度。
以下阐述用于估计三相感应电机旋转角速度的角速度估计器200。角速度估计器200包括两相/三相转换器220、两相/三相转换器222、次级磁通量估计器224和角速度估计器226。两相/三相转换器220将电流检测器126a、126b、126c的检测输出ila、ilb、ilc转换为如方程(10)中所示的两相交流电流ild、ilq。另一方面，两相/三相转换器222将三相命令电压Vlz*(za，b，c)转换为如方程(11)所示的两相交流电压V1d、V1q。
次级磁通量估计器224根据方程(12)和(13)从最终的两相交流电流和两相交流电进行计算以分别估计次级磁通量ψ2d、ψ2q。
从作为两相模型的三相感应电机的基本方程(方程1)获得以下的方程(14)和(15)以确定三相感应电机的估计旋转角速度ωme。
这两个方程的分母有时可以假定为零，其近处估计精度较低。但是如果驱动三相感应电机，构成方程(14)分母的次级磁通量ψ2q和构成方程(15)分母的次级磁通量ψ2d为相位差为90度的正弦波。因此二者不可能同时为零。角速度估计器226检验次级磁通量ψ2d、ψ2q的大小，并且选定分母比零更大的方程(14)或(15)。随后，三相感应电机的旋转角速度始终可以精确估计。在这种方式下，三相感应电机的角速度可以不用角速度检测器控制，并且可以实现与命令角速度一样的操作。
以下阐述一种对完成上述操作的洗衣机滚筒104内衣物量进行估计的方法。三相感应电机的输出扭矩τ可以利用两相交流电流i1d、i1q和次级磁通量ψ2d、ψ2q用方程(25)表示。τ=p·M·(i1q·ψ2d-i1d·ψ2q)L2-----(25)]]>输出扭矩估计器250可以根据方程(25)计算三相感应电机的输出扭矩τ。而且三相感应电机输出扭矩与放置衣物的滚筒的旋转操作之间的关系由方程(26)给定。(J+JL)=·ddtωm+d1=τ/r2------(26)]]>这里J为滚筒的惯性矩，JL为衣物的惯性矩，d1为摩擦之类的干扰，并且r为三相感应电机转轴与滚筒转轴之间的减速比。在该过程中，当三相感应电机的角加速度A为常数时，如方程(27)所示，衣物量是恒定的。随后三相感应电机的输出扭矩τ为常数。ddt=ωm=A]]>(A常数)(27)方程(26)示出了衣物量的变化改变了三相感应电机的输出扭矩τ。从命令角速度发生器103输出的三相感应电机的命令旋转角速度以图11(a)所示的三角形波形给定。因此输出扭矩在如同11(b)所示恒定角加速度时间间隔内作为恒定值给出。如果三角波形表示的最小旋转角速度设定得低于衣物紧贴滚筒时的最低角速度，则估计精度得到改进。
而且为了通过避免诸如摩擦之类的干扰d1改进估计精度，比较好的是导出加速度与减速度之间的扭矩差。根据三角波的命令旋转角速度，加速中的角加速度用A表示而减速中的角加速度用-A表示。确定加速中的最大扭矩τmax与减速中的最小扭矩τmin之差Δτ。随后可以消除干扰d1的影响。这种状态适于方程(28)。
2·(J＋JL)A＝Δτ/r2(28)方程(28)示出了衣物量可以从输出扭矩估计。在图12中示出了输出扭矩之差与衣物量之间的关系。因此根据输出扭矩估计器250的输出，衣物量估计器252可以容易和精确地估计衣物量。如果激发电流分量与扭矩电流分量在按照本发明实施例的三相感应电机中独立指令，则可以从诸如命令扭矩电流Ilq*之类的扭矩电流分量中估计衣物量而不用用来估计三相感应电机输出扭矩的输出扭矩估计器250。
