摘要：本文构建了仿真模型，对滚筒洗衣机的振动评价指标进行了选取，然后通过仿真分析提出了滚筒洗衣机瞬态脱水阶段控制策略。
关键词：滚筒洗衣机；脱水；振动控制
长期以来，脱水振动一直是影响洗衣机的振动以及噪音降低的重要节点。通过优化洗衣机的悬架系统，在脱水环节控制振动，可以得到一定程度的抑制振动的效果。从悬架系统结构优化的角度来看，魏玉栋建立了滚筒清洗机的悬架系统参数化模式。通过模拟，求出影响机械整体动态特性的主要部件参数，提出了结构优化的想法。论述Turkay et al悬架系统的最优化式，通过优化缓冲器的刚性和衰减系数来降低脱水的过渡振动。
近年来，平衡环技术被逐步引入到滚筒洗衣机中，其为一中空的环形腔体，内部采用自由移动的球体或液体作为平衡质量。其在临界转速之上可显著抑制衣物偏心所引起的脱水振动，进而降低整机的噪声水平。但平衡环在临界转速之下增大了偏心质量，使脱水瞬态振动加剧。陈海卫等指出了平衡环引入后，传统平面悬挂结构难以抑制平衡环所引起的瞬态振动，在筒体底部改用四根阻尼器支撑，可大大降低平衡环所引起的筒体的摇摆运动。在脱水瞬态阶段控制方面，Nygads 等分析了磁流变阻尼器对滚筒振动的影响，并运用对阻尼器的控制策略实现了对脱水瞬态振动的抑制。陈海卫等通过分析不同负载工况下的脱水振动情况，得到了最佳加速时间常数。
现有对滚筒洗衣机脱水振动的研究多集中于悬挂系统优化与控制，而对脱水阶段转速的控制策略研究极少。本文在脱水阶段对转速的两种控制策略进行对比分析，证明这两种控制策略对于滚筒洗衣机脱水振动具有良好的抑制效果。
1 滚筒洗衣机模型与振动评价指标
1.1 仿真模型的建立
为研究脱水控制策略，首先应分析滚筒洗衣机的振动特性，建立滚筒洗衣机仿真模型。以LG公司某款新型滚筒洗衣机为例，其特点如下：
（1）盛水桶直接固定在机壳上，降低了可产生噪音部件的数量；
（2）悬挂系统为倒立摆式结构，脱水桶通过减振器与机壳底部直接连接，并随电机转子转动；
（3）为双平衡环结构，脱水桶前后两侧外壁均装有球体平衡环。此款洗衣机由于双平衡环的使用而使脱水稳态振动大大减小，但在脱水瞬态阶段，若加速启动方式不当，左右水平方向振幅较大，易发生脱水桶撞筒以及机壳走动现象。在电机定子上安装一个三轴加速度传感器可以检测脱水桶三个方向的振动信号，通过将测得的振动加速度信号两次积分即可得到振动位移，也就得到了脱水桶的振动情况。通过动力学仿真软件ADAMS建立该滚筒洗衣机虚拟样机模型。在脱水桶上传感器安装位置处建立随体坐标系XYZ，代表脱水桶的三个振动方向。
1.2 评价瞬态脱水振动的指标
评判瞬态脱水振动剧烈与否的两个重要指标是瞬态最大振幅以及振幅较大的瞬态振动持续时间，而这两点主要受滚筒洗衣机悬挂系统以及平衡环的影响。首先，滚筒洗衣机从电机启动达到脱水转速阶段，会经过悬挂系统的共振频率区间以致脱水桶振动较大；其次，这一转速也会经过平衡环的失稳区间，平衡环内球体与衣物间断性处于同一侧，增大了旋转偏心质量而使振动加剧。
对于最大振幅也有限制条件，最大振幅过大时会发生脱水桶撞筒以及机壳的走动现象。所以最佳脱水瞬态阶段应使电机快速启动到脱水转速，同时最大振幅又不超过限定值。
为研究最大振幅的限定值，进行滚筒洗衣机脱水振动实验及仿真，可得当各方向振幅达到25 mm时会发生撞筒现象，其振幅可以通过传感器直接测得。但无法通过测量来直接判断机壳是否走动。为此对机壳走动条件进行以下分析。
2 开环控制策略
2.1 传统的脱水加速方式
本文中滚筒洗衣机采用直驱电机，其脱水转速控制采用线性加速形式。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆传统的脱水加速启动方式是将电机从静止直接线性加速到脱水工作转速（6.7Hz以上），加速度为2 πrad/s2。经仿真分析可知在滚筒洗衣机基本参数一定时，脱水瞬态最大振幅受负载质量以及脱水加速度的影响。洗衣机在负载质量为1 kg、3 kg、5 kg、7 kg 时，电机从静止直接线性加速到6.7 Hz时，最大振幅A（为X向瞬态最大振幅）随加速度a 的变化情况。可以看出，若电机直接从静止加速到脱水转速，在负载达到7 kg 时，最大振幅将达到30 mm以上，极易发生撞筒和机壳走动现象。为减小脱水瞬态最大振幅，本文首先采用如下的开环控制策略。
