测试计量技术研究所

中国家用电器研究院

振动检测技术在滚筒洗衣机上的应用

2018-01-04 13:17来源:家电科技作者:杨森 周福昌 章松发 王吉惠网址:http://www.jiadiantech.org浏览数:778 

振动检测技术在滚筒洗衣机上的应用

杨森 周福昌 章松发 王吉惠

(无锡小天鹅股份有限公司 214028

摘  要:基于实时振动检测技术针对洗、漂过程和脱水过程提出了两种算法验证了两种算法的可行性并分析了其优势所在。

关键词:滚筒洗衣机 加速度传感器 振动检测 算法设计


Technology of Vibration Detection Used on Drum Washing Machine

Yang Sen, Zhou Fuchang, Zhang Songfa, Wang Jihui

(Wuxi Little Swan Co., Ltd., 214028)

ABSTRACT: Put forward two kinds of methods of washing-rinsing and spinning process based on vibration detection technology, verify the feasibility and analyze the advantage of  two methods.

1引言

自上世纪七十年代我国开始引进洗衣机的设计和生产技术以[1],经过几十年不懈的努力和探索,我国在洗衣机及其附属领域取得了长足的进步和发展,洗衣机产业也成为了我国家电行业的支柱产业,洗衣机也从奢侈品变成了一件生活必需品。滚筒洗衣机作为洗衣机品类的一种,以其高洗净比、节水省电、衣物磨损率低等众多优势,逐渐成为了洗衣行业的主流产。但是,在其运转时,尤其是高速脱水时,由负载分布不均产生的激励源会使机器产生振动[2]。严重的振动不仅会产生噪音,影响人们的洗衣体验;还会产生剧烈抖动甚至移位现象,危及人们的生命安全[3]。因此,探寻如何提升洗衣机整机性能、怎样降低负载分布不均引起的偏心以及如何快速检测衣物偏心就显得尤为重要。

2滚筒洗衣机振动检测技术的应用

2.1MEMS加速度传感器的应用

顾名思义,MEMS加速度传感器是一种能测量加速度的微机电系统装[4]。在传感器加速或减速过程中,由于其惯性元器件受惯性力作用从而能准确的测量出传感器的加速度。根据滚筒洗衣机脱水振动检测原理,将加速度传感器安装在图1所示位置,对滚筒洗衣机运转时的加速度进行实时监测,通过进一步算法处理来实时感知洗衣机当前振动量。

图 1

2.2基于振动检测技术的滚筒洗衣机自适应洗、漂应用

滚筒洗衣机利用内桶的旋转带动衣物随桶旋转至高处随后掉落来模拟用棒捶打衣服的过程[5]。这种往复运动加上洗涤剂的作用,就能把衣物洗干净。但是,往往由于衣物并不能从最高处落下,所以并不能在最短的时间内达到最优的洗涤效果。本文提出的自适应洗、漂技术,基于对外筒振动的实时检测,可以根据负载类型自主调节洗、漂节拍,从而在最短的时间内达到最优的洗涤效果。

图2为自适应洗涤程序逻辑框图。首先给定一个初始洗涤转速,随后利用加速度传感器对外筒振动进行检测,每隔5s提取一次该段时间的最大振动量fvn(n=1、2、3……),然后在T时间内求各段最大振动量fvn的均值fv,即fv=(fv1+fv2+……+fvn)/n,fv、fvn均为振动信号在x、y、z三个方向的矢量合成。将振动量均值fv与FA进行比较,FA为经过对不同类型负载进行大量试验并进行数据统计处理得到的不同负载最佳洗涤转速对应的振动量。若fv小于FA,那么逐渐增加转速直至最优转速,转速调节步长视控制精度而定。同时设置最大洗涤转速Vmax防止内桶转速过高,离心力过大导致衣物贴桶壁旋转从而达不到较好的洗涤效果。

 图 2

2.3基于振动检测技术的滚筒洗衣机脱水算法设计

滚筒洗衣机脱水时,基于振动检测的脱水算法其低速阶段脱水曲线如图3所示。与传统的算法相比,该算法在低速阶段不需要进行偏心感知和称重感知,很大程度上节约了脱水时间。

图 3

图4为振动检测算法脱水流程图,在0-400rpm阶段实时采集振动信号fv,fv包含了在x、y、z三个方向的振动分量fvx、 fvy 、fvz。将脱水转速分为4档,分别为Vmax、Vmax-1、Vmax-2、Vlimt,根据实时检测的振动信号fv,选择合适的脱水转速档位,档位的多少视实际情况可增加或减少。图4中F1(F1x、F1y、F1z、F2(F2x、F2y、F2z、F3(F3x、F3y、F3z是经过大量测试数据得到的各振动段临界阀值,即当转速达到最高转速时,其振动噪音在标准以内时对应的0-400rpm阶段的最大振动量。

