专利名称：负荷不平衡预测方法及在设备中使用的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于预测设备中大量材料的不平衡状态，更特别地，用于预测在设备的旋转容器中大量材料不平衡状态的方法和装置。
各种设备，如自动洗衣机、自动干衣机、离心脱水机等，使用旋转桶、篮或装载大量材料的其他容器，这些材料可能或不能均匀分布在容器内。负荷不均匀分布或不平衡状态，产生旋转容器的质量中心与容器的几何轴不一致的情况。这导致产生高负荷和容器剧烈振动。在设备中，这种剧烈振动可能造成设备在地板上或其他支撑面上移动的现象。这种现象既能发生在垂直轴旋转容器和水平轴容器中，也可能发生在轴位于垂直与水平之间的设备中。
在现有的技术中采用了多种方法，试图提供机械安排，以限制或减少可能发生的不平衡负荷，这些方法典型地包括向容器加入各种或者固定或者可移动的块，这样，旋转容器的马达需要额外的动力。
在现有技术中还公开了检测负荷平衡的方法，例如，在如美国专利5 070565所公开的那样，在洗衣机中使用倒相器驱动的马达。该专利公开了检查直流倒相器总线电流的波动，波动值超过预定水平表示负荷不平衡。如果检测到负荷不平衡，那么洗衣机控制器要重新开始再分布循环，试着使衣服再次达到平衡。如果负荷还是不平衡，那么这种行为要尝试预定次数，旋转循环将中止。如果波动值在达到最多尝试次数之前降到预定水平之下，旋转循环就会开始。一旦旋转循环启动，旋转循环的长度就根据任何遗留的负荷不平衡大小确定。旋转速度和旋转时间可根据检测的负荷不平衡程度进行调整。
如果提供一种方法和装置，其中，能在可能严重不平衡实际发生前预测到，以致采取适当的步骤来避免这种情况的有害影响，这会是一个进展。
本发明提供了在如自动洗衣机设备的以较低旋转速度旋转的旋转装置中，预测严重不平衡状态的方法和装置，这些旋转装置如旋转篮、桶或其他可旋转容器。该方法和装置通过监测马达电流信号进行预测。当估算到低速旋转的不平衡量时，为了不平衡状态变成问题之前，可以循环尝试再分布的方法。如果不平衡状态依旧不变，则旋转速度可以适当地加以限制，或者可以中止循环，并且警告使用者。
马达驱动旋转部件，例如可旋转容器中的不平衡负荷作用，转换成马达扭矩摆动，它与马达定子电流成比例。而且，某些设备中增加的振动可引起无源部件，如悬挂系统中的能量损耗，造成平均马达电流增加。在控制感应马达(CIM)的情况中，通过直接测量倒相器的直流总线电流，估计定子电流。
在本发明中，以低速监测马达扭矩摆动，在严重不平衡状态发展成有问题的状态之前就可预测其严重状态。
为了得到有关负荷的信息，控制系统可向马达发出特殊速度曲线指令。当在低速急剧加速时，如在约1秒内从60转/分增加到100转/分，在容器内存在严重不平衡会使容器碰撞外壳，造成马达扭矩和电流的扰动(“撞击”)。在实验中观察到了这种现象，这些扰动与容器中存在的不平衡负荷的量成比例，与设备在更高旋转速度时极端不平衡振动行为有关。
可以这样排列和选择装置，使得容器本身不会碰撞外壳，但是某些随容器一起移动的部件应该优选地与某些相对于外壳不动的部件接合起来。在这种方式中，能够监测和测量该容器相对于外壳的移动(不是旋转)。因此，如这里所使用的，并包括在权利要求书中，容器碰撞外壳的概念试图包括这样容器组件与这样外壳组件的接合。
较快的马达频率和较慢的撞击频率是电流信号的特征。更确切地，马达电流有三个组分，其中两个是谐波。第一个组分是标称马达电流。第二个组分是输入马达，以决定其基本速度的频率。马达试图保持匀速时，随着克服容器碰撞壁产生的回转作用所需马达扭矩的增加，马达响应时由其产生了第三个组分。标称马达电流和马达频率进入马达，它使马达匀速运转。当容器碰到外壳时，它试图使容器慢下来，马达增加扭矩，防止这种现象发生。得到的结果就是标称马达电流、马达频率和容器碰撞外壳所用的频率的总和。为了提取不平衡信息，用分组平均值计算法，用计数法滤出马达频率。这样做留下了撞击频率部分和标称马达电流。然后再滤出撞击频率，留下标称马达电流曲线。标称马达电流曲线与撞击频率曲线之差的积分，用来测量容器碰撞外壳时为保持匀速马达所使用的能量。这叫做撞击能量。为了确定是否应该继续进行更高速度的旋转循环，或者是否应该采取某个修正措施，撞击能量应累积固定的时间，例如几秒钟，然后与临界值相比。