2.2 分段加速方式
通过分析脱水振动特点，将脱水阶段分为三个阶段进行，分为A、B、C三个加速区间。在A区间先将电机线性加速到较低转速Ω1，稳定运行一段时间，使衣物能随滚筒旋转并保持较低的振动。B区间转速从Ω1以加速度a1线性加速到转速Ω2，为脱水瞬态振动区间，此间电机转速要经过悬挂系统的共振转速区间以及平衡环内球体的失稳转速区间，因此脱水桶振幅较大，瞬态最大振幅位于该区间内，是下文重点分析的阶段。C区间为转速从Ω2 加速到所需脱水转速Ω3（6.7 Hz 以上），采用直接加速方式的最大振幅随加速度变化情况在转速Ω2 以上时已经达到了脱水稳态阶段，因此振动较小。
由仿真分析可知，分段加速的最大振幅受到负载质量及加速度a1的影响。
2.3 基于分段加速方式的开环控制策略
本小节基于分段加速的方式，制定一种开环控制策略。为得到加速阶段的关键参数Ω1、Ω2、a1，对滚筒洗衣机模型进行动力学仿真分析。在不同负载质量下脱水桶稳态振幅（X 向）与转速的关系，发现其振幅最大的转速区域位于2.5 Hz至4.2Hz。这一区域应当位于分段加速中的B区间内，下面通过分析振动特点对B 区间三个关键参数进行选取。
3 闭环控制策略
3.1 闭环控制策略的制定
上节所述的开环控制策略，是在不同的负载质量下采用同一种分段加速模式。负载3kg 及以下时，a1对最大振幅的影响不大，且最大振幅也相对较小，以πrad/s2 加速会增加瞬态振动持续时间，而以较大的加速度运行可以迅速通过瞬态振动区间，并且最大振幅也不会超过限定值。由于在不同负载时的振动情况并不相同，传统的启动方式并不能实现针对不同负载情况的最佳启动方式。通过实例研究可以得知在负载3 kg、7 kg 时，最佳加速度应在8 πrad/s2、πrad/s2 左右，且不会超过脱水瞬态振动限定值。但是我们并不能预知负载质量，所以制定了一种闭环控制策略。
闭环控制策略是基于分段启动方式的将三轴加速度传感器检测到的振动信号反馈来控制电机加速度的策略。首先电机加速到启动转速Ω1，稳定一段时间后，以πrad/s2 的加速度启动到稳态转速Ω2，若加速度传感器检测到某方向振幅达到25 mm，则通过反馈立即降速到Ω1，一段时间后再以减半的加速度πrad/s2 启动，以此类推，最小加速度为πrad/s2，直到能够顺利加速到Ω2。稳定一段时间后再加速到脱水工作转速Ω3。
4 结语
（1）滚筒洗衣机以传统的加速方式脱水启动时瞬态振动很大，而采用分段加速的开环控制策略可以减小瞬态脱水振动。
（2）衣物负载质量不同时，滚筒洗衣机的最佳脱水启动加速度不同。在负载质量较小时适合以较大加速度启动以缩短瞬态脱水振动的时间；负载质量较大时适合以较小的加速度启动以避免振动过大导致撞筒以及机壳走动现象的发生。
（3）针对衣物负载质量不同时最佳加速度不同的情况，制定了采用分段加速的闭环控制策略，用传感器检测脱水桶瞬态脱水振动信号，反馈给电机来控制转速，从而实现在不同负载时以最佳加速度脱水启动。闭环控制策略在避免了振动过大引起撞筒以及机壳走动的基础上，可以减小瞬态脱水时间，更好地实现了瞬态脱水阶段的抑振作用。
参考文献：
[1]陈海卫，张秋菊. 滚筒洗衣机瞬态脱水振动的分析与控制[J]. 振动与冲击，2013，32（15）：47-53.
[2]陈海卫，张秋菊，吴晓庆. 单侧带平衡环的滚筒洗衣机抑振机理的研究[J]. 机械设计，2015（9）：82-86.
[3]张昊. 低振动的滚筒洗衣机驱动系统控制研究[D]. 浙江大学，2008.
论文作者:朱国良,钟大志
论文发表刊物:《防护工程》2019年第1期
论文发表时间:2019/4/26
标签：振幅论文; 转速论文; 加速度论文; 负载论文; 滚筒洗衣机论文; 策略论文; 区间论文; 《防护工程》2019年第1期论文;