而且在第八实施例的方程(11)的计算中，由于Vlz*(za，b，c)被用来代替实际电压，所以这避免了采用电压检测器的需要。在这种情况下，如果补偿了开启PWM反相器124时的时间延迟效应，则改善了电压精度。在第八实施例中，指令角速度从而维持三相感应电机旋转中的恒定角加速度，并且从相关的输出扭矩估计衣物量。但是在下一实施例中，衣物量可以通过将输出扭矩控制在恒定水平上从旋转角速度估计出来。在本发明的第九实施例中，洗衣机包括通过将输出扭矩控制在恒定水平上从旋转角速度估计衣物量的衣物量估计器。以下借助图13描述按照本发明第九实施例的洗衣机。
图13为采用按照本发明第九实施例的洗衣机结构框图。在图13中，三相感应电机100的转轴100A通过传递机构106与洗涤、脱水和烘干衣物的滚筒104耦合。命令扭矩发生器301的输出端与扭矩控制器302其中一个输入端相连。命令扭矩发生器301输出指令三相感应电机输出扭矩的命令扭矩τ*。扭矩控制器302的输入端与转差频率计算器112和旋转/静止坐标转换器118其中一个输入端上提供有命令激发电流Ild*。
扭矩控制器302的输出端与转差频率计算器112和旋转/静止坐标转换器118的其它输入端相连。旋转/静止坐标转换器118的两个输出端与两相/三相转换器120的两个输入端相连。两相/三相转换器120的三个输出端与电流控制器122的三个输入端分别相连。电流控制器122的三个输出端分别与PWM反相器124的三个输入端相连。PWM反相器124的三个输出端与三相感应电机100相连。PWM反相器124的两个输入端通过转换器130与单相100伏交流电源相连。
电流检测器126a、126b和126c在PWM反相器124与三相感应电机100之间分别提供三条连接线。电流检测器126a、126b和126c的输出端分别与电流控制器122和角速度估计器200相连。电流控制器122的三个输出端与角速度估计器200的输入端相连，并且角速度估计器200的输出端与放大器115和衣物量估计器304的输入端相连。
放大器115的输出端与加法器114的其中一个输入端相连。加法器114的另一输入端与转差频率计算器112的输出端相连。加法器114的输出端与积分器116的输入端相连。积分器116的输出端与旋转/静止坐标转换器118的另一输入端相连。
以下借助图13描述上述结构的洗衣机的基本操作。在本实施例中，衣物通过滚筒104转动进行清洗，滚筒104通过传送机构106由三相感应电机驱动。转差频率计算器112、加法器114、放大器115、积分器116、旋转/静止坐标转换器118、两相/三相转换器120、电流控制器122、PWM反相器124、转换器130和角速度估计器200与第八实施例的相应单元相同，所以不再赘述。
在本实施例中，命令扭矩发生器301替代第八实施例的命令角速度发生器103，并且扭矩控制器302代替角速度控制器116。以下说明扭矩控制的操作。如果实际电流在电流控制下基本与命令电流一致，三相感应电机的输出扭矩τ用方程29表示。方程(25)可以利用命令激发电流Ild*和命令扭矩电流Ilq*转换为方程(29)。τ=p·M2·(l1d*·l1q*)L2-----------(29)]]>命令扭矩从命令扭矩发生器301输出，并且根据方程(29)，扭矩控制器302产生命令扭矩电流Ilq*。电流控制器122根据扭矩命令电流Ild*控制电流并且可以输出所需的输出扭矩。
以下给出在上述操作的洗衣机的滚筒104内估计衣物量的方法。与第八实施例一样，方程(26)给出了三相感应电机输出扭矩τ与放置衣物的滚筒104的旋转之间的关系。在施加恒定扭矩之后，三相感应电机以等加速度运行。随后从命令扭矩发生器301输出预定值的命令扭矩，并且由角速度估计器200检测三相感应电机的相应旋转角速度。接着由衣物量估计器304检查旋转角速度的变化从而估计衣物量。
