滾筒洗衣機負載不平衡識別算法可靠性設計與實現

謝建軍 鄭明星 戴浩乾 施清清 王曉楠

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

目前，滾筒洗衣機逐漸的成為日常生活中不可缺少的家用洗滌電器，隨著用戶的使用頻次增加，洗滌的衣物種類增多。對滾筒洗衣機的各方面的性能提出了更高的要求。最為突出的問題為滾筒洗衣機脫水過程中發生的撞筒移位和部分衣物種類不脫水的現象發生，該售后反饋數量在滾筒洗衣機問題反饋中占比較大。

一般的針對滾筒洗衣機不平衡量的檢測在靜態過程中進行，在洗衣機穩定狀態下進行不平衡狀態的識別。該方案針對大多數情況穩定性較好，滿足正常環境的使用需求。在實際使用過程中，為滿足不同用戶在不同環境使用滾筒洗衣機的需求，提升產品可靠性，需要提升不平衡量識別與控制的可靠性。本文針對不同的使用場景在實驗室進行情景模擬分析，依據實驗結果，提出優化不平衡的識別與控制方案。提升滾筒洗衣機的脫水性能的同時提供一種可靠可執行的系統性解決思路。

1 不平衡控制方法分析

在彈簧——阻尼模型的滾筒洗衣機中，衣物狀態分布不均勻時，將產生不平衡的運動過程，該簡易模型如圖1所示。

圖1 不平衡狀態運行簡易模型

在上述模型中，m為模擬衣物不平衡量，電機為BLDC電機，當m在筒內旋轉時，此時洗衣機狀態為不平衡的狀態，該狀態將反饋在電機參數中，如電壓、電流、功率、轉速、轉矩等各項參數，均存在不同變化趨勢。通過辨識各參數的變化率，可以識別出此時系統內部的衣物狀態的相對不平衡量的相對值。

根據動力學原理可列出機械運動方程，如下：

式中：

te—電磁轉矩；

tL—負載轉矩。

在轉速Ωr恒定時，系統轉動慣量J，阻尼系數RΩ在同一工況下均可作為常量，由上面機械運動方程可知，對系統轉速的控制需要通過控制動轉矩（te-tL）來實現，若負載狀態發生變化，產生不平衡狀態，將系統穩定在某一轉速時，電磁轉矩te將通過調整自身輸出，使得轉速達到設定的目標轉速。此時電磁轉矩的調整過程中的變化量可作為負載狀態不平衡量A的相對標示值，公式如下：

式中：

n—電機轉動圈數；

(ten-te(n+1))—轉動一圈內的轉矩差值。

累積計算穩定轉速區間內的轉矩波動平均值，將獲得當前不平衡量的相對標示值。

依據上述的公式計算，當穩定轉速內統計的轉矩差值次數越多，不平衡量的計算越準確。在實際應用過程中，該時長是在相對較短的時間內進行計算，計算結果將存在偏差。偏差的產生因素是因為在不同環境電源下，電磁轉矩te存在一定的偏差，計算電磁轉矩的公式如下：

為了研究偏差對實際的不平衡量控制偏差，在標準環境工況中，將不平衡量的標示值記為Am，在上限工況中不平衡量的標示值記為Ah，下限工況中不平衡量的標示值記為Al，可得出如下公式：

式中：

Uh、Ul—兩種上下限工況中的校正系數；

c1、c2—校正常量；

Am—標準工況環境中的基準值。

實際應用中工況的情況較復雜，不能僅通過三種工況的數據進行參數的控制，需要根據環境的變化，參數也應該相應的發生變化，最終可通過不同固定工況下的參數進行參數回歸，公式如下：

最終的不平衡量A將依據環境情況UC與實際計算的不平衡量AC，進行參數擬合校正后，作為最終的不平衡量標示值。

2 系統優化設計

以某一滾筒洗衣機平臺開發為例，脫水控制設計初期的方案如圖2。

如圖2所示，圖中的不平衡量A及預設值是在標準工況下測試獲取，在實際使用過程，不平衡量A的預設值設定將影響到脫水的正常運行。相同工況下，若電壓偏低，不平衡量A小于預設值，存在撞筒移位的風險；若電壓偏高時，不平衡量A大于預設值，存在不脫水的情況發生。鑒于初期方案的缺陷，將該問題在設計階段進行規避設計，優化脫水控制的系統邏輯，如圖3所示。