图1是本发明可能采用的自动洗衣机透视图。
图2是旋转容器速度的图示说明。
图3是容器旋转所需马达电流的图示说明图4是旋转容器与外壳之间撞击能量的确定方法的示意图。
图5是实施本发明的装置示意图。
本发明涉及测量旋转容器非平衡状态的方法和装置，并且其方法和装置在各种各样的设备中有适用性，材料放置于该设备的旋转容器中，这些材料在容器内可能会不平衡分布。
为了用优选实施方案解释本发明，确定自动洗衣机为本发明使用的设备。应该理解，正如所说明的，本发明不仅能应用在垂直轴洗衣机中，而且还能应用于水平或倾斜轴洗衣机、干衣机、离心提取器和分离器，以及其他设备和装置，在这些设备和装置中，可旋转容器装有材料，而这些材料易于以不平衡状态放置。
在图1中20为自动洗衣机，即一台具有预先设定的连续控制装置的机器，用于通过预先选择的自动洗涤、漂洗和干燥操作的程序来操作洗衣机，用该装置具体实施本发明。机器20包括带有垂直板24的框架22，垂直板24构成了洗衣机20外壳25侧板24a、顶板24b、前面板24c和后面板24d。以通常的方法，装上带合页的盖26，提供了通往洗衣机20内部或处理区27的入口。洗衣机20有一个控制台28，它包括计时器标度盘30或其他计时装置，温度选择器32以及循环选择器33和其他所要求的选择器。
在这里举例说明机器20内部，装有一个无孔液体装载桶，在它内部有一个带孔或洞35的旋转清洗篮36，而泵38在桶34下面。旋转篮36限定了清洗室，它包括由基本平的底部向上延伸的内壁表面。马达100通过动力传送装置与篮36有效相连，使篮36相对于固定的桶34旋转。外壳25内部所有部件都由支柱39支撑，还可装有各种无源部件，如减震器或弹簧，来吸收篮和桶相对于洗衣机20框架和外壳的震动和移动。篮36包括容器，如织物之类的物品可以放入其中。
在操作如自动洗衣机之类的设备时，为了从衣物中抽取水或其他洗涤液体，清洗篮36以较高速度旋转。如果衣物没有在清洗篮中均匀分布，就会出现不平衡状态，这将造成旋转篮围绕着旋转轴摆动。因此，篮会在垂直于旋转轴的方向上有一些移动。取决于不平衡的程度和旋转速度，摆动可以较小，或者可以大到足以真正造成篮36(和桶34)与清洗室25接合，或与设备的某些其他相对固定的部件接合。以这种方式进行连续操作可能对洗衣机造成严重损害，可能造成整部设备从其固定位置移动，这可能造成在该设备附近的其他损害或可能危险情况。
不平衡负荷的作用还造成马达扭矩摆动，它与马达定子电流成比例。还有，增加的震动造成悬挂系统中无源部件的能量损耗，反过来造成平均马达电流增加。在如控制感应马达之类的马达中，通过直接测量倒相器直流总线电流来估计定子电流。
本发明还提供了一种在发生严重不平衡状态之前，预测不平衡状态的方法和装置。
如前所述，典型地，当旋转速度增加时，不平衡状态变得更加严重。但是，为了预测不平衡状态，当旋转容器以较低速度，如60转/分钟绕轴旋转时，旋转容器急剧升降或迅速加速，加速度升得略高，但依旧属于低速，如150转/分钟。这种加速应该迅速地发生，例如，在约1秒内。当甚至在低旋转速度急剧加速时，在容器中出现的严重不平衡状态增加了容器碰撞其周围外壳的机会，造成马达扭矩和电流的扰动或撞击。申请人已观察到这些扰动与筒中出现的不平衡负荷的量成比例，并与洗衣机以高速旋转的极不平衡振动行为有关。低旋转速度时这些碰撞，没有足够的能量造成设备移动或受损。取决于所采用特别设备的物理属性，特别的速度和加速度可以改变或更改，重要的是设备通过振动方式加速，这可以用实验确定，在实验中旋转容器在其轴上摆动，这可能使它碰撞外壳。通过这个系统频率区高速或迅速加速将激发系统的自然频率，加大振动，并且造成外壳碰撞，这些都能测到。