为了消除方程(26)中摩擦之类的干扰d1的影响并且改善估计精度，输出矩形波命令扭矩并且在最大角速度与最小角速度之间取角速度差。因此可以消除干扰d1的影响。也可以根据从另一预定基准角速度达到预定基准角速度所需的时间估计衣物量。
在上述洗衣机实例中，由于脱水过程的离心力，衣物紧贴在滚筒104的内壁上。附着在内壁上分布不均的衣物导致滚筒104的振动。因此下面阐述作为本发明第十实施例的洗衣机，它包括估计由于衣物分布不均引起的不平衡量的不平衡量估计器。
以下借助图14-17描述按照本发明第十实施例的洗衣机。
图14为采用按照本发明第十实施例的洗衣机结构框图。
在图14中，三相感应电机100的转轴100A通过传递机构106与洗涤、脱水和烘干衣物的滚筒104耦合。输出指令三相感应电机的旋转角速度的命令旋转角速度ωm*用的命令角速度发生器401的输出端与角速度控制器150的输入端相连。角速度控制器150的三个输出端与电流控制器122的三个输入端相连。电流控制器122的三个输出端分别与PWM反相器124的三个输入端相连。PWM反相器124的三个输出端与三相感应电机100相连。PWM反相器124的两个输入端通过转换器130与单相100伏交流电源相连。
电流检测器126a、126b和126c在PWM反相器124与三相感应电机100之间分别提供三条连接线。电流检测器126a、126b、126c的输出端分别与电流控制器122的三个输入端相连。电流检测器126a、126b和126c的输出端分别与两相/三相转换器220相连。两相/三相转换器220的两个输出端与次级磁通量估计器224、角速度估计器226和输出扭矩估计器250相连。
电流控制器122的三个输出端与两相/三相转换器222的输入端相连。两相/三相转换器222的两个输出端与次级磁通量估计器224相连。次级磁通量估计器224的输出端与角速度估计器226和输出扭矩估计器250相连。角速度估计器226的输出端与角速度控制器150的其它输入端相连。输出扭矩估计器250的输出端与不平衡量估计器403的输入端相连。
以下借助图14描述上述结构洗衣机的操作。按照本实施例，与第八实施例一样，衣物通过滚筒104转动进行清洗，滚筒104通过传送机构106由三相感应电机驱动。角速度控制器150、电流控制器122、PWM反相器124、转换器130、角速度估计器200和输出扭矩估计器250与第八实施例的相应单元相同，所以不再赘述。
主要是在脱水时，由于离心力的作用，衣物粘附在滚筒104的内壁。首先描述紧贴衣物分布不均引起的不平衡状态。图15为滚筒104的前视图。如图15所示，当衣物104A不均匀地紧贴在滚筒104内壁上时，离心力和衣物重力作用在滚筒104上。特别是离心力随滚筒转速增加而增大从而导致巨大振动。因此需要在脱水时滚筒104开始转动之后提高旋转角速度之前检测不平衡状态。假定滚筒顺时针旋转，即三相感应电机正向旋转，并且滚筒104内不均匀分布的衣物104A的位置用角度φ表示，则方程(30)给出运动方程。(j+JL)·d2dt2φ+d2-mg·R·sin(φ)=τ/r-----(30)]]>这里J为滚筒104的惯性矩，JL为衣物104A的惯性矩，m为用分布不均的衣物104A的质量表示不平衡量，g为重力加速度，R为滚筒半径，d2为摩擦之类的干扰，并且r为三相感应电机转轴与滚筒转轴之间的减速比。当命令角速度发生器401发出等于或大于衣物104A在离心力作用下紧贴滚筒104内壁的旋转角速度的预定命令旋转角速度时，三相感应电机产生的输出扭矩如图16所示变化。在该过程中，导出三相感应电机产生的最大扭矩与最小扭矩之差Δτ的变化范围。因此在方程(30)中，删除了惯性矩和干扰项，并且下来方程(31)有效。