圖2 設計初期方案流程圖

圖3 改進方案流程圖

按照上述，設計脫水控制的基本流程，使得不平衡量輸出值，能夠隨著環境的變化進行校正。系統由原來的單一輸入量的控制系統，變更為雙輸入量控制系統，如圖4和圖5所示。

圖4 系統優化前控制圖

圖5 系統優化后控制圖

通過引入第二參數的設計方式，系統的可靠性較原控制系統提升。確保了系統參數的穩健性。

3 實驗設計與數據分析

為了驗證系統邏輯設計的可行性及有效性，在實驗室進行了不同工況下不同狀態的驗證。

3.1 標準不平衡量驗證

3.1.1 實驗方案

將電壓值作為單一環境變量，分別在上限環境工況、下限環境工況及標準環境工況下運用系統優化前后的兩種方案，測試相同偏心質量下的不平衡量，對比兩種方案得出的不平衡量的差異。

具體的實施方法：選用同一臺洗衣機樣機，依次采用空筒400 g單偏心塊兩種負載，運行脫水程序，采用監控程序讀取樣機反饋出的不平衡量；調節電壓，采集不同環境工況下的不平衡量參數。

3.1.2 數據分析

采用上述實驗方案測得的數據匯總于圖6、圖7。

圖6 空筒不平衡量對比

圖7 400 g單偏心塊不平衡量對比

從圖6可以看出，在優化前不平衡量隨著電壓的升高而增大，優化后的不平衡量不再隨電壓而改變。

就相同電壓下的三組測試結果來看，優化前三組結果波動較大，易受其他環境因素的影響；而優化后相同電壓下的三組測試結果極為穩定，上下偏差不會超過1。

從圖7可以看出，在400 g單偏心塊測試下同樣能體現出優化后方案的優越性：不平衡量不再隨電壓的改變而變化，而且輸出的不平衡量抗環境因素干擾能力也增強了。

由以上兩種負載情況下的測試結果可見，優化后的不平衡量能排除電壓等環境因素的影響，能夠真實的反映滾筒內的不平衡狀態。

3.2 模擬用戶使用情況驗證

3.2.1 實驗方案

同樣的將電壓值作為單一環境變量，在同一洗衣機樣機上分別采用優化前后的兩種控制方案進行實負載脫水測試，對比兩種方案測試結果的差異。

具體的實施方法：選用三種常見衣物組合作為試驗負載，在同一臺洗衣機上，分別使用優化前后兩種控制，運行脫水程序，記錄每組脫水的實際情況，有無撞筒移位現象發生，是否脫水成功。改變電壓，驗證不同環境工況下的脫水情況。

3.2.2 數據分析

采用上述實驗方案測得的負載脫水情況匯總于表1。

表1 實負載脫水測試

由表1可見，采用優化后的不平衡量進行脫水控制，可有效降低脫水過程中的撞筒概率，提高脫水成功率。

由圖8可見，采用舊方案的脫水控制由于不平衡量的預設值僅能滿足正常環境工況下的脫水，因此在低壓下撞筒概率高達60 %，高壓下脫水成功率僅達到20 %；而采用優化不平衡量后的控制方案，能有效避免電壓等環境工況帶來的影響，低壓下不再撞筒，高壓下的脫水成功率也提高到了80 %。

圖8 負載組合3脫水測試對比

因此，優化不平衡量后的控制方案能有效解決舊方案在低電壓下的撞筒問題和高電壓下的脫水失敗問題，可靠性較高。

4 結論

通過在標準實驗工況下的數據收集與分析，針對不同工況中的不平衡量的數據回歸，將該不平衡量的最終輸出值穩定為不隨環境電源變化的值。同時驗證了該方案在實際應用過程中的情況，驗證結果表明，該方法具有較高的穩定性和可靠性。解決了低壓情況時撞筒移位現象及提升了高壓情況時脫水完成率。本文中通過優化系統邏輯，提升了軟件可靠性，解決了脫水過程的不平衡量的不可控性的問題。提升了滾筒洗衣機的整體性能，增加了產品的市場競爭能力。