图 4

当选择了脱水档位以后,开始对脱水进行实时振动检测,由于Vmax、Vmax-1、Vmax-2、Vlimit脱水逻辑算法基本相同,顾以Vmax为例进行算例讲解。图5为Vmax档位脱水逻辑算法流程图, 图中F1、F2、F3为通过大量试验数据得到的各振动段的临界阀值,fmax-limit、fmax-1、fmax-2为各阶段实时采集振动量的最大值,N为脱水尝试次数,n-max为尝试次数上限。根据图5进行逻辑判断并选择各分支,可进行升速、原速、降速脱水从而最终达到目标档位。

图 5

3实验结果及分析

3.1自适应洗、漂技术实验结果及分析

本文针对多种负载在相同时间内同时进行自适应洗涤和低转速洗涤,并将两者实验结果进行对比。图6-a、6-b为相同负载在低转速洗涤和自适应洗涤下所检测到的振动信号。从图中可以看出,低转速洗涤振动量较小,基本呈一条直线;而自适应洗涤振动量明显出现较大幅度波动,电机转速波动差值接近500rpm。在30分钟洗涤结束后,分别测量负载洗净比,本次实验共测得5种负载的洗净比,如表1所示。自适应洗涤与低转速洗涤相比,洗净比提升明显,最小提升16%,最大提升23%。总的来看,自适应洗涤技术可将洗净比提升20%左右。

表1

负载类型

A

B

C

D

E

洗净比提升(%)

18

21

23

16

19


6-a 转速低                                                           6-b自适应洗涤

图 6

3.2基于振动检测的脱水算法实验结果及分析

本次实验首先测量了0-400rpm下200g、400g、600g、800g、1000g单偏心对应的外筒振动量(如图7所示)。从图中可以看出,当偏心质量间隔为±200g,振动值无重叠部分,有很好的区分度,可以有效的判断负载偏心大小并做出最优的脱水转速选择。

图 7

负载量选定为单件(0.5KG)、少量(1.5KG)、中量(3.5KG)、大量(6.5KG),对以上负载进行原算法脱水和基于振动检测算法脱水的对比。表2为两种算法脱水时长对比,图8为中量负载下原算法脱水曲线和现算法脱水曲线对比图。现有算法无需进行偏心感知和称重感知,脱水时间大大降低,尤其是单件负载,脱水时间可降低34%。

表2

负载类型

单件

少量

中量

大量

原算法脱水时间(min)

14.4

12.7

11.2

11.0

现算法脱水时间(min)

9.5

9.3

9.2

8.5

脱水时长降低(%)

34

27

18

23


4结语:

本文将MEMS加速度传感器应用到滚筒洗衣机上,在对外桶振动量进行实时检测的基础上,分别针对洗、漂过程及脱水过程提出了两种算法,验证了两种算法的可行性并分析了其优势所在,也为如何更好的、更广泛的将MEMS传感器应用到洗衣机上提供了技术参考。




参考文献:

[1] 朱耀辉.滚筒洗衣机动力学建模与仿真[D].南京航空航天大学,2007.

[2] D.C.Conrad, The Fundamentals of Automatic Washing Machine Design Based Upon Dynamic Constraints, Doctor Paper of Purdue University, 1994.

[3] 高荣慧,范攀攀. 基于虚拟样机的倾斜轴滚筒洗衣机动力学仿真分析[J].机械工程与自动化.2012(1):72-73.

[4] 刘宇,鞠文斌.MEMS加速度传感器计量检测技术的研究进展[J].计测技术.2010(4):521-522.

[5] 范攀攀.滚筒式洗衣机动力学特性分析研究与参数优化[D].合肥工业大学,2012.








第一作者简介:杨森,男,1991年11月生,现就职于无锡小天鹅股份有限公司,从事电机感知脱水算法设计相关的工作。单位地址:无锡市长江南路18号,214028. 手机:13945104352  email:yangsen3@midea.com.cn