Δτ＝2·mg·R·r(31)在图17中示出了不平衡量与扭矩变化量之间的关系。图17表明不平衡量可以容易地从扭矩变化量估计出来。在这种方式下，三相感应电机的输出扭矩τ可以由输出扭矩估计器250估计出来，而三相感应电机正在依照命令角速度发生器401定义的命令角速度的预定旋转角速度旋转。接着，构成输出扭矩估计器250的最大扭矩与最小扭矩之差由不平衡量估计器403提取。通过利用图17的关系，可以容易而精确地确定不平衡量。
在这种方式下可以在脱水前测量不平衡量。如果不平衡量超过预定量，则可以暂时中止脱水操作并且重新启动。因此可以避免巨大的振动。
如果利用本实施例中的三相感应电机独立指令激发电流分量与扭矩电流分量，则可以从诸如命令扭矩电流的Ilq*之类的扭矩电流分量中估计得到衣物量而不用输出扭矩估计器250来估计三相感应电机的输出扭矩。
在进行估计操作中，滚筒104的旋转角速度比较好的选定为高于因离心力引起衣物紧贴滚筒的旋转角速度而低于滚筒发生基频共振的旋转角速度。虽然洗衣机的结构不同，但是对于一般的滚筒104旋转角速度为70-300转/分钟。
在上述结构中，当估计的不平衡量大于预定值时，脱水操作暂时中止并且重新启动整个操作。在这种方式下，可以避免巨大的振动。
以下描述作为第11实施例的可以防止滚筒失衡的洗衣机。以下借助图18描述按照本发明第11实施例的洗衣机。图18为采用按照本发明第11实施例的洗衣机结构框图。
在图18中，三相感应电机100的转轴100A通过传递机构106与洗涤、脱水和烘干衣物的滚筒104耦合。输出指令三相感应电机的旋转角速度的命令旋转角速度ωm*用的命令角速度发生器401的输出端与加法器501的其中一个输入端相连。加法器501的输出端与角速度控制器150的其中一个输出端相连。角速度控制器150的三个输出端与电流控制器122的三个输入端相连。电流控制器122的三个输出端分别与与PWM反相器124的三个输入端相连。PWM反相器124的三个输出端与三相感应电机100相连。PWM反相器124的两个输入端通过转换器130与单相100伏交流电源相连。
电流检测器126a、126b和126c在PWM反相器124与三相感应电机100之间分别提供三条连接线。电流检测器126a、126b、126c的输出端分别与电流控制器122的三个输入端相连。电流检测器126a、126b和126c的输出端分别与两相/三相转换器220相连。两相/三相转换器220的两个输出端与次级磁通量估计器224、角速度估计器226和输出扭矩估计器250相连。
电流控制器122的三个控制输出端与两相/三相转换器222的输入端相连。两相/三相转换器222的两个输出端与次级磁通量估计器224相连。次级磁通量估计器224的输出端与角速度估计器226和输出扭矩估计器250输入端相连。角速度估计器226的输出端与角速度控制器150的其它输入端相连。输出扭矩估计器250的输出端与不平衡量估计器403和不平衡位置估计器503的输入端相连。不平衡量估计器403和不平衡位置估计器503的输出端与旋转角速度变化器505的两个输入端相连。旋转角速度变化器505的输出端与加法器501的输入端相连。
以下借助图18描述上述结构洗衣机的操作。按照本实施例，与第八实施例一样，滚筒104透过传送机构106由三相感应电机驱动清洗衣物。角速度控制器150、电流控制器122、PWM反相器124、转换器130、角速度估计器200和输出扭矩估计器250与第八实施例的相应单元相同。不平衡量估计器403的操作与第十实施例的相应部分相同。
按照第11实施例，可以利用测量不平衡量的方法来检测分布不均的衣物位置。首先阐述有关用于检测不平衡位置的不平衡位置估计器503的操作。