图2图示说明了旋转曲线，它显示随着时间改变的旋转速度。在50显示了迅速加速阶段，它表示旋转速度从较低速，如60转/分，迅速增加到高一些的速度，如150转/分。典型地，在自动洗衣机中，速度是更渐进地越来越高地上升，例如到300转/分、500转/分，800转/分是最终旋转速度。
图3说明了在迅速加速方式中及其短暂时间之后，测量的马达电流。52说明的是马达实际电流，包含有相对高的频率曲线。通过检测马达电流，能够确定容器是否与相对固定的外壳接合，因为撞击频率构成了马达电流的一个组分。撞击频率表现为由马达电流分组平均值表示的较低频率，在54用更粗的线显示其频率。实际上，用分组平均值计算法可将更快的马达频率以数学计数方法滤出来，留下分组平均值或撞击频率。
图4说明了撞击频率曲线与参照曲线比较结果，该参照曲线表示平衡负荷时的平均马达电流。在撞击频率曲线中由撞击封闭的面积表示桶撞击洗衣机外壳所用能量的量。可用标准积分法计算这一面积，撞击能量可累积固定的时间，例如约4秒，然后与临界值能量水平比较，为的是确定是否应该继续进行更高速度的旋转循环，或者是否应该由控制产生非平衡信号。
取决于所采用的特别设备、容器装载的典型物品负荷的大小和质量、预计的不平衡严重程度、容器典型的最终旋转速度和本技术领域的技术人员所知的其他参数，可能改变加速的精确初始速度和加速后的速度。重要的是选择初始旋转速度、加速度和加速后的旋转速度，以致存在不平衡状态时，这些速度不会高到对设备或使用者造成损害。还有，应当选择一个足够快的加速度，以激发设备的机械系统显示出不平衡状态的作用。这种显示例如可以通过造成旋转容器或某个由容器移动的可移动部件，与设备的相对固定部件接合来实现，以致可测量接合的能量，并与预定值进行比较。
如果产生了非平衡信号，这样可引出各种另外实施步骤，这些步骤包括试图用机器，如通过机械搅动或滚动重新分布负荷，然后再测试，以便预测是否还会存在不平衡负荷。这个步骤可重复预定次数，之后使用可视或可听信号警告使用者，直到使用者手工重新分布物品负荷并重新启动控制，这个循环才停止。
还有，当设备以低速运转，并且预测更高旋转速度时发生严重不平衡状态还未发生时，可由控制器将最终旋转速度降到安全水平，在这个过程中，机器振动和机械应力都是允许的。因此，旋转速度最初不会进行到预定的最终旋转速度，随着水从衣服中抽出，负荷变轻，旋转速度能够逐渐升高到最大期望值。
可选择地，如果检测并预测到不平衡状态，不平衡信号能够立即终止设备或装置进一步操作，直到重新分布负荷。
因此，本发明提供如图5所示的装置，其中，装置60包括围绕轴旋转安装的容器62，它构造成可接受物品，并且相对于装置60相对固定部分安装，当容器旋转，容器中的物品处于严重不平衡负荷状态时，容器62将与相对固定部分接合。
马达64使容器旋转，马达64与容器有效连接，使容器旋转。
控制器66与马达64相连，排列和安装成能通过马达的运转，使容器旋转迅速加速。还配置控制器，以确定能量的量，这个能量是容器与设备相对固定部分接合所用的能量，优选地如反映为马达引起的电流特征。还配置控制器，以便对能量的量与预定值进行比较，如果能量的量超过预定值，就把表示不平衡状态的信号送出。该信号可用于修改或控制机器的下一步操作，如影响再分布方式、中止马达操作和/或为设备使用者产生可听或可视的信号。正如上述具体说明所显而易见的那样，能对本发明进行多种变更和修改，但这些变更和修改与上述具体说明和描述的内容具有显著不同。应该理解，我们希望，在这里授权的本发明范围内，合理而正确地实施所有这些修改都在我们对本技术所做的贡献范围内。
权利要求
1.在带有相对固定部件和用于装大量物品的旋转容器中，一种方法包括所述大量物品装入所述容器中；绕着轴旋转所述容器；迅速加速所述容器的所述旋转；测量能量的量，该量是在所述迅速加速之后所述容器与所述相对固定部件接合所用的量；所述能量的量与预定值的比较；和如果所述能量的量超过所述预定值，那么送出表示不平衡状态的信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述设备是自动洗衣机。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述洗衣机是垂直轴洗衣机。