01波轮洗衣机不平衡控制方法

以往波轮洗衣机的不平衡（out of balance）控制方法：机械式开关安装在工作台上，此机械式开关距离盛水桶部装设有一定距离，其具有一定的断开行程。洗涤过程中衣物发生缠绕会使得衣物在桶内分布不均匀，由此产生的不平衡会导致脱水桶偏向一侧，使得盛水桶有较大的振动，当盛水桶触碰到机械式开关，并且达到机械式开关的断开行程，则机械开关断开，脱水过程终止，继续进行补水，再把衣物抖散后继续脱水[1]。机械式开关成本较低，而且应用较为广泛，但是其精度较低；多数情况下，脱桶内衣物缠绕厉害时，产生较大的不平衡，脱水启动状态不同又会出现不规律脱水运动，即使产生较大偏心量也可能未触碰到机械开关，无法及时切断脱水状态，导致感应失效。从而引起撞击箱体产生较大噪音，甚至出现洗衣机移动等现象[2]。

新型不平衡控制方法使用加速度传感器来代替机械式开关来感应脱水振动量大小，脱水时检测的加速度能够高精度实时检测偏心量大小，通过对偏心量判断选择脱水模式和最高脱水转速，有效避免脱水失控状态，保证脱水过程安全稳定。

02原理解析

根据检测位移量原理方式，常用的加速度传感器可分为应变式、电磁式、压电式、光纤式和MEMS等。本文使用插件式MEMS传感器，结构简单、质量轻、低功耗及可靠性高等诸多特点[2]。如图1所示。插件式MEMS加速度传感器采用线性惯性原理，其力平衡公式为：F=ma。图2为MEMS加速度传感器简化图。从表达式可看出，脱水离心力可以反应出离心力大小，离心力越大，振动量就越大。从图3可以看出脱水过程中的振动量可以简化为简谐运动。

图1 插件式传感器

图2 MEMS加速度传感器简化图

图3 不同偏心状态下的加速度

简谐运动方程：

加速度：

在同一机型，相同速度控制的情况下，ω相同，相位相同；则加速度a与振幅A正相关，即：

因此，加速度可直接反应洗衣机脱水桶的振动量大小。波轮洗衣机脱水时，衣服缠绕导致的不平衡使得脱水桶产生振动，振动量大小与加速度正相关，因此检测到的加速度反映了振动量大小。若振动量大于设定参数值，则进行补水，摆平抖散衣物后重新脱水。

03应用实例

我们在波轮洗衣机上使用了MEMS加速度传感器，此传感器集成在主控板上。脱水过程实时检测加速度大小来反应振动量大小。

如图4所示，横坐标是表示脱水时间，纵坐标表示系统检测振动量大小参考值。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，三个维度全方位测量振动量大小。

图4 脱水过程中振动量检测图

在检测过程中，我们发现脱水启动时振动量出现异常，系统检测偏心量过大，此时判定脱水终止，进行补水进水，重新摆平衣物，减少衣物缠绕，最终使得偏心量得以降低，再继续进行脱水。

随着脱水转速的不断提升，振动量越来越大，振动量过大情况下有可能产生较大噪音、甚至出现撞击箱体和内外桶碰撞等现象。因此需要在系统中设定振动量临界值，在脱水启动阶段，若振动量超过阈值，就进入补水摆平模式；为了防止多次补水后，仍然无法完成脱水过程，系统设定补水3次后进行E4报警。E4报警时，洗衣机发出蜂鸣声，提醒用户手动处理调整衣物，使其分布均匀，以便正常完成脱水过程。

在脱水阶段末期，就进入惯脱模式，不再继续提速，有效避免脱水异响等情况发生。

如图5所示，从启动阶段开始，脱水偏心量在阈值以内，脱水过程正常进行。接着进入脱水稳定阶段，此时系统检测振动量在阈值范围内，此情况下可继续提升至最高速 1000rpm，系统执行提速指令。达到系统最高度后停止加速，进入惯脱模式，速度逐步下降直至脱水结束。

图5 脱水曲线图

在实际使用过程中，我们发现洗衣机底脚不平时，在空桶脱水启动阶段，洗衣机可以有效完成此过程，但是随着脱水转速进入高速阶段，特别是从500rpm提升至700rpm这段区间内，振动量越来越大，会超值设定阈值，系统会自动降速补水，无法有效完成脱水过程。因此，洗衣机使用前必须要调整底脚高度，使其与底面贴合，不能出现晃动现象。在实验验证时，调平洗衣机后，使用空桶状态进行脱水，若能够一次性完成脱水过程，初步可以说明阈值参数设定有效。除此之外，洗涤衣物量大小也直接决定了脱水时振动量大小。脱水转速越高，振动量越大，脱水噪音也大，因此有必要进行进一步细化处理。一种脱水振动量阈值控制无法满足不同洗涤量条件脱水转速要求。因此，我们在逻辑上用洗涤水位档位来设定不同阈值。一般洗衣机水位设置为1～8档，因此我们将1～4档设定一个阈 值，5～8档设置一个阈值。

以实际开发产品为例：

（1）在脱水起步阶段阈值设定。常规洗衣机用撞桶开关阻断偏心量过大时脱水过程。我们用偏心块来模拟洗衣机衣物偏心量，参照常规洗衣机脱水偏心块测试要求， 1.0kg偏心量能够顺利完成脱水，2.0kg偏心量时需要补水摆平重新脱水。我们分别采集了1.0kg和2.0kg偏心块脱水时的振动值，用采集到的振动值作为脱水启动阶段的阈值，以保证启动阶段脱水稳定性。

（2）脱水最高转速spec如下：根据水位选择，如果水位超过5档，设定最高转速750rpm。

如果在1～4档：根据振动量来判定：在750～800转速检测（Δx、Δy，Δz）值以及在大于800rpm转速时也实时检测（Δx、Δy，Δz），根据两个区域值确定最终最高转速。具体spec如下：

当脱水转速在750～800rpm之间时，振动量阈值为400。假如系统检测的振动量大小超过400，则停止加速，进入惯性脱水模式；假如系统检测的振动量小于400，则继续加速，当速度达到800rpm时，系统再次检测振动量大小，假如振动量大于800，则停止加速，进入惯性脱水模式，假如振动量小于800，则继续加速，直至速度达到1000rpm。

04结论

加速度传感器的应用在波轮洗衣机脱水过程中，有效地实时检测振动量大小，根据振动量大小系统实时决定脱水模式，以实现稳定地完成脱水过程，提升了脱水稳定性，优化洗衣机使用性能。

参考文献

[1] 朱灵云，王娜娜. 2015年中国家用电器技术大会[J]. 2015.

[2] 魏世民，金乃庆，童怀俊. 使用加速度传感器测量洗衣机振动方法的研 究[J]. 科研发展2012，146-147.

[3] 张海涛，阎贵平. MEMS加速度传感器原理[J]. 电子工艺技术，2003， 24(6).