在图15中，不平衡状态下旋转滚筒104的三相感应电机的扭矩假定最大值为在270度处而最小值为在90度处。因此可以根据输出扭矩估计器250估计的输出扭矩最大值和最小值检测衣物104A紧贴滚筒104的位置。通过根据检测位置突然改变三相感应电机旋转角速度来跌落或位移紧贴在滚筒104内壁的衣物104A可以改善不平衡状态。
当不平衡位置估计器503表明引起不平衡的衣物位于滚筒104的上部位置104B，即角度φ在图15中接近零时，旋转角速度校正值从旋转角速度校正器505输出从而使滚筒104的角速度减速。由于减速，当重力大于作用在衣物104A上的离心力时，衣物104A脱离滚筒104的内壁并且避免了不平衡状态。
另一种可能的方法是突然增加或降低滚筒104的旋转角速度并且利用惯量位移衣物104A。在这种情况下，考虑到不平衡状态下衣物104A位置与重力之间的关系可以有效移动紧贴滚筒104内壁的衣物104A的位置以校正不平衡状态。
如上所述，如果不平衡量大于预定值时，通过重新脱水操作来避免不平衡状态可以降低不平衡状态发生的可能性。这种校正操作比较好的是在最低旋转角速度附近进行，在该角速度下衣物104A由于离心力的作用紧贴滚筒104内壁以最大限度减少离心力的影响。以下借助图19描述作为本发明第12实施例的具有不会引起不平衡状态的滚筒的洗衣机。图19为用来解释本发明第12实施例洗衣机操作的滚筒的前视图。在图19中，用于洗涤、脱水和干燥衣物的滚筒204具有多个抓起内壁上被洗涤衣物的凸起550。
以下阐述具有上述结构的洗衣机的操作。在具有围绕水平轴204旋转的滚筒204的洗衣机中，滚筒204沿着洗涤衣物的箭头方向旋转从而靠凸起550升起衣物并且在下一瞬时跌落。在脱水时，为了避免衣物分布不均引起的不平衡状态，衣物比较好的是通过离心力均匀紧密附着在滚筒204的内壁。
如图19所示，每个凸起550包括关于通过凸起550和转轴204c的虚平面560的旋转非对称地排列的吊钩。在洗涤时，滚筒104沿着图19中箭头方向旋转，从而使得衣物被凸起550的吊钩570提升并且从高处脱落。另一方面，在脱水时从图18的命令角速度发生器401输出负的命令旋转角速度，从而使滚筒204沿着相反的方向旋转。随后在脱水时衣物很少被吊钩抓起，因此滚筒204不容易失衡。
上述构造使得可以实现滚筒204很少失衡的洗衣机。以下描述作为第13实施例的具有校正失衡状态功能的洗衣机。以下借助图20描述按照本发明第13实施例的洗衣机。图20为按照第13实施例的洗衣机的滚筒334的前视图。例如在图20中，充满水的16个水箱600-615排布在洗涤、脱水和干燥用的滚筒334的周围。这些水箱600-615与滚筒334一起转动。
图21为按照第13实施例的洗衣机结构的框图。在图21中，不平衡量估计器403和不平衡位置估计器503的输出端与不平衡量校正器602的两个输入端相连。不平衡量校正器602的输出端与电磁铁800-815的开关相连以选择启动门700-715从而通过延长或收缩与转轴平行的位于每个门外部径向排列的可移动插销开启/闭合水箱600-615的开口。
以下借助图20-21阐述具有上述结构的洗衣机的操作。首先预先在所有的水箱600-615内充满水。转动滚筒334，并且不平衡量估计器403与第10实施例相同方式估计由于衣物分布不均引起的滚筒334不平衡量。而且不平衡位置估计器503按照与第11实施例一样的方式估计滚筒334内衣物的不平衡位置。不平衡量校正器602控制开关811从而使得在不平衡位置估计器503估计衣物分布不均位置附近开启水箱611的门711。当门711打开时，根据不平衡量估计器403估计的不平衡量从水箱611放水。因此由于衣物104A分布不均引起的滚筒334的不平衡状态可以得到校正并且脱水操作可以不会引起巨大振动。
