基于感应电动机的洗衣机称重算法研究

2012-07-23周文忠徐柳春王红兴

微特电机 2012年5期

周文忠，王超，徐柳春，王红兴

(无锡艾柯威科技有限公司，江苏无锡214063)

0引言

为了实现洗衣机的自动进水和用于OOB测量的校正补偿，需要测量洗衣机筒中衣服的重量。测量衣物重量的主要方法有两大类:一类是采用称重传感器直接测量衣物的重量［1］;另一类是利用洗衣机的驱动电机测量筒中衣物的惯量［2］，由于重量与惯量基本上是成比例的，根据它们之间的比例关系就可以把惯量转换成重量。采用传感器检测衣物的重量有成本高、传感器安装不便的缺点，而利用驱动电机测量衣物惯量的方法不需要专门的传感器，不存在安装问题，因此现在的变频洗衣机中的变频电机基本上都具有称重功能。

专利文献［2］提出了一种滚筒洗衣机自动称重方法，该专利方法的惯量测试核心包括两点:(1)利用加速功率估计负载惯量;(2)利用匀速功率消除摩擦等因素对负载惯量测量精度的影响，其详细内容请见文献［2］。

文献［2］利用能量估算洗衣机筒内衣物惯量的方法具有计算简单的特点，但由于能量与惯量之间不是线性关系，因此其线性度差。为了改善惯量测试结果的线性度，本文提出了根据电机转矩估算衣物惯量的新方法，该方法不但改善了惯量测量的线性度，而且惯量测试算法还与电机转速控制算法一致，因此还具有实现容易和成本低等优点。本文较详细地介绍洗衣机的自动称重算法及其工作原理，以供相关研发人员参考。

1变频电机速度控制算法

变频电机采用的电机是三相感应电动机，其控制算法如图1所示，主要包括三部分:(1)输出电压幅值计算，它由速度比较、PI算法和限幅三部分组成;(2)电压角度计算，它包括转差表(Slip Table)、加法器和积分器;(3)SVPWM，把电压矢量转换成三相控制信号。

图1 变频电机控制算法框图

2变频电机惯量测量算法

2．1惯量测量算法测试速度曲线

变频电机测试衣物惯量的速度曲线如图2所示，n1一般取90 r/min，n2一般取130 r/min。n1主要由变频电机的性能决定，速度太低，变频电机低速性能较差，并且衣物不易分布到筒壁上，它们会影响惯量的测量精度。n2主要由洗衣机决定，速度太高，称重测量过程中容易撞筒。

图2 惯量测试速度曲线

2．2变频电机惯量测量算法

变频电机称重控制算法与电机速度控制算法基本一致，差异在于转差表不一样。电机速度控制算法的转差表会随着速度的改变而改变，改变的目的是为了实现单位电流产生最大转矩。变频电机称重控制算法的转差表是恒定不变的，其原因见下面称重算法测量原理。

2．3惯量测量原理

式中:Te为电机的电磁转矩;T0为摩擦转矩;J为洗衣机筒及筒中衣物的总转动惯量;为电机的角加速度。

式(1)表明，要计算惯量J就需要电机的电磁转矩和摩擦转矩。

式中:P是电机输出功率;ω是电机角速度;T是电机的输出转矩。

当电机的转差恒定时，其输出功率可由下式估计［3-4］:

式中:V是电机PWM输出电压。

电磁转矩由加速平均功率(t2～t3)确定，摩擦转矩由n1的稳态平均功率(t1～t2)确定。

式(1)～式(5)即为变频电机的惯量测量原理。

3实验结果

基于上述变频电机惯量测量原理和变频电机速度控制算法，用一款8位单片机(R5F21246)开发了变频电机的硬件及其软件。表1是对某国际公司生产的9 kg洗衣机的惯量测试结果，其测试条件如下:

(1)变频电机功率为490 W;

(2)洗衣机内筒的质量约5 kg(等价于3×1．7 kg负载);

(3)惯量负载采用橡胶块，并均匀对称地放在洗衣机内筒的三面(3 ×1．5 kg，3 ×3．0 kg);

(4)n1为90 r/min，n2为130 r/min。

表1 惯量负载测量结果(变频器输出数值)

表1的测试数据表明:

(1)相同负载下的惯量测试数据波动幅度小，稳定性好，最大值和最小值与平均值的差异都很小，它是测试精度高的前提;

(2)线性度好，即在负载差异相同情况下，测试数据的差异也基本相同(170．5-120=50．5，120-66=56)，该差异还可以通过上位机控制器以查表或其它方式进行修正(非线性测量校正的常用方法);

(3)分辨率高，相同负载下数据差异很小，不同负载下的数据差异大，负载在相差0．5 kg时其测量数据没有交叉，其精度可达到0．5 kg以上(详细数据限于篇幅没有给出)。

由于洗衣机差异(内筒直径/重量等参数不一样)，在相同惯量负载时测试数据是不一样的，需要洗衣机上位机控制器根据实际测试结果进行线性校正和定标(负载具体重量)，该功能也可以由变频器完成，但限制了一个变频器对多个洗衣机的应用，所以校正处理一般由上位机完成，变频器仅仅输出一个无量纲的值，如表1中的测试数据。

表1的测试结果表明了本文研究的惯量测量算法的有效性。