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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)械式開關(guān)安裝在工作臺上，此機(jī)械式開關(guān)距離盛水桶部裝設(shè)有一定距離，其具有一定的斷開行程。洗滌過程中衣物發(fā)生纏繞會使得衣物在桶內(nèi)分布不均勻，由此產(chǎn)生的不平衡會導(dǎo)致脫水桶偏向一側(cè)，使得盛水桶有較大的振動，當(dāng)盛水桶觸碰到機(jī)械式開關(guān)，并且達(dá)到機(jī)械式開關(guān)的斷開行程，則機(jī)械開關(guān)斷開，脫水過程終止，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，產(chǎn)生較大的不平衡，脫水啟動狀態(tài)不同又會出現(xiàn)不規(guī)律脫水運(yùn)動，即使產(chǎn)生較大偏心量也可能未觸碰到機(jī)械開關(guān)，無法及時切斷脫水狀態(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)移動等現(xiàn)象[2]。

新型不平衡控制方法使用加速度傳感器來代替機(jī)械式開關(guān)來感應(yīng)脫水振動量大小，脫水時檢測的加速度能夠高精度實(shí)時檢測偏心量大小，通過對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)，保證脫水過程安全穩(wěn)定。

02原理解析

根據(jù)檢測位移量原理方式，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，振動量就越大。從圖3可以看出脫水過程中的振動量可以簡化為簡諧運(yùn)動。

圖1 插件式傳感器

圖2 MEMS加速度傳感器簡化圖

圖3 不同偏心狀態(tài)下的加速度

簡諧運(yùn)動方程：

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)脫水桶的振動量大小。波輪洗衣機(jī)脫水時，衣服纏繞導(dǎo)致的不平衡使得脫水桶產(chǎn)生振動，振動量大小與加速度正相關(guān)，因此檢測到的加速度反映了振動量大小。若振動量大于設(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

我們在波輪洗衣機(jī)上使用了MEMS加速度傳感器，此傳感器集成在主控板上。脫水過程實(shí)時檢測加速度大小來反應(yīng)振動量大小。

如圖4所示，橫坐標(biāo)是表示脫水時間，縱坐標(biāo)表示系統(tǒng)檢測振動量大小參考值。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，三個維度全方位測量振動量大小。

圖4 脫水過程中振動量檢測圖

在檢測過程中，我們發(fā)現(xiàn)脫水啟動時振動量出現(xiàn)異常，系統(tǒng)檢測偏心量過大，此時判定脫水終止，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，振動量越來越大，振動量過大情況下有可能產(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)定振動量臨界值，在脫水啟動階段，若振動量超過閾值，就進(jìn)入補(bǔ)水?dāng)[平模式；為了防止多次補(bǔ)水后，仍然無法完成脫水過程，系統(tǒng)設(shè)定補(bǔ)水3次后進(jìn)行E4報(bào)警。E4報(bào)警時，洗衣機(jī)發(fā)出蜂鳴聲，提醒用戶手動處理調(diào)整衣物，使其分布均勻，以便正常完成脫水過程。

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，從啟動階段開始，脫水偏心量在閾值以內(nèi)，脫水過程正常進(jìn)行。接著進(jìn)入脫水穩(wěn)定階段，此時系統(tǒng)檢測振動量在閾值范圍內(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)際使用過程中，我們發(fā)現(xiàn)洗衣機(jī)底腳不平時，在空桶脫水啟動階段，洗衣機(jī)可以有效完成此過程，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)，振動量越來越大，會超值設(shè)定閾值，系統(tǒng)會自動降速補(bǔ)水，無法有效完成脫水過程。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)晃動現(xiàn)象。在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證時，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程，初步可以說明閾值參數(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振動量大小。脫水轉(zhuǎn)速越高，振動量越大，脫水噪音也大，因此有必要進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化處理。一種脫水振動量閾值控制無法滿足不同洗滌量條件脫水轉(zhuǎn)速要求。因此，我們在邏輯上用洗滌水位檔位來設(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)定一個閾 值，5～8檔設(shè)置一個閾值。

以實(shí)際開發(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)用撞桶開關(guān)阻斷偏心量過大時脫水過程。我們用偏心塊來模擬洗衣機(jī)衣物偏心量，參照常規(guī)洗衣機(jī)脫水偏心塊測試要求， 1.0kg偏心量能夠順利完成脫水，2.0kg偏心量時需要補(bǔ)水?dāng)[平重新脫水。我們分別采集了1.0kg和2.0kg偏心塊脫水時的振動值，用采集到的振動值作為脫水啟動階段的閾值，以保證啟動階段脫水穩(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5檔，設(shè)定最高轉(zhuǎn)速750rpm。

如果在1～4檔：根據(jù)振動量來判定：在750～800轉(zhuǎn)速檢測（Δx、Δy，Δz）值以及在大于800rpm轉(zhuǎn)速時也實(shí)時檢測（Δx、Δy，Δz），根據(jù)兩個區(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，振動量閾值為400。假如系統(tǒng)檢測的振動量大小超過400，則停止加速，進(jìn)入慣性脫水模式；假如系統(tǒng)檢測的振動量小于400，則繼續(xù)加速，當(dāng)速度達(dá)到800rpm時，系統(tǒng)再次檢測振動量大小，假如振動量大于800，則停止加速，進(jìn)入慣性脫水模式，假如振動量小于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)脫水過程中，有效地實(shí)時檢測振動量大小，根據(jù)振動量大小系統(tǒng)實(shí)時決定脫水模式，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定地完成脫水過程，提升了脫水穩(wěn)定性，優(yōu)化洗衣機(jī)使用性能。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱靈云，王娜娜. 2015年中國家用電器技術(shù)大會[J]. 2015.

[2] 魏世民，金乃慶，童懷俊. 使用加速度傳感器測量洗衣機(jī)振動方法的研 究[J]. 科研發(fā)展2012，146-147.

[3] 張海濤，閻貴平. MEMS加速度傳感器原理[J]. 電子工藝技術(shù)，2003， 24(6).