为了通过减少滚筒334的重量抑制惯性矩，比较好的是只在相对分布不均的衣物104A对称分布的水箱603内盛水。在这种情况下，从其它水箱600～602、604-615放水以校正不平衡。滚筒的不平衡状态可以通过这种过程得到校正。
上述每个实施例涉及的是利用三相感应电机的结构。但是驱动滚筒用的电机并不局限于这种结构而且可以采用其它系统。本发明显然可以用于易于估计所产生扭矩的直流电机或无刷电机的情况。
本发明的范围和精神由后面所附权利要求限定。
权利要求
1.一种洗衣机，其特征在于包括驱动滚筒用的电机；角速度控制器，用来通过施加命令角速度使所述电机以恒定的旋转加速度转动；以及衣物量估计器，用来根据所述电机转动时的输出扭矩估计所述滚筒内的衣物量。
2.一种洗衣机，其特征在于包括驱动滚筒用的电机；命令角速度产生装置，用来产生随时间以三角波形变化的命令旋转角速度；角速度控制器，用来控制所述电机的旋转角速度以遵从所述命令旋转角速度；以及衣物量估计器，用来根据所述电机转动时的输出扭矩估计所述滚筒内的衣物量。
3.一种洗衣机，其特征在于包括驱动滚筒用的电机；命令角速度产生装置，用来产生随时间以三角波形变化的命令旋转角速度；角速度控制器，用来控制所述电机的旋转角速度以遵从所述命令旋转角速度；以及衣物量估计器，用来根据旋转加速度下的所述电机的输出扭矩与旋转减速度下所述电机的输出扭矩之差估计所述滚筒内的衣物量。
4.如权利要求1所述的洗衣机，其特征在于所述命令角速度产生装置将所述命令旋转角速度的最小值设定在某一旋转角速度，在该角速度下衣物由于所述滚筒转动产生的离心力而紧贴所述滚筒的内壁。
5.如权利要求1所述的洗衣机，其特征在于所述驱动所述滚筒用的电机为三相感应电机，并且所述洗衣机进一步包括控制器，用来独立指令施加在所述三相感应电机定子上的初级交流电流的扭矩电流分量和激发电流分量并且改变所述初级交流电流的大小和频率从而控制所述三相感应电机的旋转角速度。
6.如权利要求1所述的洗衣机，其特征在于所述驱动所述滚筒用的电机为三相感应电机，并且所述洗衣机进一步包括控制器，用来独立指令施加在所述三相感应电机定子上的初级交流电流的扭矩电流分量和激发电流分量并且改变所述初级交流电流的大小和频率从而控制所述三相感应电机的旋转角速度；以及衣物量估计器，用来根据转动时电机的所述扭矩电流分量估计衣物量。
7.一种洗衣机，其特征在于包括驱动滚筒用的电机；恒定操作控制器，用来控制恒定速度下所述电机的输出扭矩；以及衣物量估计器，用来根据所述电机的旋转角速度变化估计衣物量。
8.如权利要求7所述的洗衣机，其特征在于所述驱动所述滚筒用的电机为三相感应电机，并且所述洗衣机进一步包括控制器，用来独立指令施加在所述三相感应电机定子上的初级交流电流的扭矩电流分量和激发电流分量并且改变所述初级交流电流的大小和频率从而控制所述三相感应电机的旋转角速度；以及扭矩恒定操作控制器，用来使所述滚筒在恒定的所述扭矩电流分量下转动。
全文摘要
一种洗衣机,它包括:三相感应电机,用来驱动滚筒或者安装在所述滚筒内的搅拌器;控制器,用来根据所述三相感应电机的命令旋转角速度和旋转角速度指令施加在所述三相感应电机定子上的初级交流电流的扭矩电流分量和激发电流分量;以及角速度估计器,用来估计所述三相感应电机的旋转角速度。
文档编号H02P21/14GK1333398SQ01122309
公开日2002年1月30日 申请日期2001年6月25日 优先权日1997年9月22日
发明者松浦贞裕, 佐藤繁, 田泽徹, 永井克幸, 五十岚祥晃 申请人:松下电器产业株式会社