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述洗衣机是水平轴洗衣机。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述设备是衣服处理设备，所述物品包括织物。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述相对固定部件包括所述设备的外壳。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述测量能量量的步骤包括用电动机旋转所述容器，测量施加到所述马达的电流，与所述容器同所述相对固定部件的所述接合相关的所述电流频率的分离，以及产生代表所述频率的曲线，所述频率与代表参比马达电流的曲线的比较，在所述接合曲线内在所述参比曲线以上的面积的积分，以及累积一定预定时间的所述面积。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述对比步骤包括所述累积面积值与预定临界值的比较。
9.一种设备，它包括安装绕轴旋转的容器，配置成能接收大量物品，并相对于所述设备的相对固定部件安装，由此，当所述容器旋转时，所述容器中的所述物品处于严重不平衡负荷状态时，所述容器将与所述固定部件相接合；安装和配置的能使所述容器旋转迅速加速的控制器，测量能量的量，该量是所述容器与所述相对固定部件接合所用的量，将所述能量的量与预定值比较，如果所述能量的量超过所述预定值，就送出表示不平衡状态的信号。
10.根据权利要求9所述的设备，其中所述设备是自动洗衣机。
11.根据权利要求10所述的设备，其中所述机器是垂直轴洗衣机。
12.根据权利要求10所述的设备，其中所述机器是水平轴洗衣机。
13.根据权利要求9所述的设备，基中所述设备是衣服处理设备，所述物品包括织物。
14.根据权利要求9所述的设备，其中所述相对固定部件包括所述设备的外壳。
15.根据权利要求9所述的设备，它包括与所述可旋转容器驱动连接的电动机。
16.根据权利要求15所述的设备，其中所述电动机包括控制感应马达，控制器中装有与马达相连的倒相器，所述控制器还包括与所述倒相器的直流总线相连的电流测量装置。
17.根据权利要求16所述的设备，其中所述电流测量装置提供了代表所述马达所用电流的输出信号，所述控制器还包括与接收所述输出信号相连的数字过滤器，所述数字过滤器包括分组平均值计算法，并提供了代表所述马达所用平均电流的输出。
18.根据权利要求9所述的设备，其中所述信号包括一种使用者的可听或可视信号。
19.根据权利要求9所述的设备，其中所述信号包括传送给所述控制器另一部分的电信号。
20.具有可旋转容器的设备，该容器构造成能接收大量物品，安装在相对固定的外壳内，所述容器可绕轴旋转，所述容器以一种方式安装，以致它能相对于所述外壳在垂直于所述轴的方向上移动，该设备包括与所述旋转容器驱动连接的电动机，与所述马达有效连接的控制器，该控制器能构造成通过所述马达的操作，使所述容器迅速加速旋转，它测量能量的量，该量是所述容器与所述相对固定部件接合所用的量，如反映为所述马达所引起的电流特征，所述能量的量与预定值比较，如果所述能量的量超过所述预定值，则送出表示不平衡状态的信号。
全文摘要
为带有接收大量物品并绕轴旋转的容器的设备提供预测设备中负荷不平衡的方法及设备。安装和配置控制器,以便迅速加速容器旋转,测量容器与相对固定部件接合所用的能量,将该能量的量与预定值进行比较,如果该能量的量超过预定值,则送出表示不平衡状态的信号。使用如控制感应马达之类的电动机,可使容器旋转,控制器可用于测量马达引入的电流,通过电流的操纵,测量容器与设备的固定部件接合所用的能量。
文档编号D06F33/02GK1331411SQ0112432
公开日2002年1月16日 申请日期2001年6月25日 优先权日2000年6月26日
发明者罗萨里奥·钱奇米诺, 布伦纳·马丁·夏普, 热拉尔德·C·斯滕德 申请人:惠尔普尔公司