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CN102444570A - 家用电器排放泵的控制方法以及实施该方法的处理单元 - Google Patents

家用电器排放泵的控制方法以及实施该方法的处理单元 Download PDF

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CN102444570A CN2011103083464A CN201110308346A CN102444570A CN 102444570 A CN102444570 A CN 102444570A CN 2011103083464 A CN2011103083464 A CN 2011103083464A CN 201110308346 A CN201110308346 A CN 201110308346A CN 102444570 A CN102444570 A CN 102444570A
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Abstract

一种用于控制家用电器排放泵的有效和节约成本的实施方法。其包括下面的步骤：启动致动所述排放泵的同步电机直至达到同步条件；通过改变点火角(α)进行相位控制而以稳态驱动所述同步电机；其中，在通过相位控制而以稳态驱动所述同步电机时，所述点火角(α)被反馈控制，以抵消进给至所述电机的相电流函数的零电流平台中点和与相同的相位相关的反电动势信号(fcem)的过零点之间的相差；其中，在所述点火角(α)的反馈控制中，如果所需的点火角(α)超过了最大临界值(αlim)，则所述同步电机被切断，其中，超过所述最大临界值(αlim)可以是通过所述排放泵在空气-水条件下的运行所产生的。

Description

家用电器排放泵的控制方法以及实施该方法的处理单元
技术领域
本发明从其最概括的方面来讲，涉及家用电器的排放泵的控制方法以及为实施所述方法而特别提供的处理单元。
特别地，所述方法旨在控制由洗衣机中所用的同步电机致动的排放泵。
现有技术
诸如洗衣机和洗碗机的各种家用电器包括其内部的排放泵，以将洗涤中所用的水排至污水管网。
这种排放泵必须具有低的生产和安装成本以及小的体积，同时还必须符合给定的可靠性和耐用性要求。
特别地，由永磁同步电机致动的排放泵满足上述要求，目前被广泛地使用。这些电机通常为小尺寸、单相或两相型，由低成本控制电路所控制，所述电路限于控制发动机的启动和关闭，也测量可能的阻塞或过热情况。
尽管成本效率高，但是这种解决方案具有不容许排放泵的空气-水条件运行状态被立即识别的缺点。在这种运行状态下，电机不具有最佳的能量效率；另外，其噪声很大。
其它问题可来自于电机有限的稳定性、不适于对负载的突然变化作出反应，尤其来自于确保电机自身机械启动的需要。
因此，构成本发明的基础的技术问题是，设计一种上述类型的排放泵的控制方法，以及为实施其而提供的单独的控制单元，所述方法和控制单元容许发动机的能量最优化和对排放泵的空气-水条件运行状态的控制，而不对生产和安装成本产生过多影响，并且决定性地排除了机械启动泵的功能限制。
发明内容
上述技术问题由一种家用电器的排放泵的控制方法来解决，其包括下面的步骤：
启动致动所述排放泵的同步电机直至达到同步条件；
通过改变点火角进行相位控制而以稳态驱动所述同步电机；
其中，在通过相位控制而以稳态驱动所述同步电机时，所述点火角被反馈控制，以抵消进给至所述电机的相电流函数的零电流平台中点和与相同的相位相关的反电动势信号的过零点之间的相移；
其中，在所述点火角的反馈控制中，如果所需的点火角超过了最大临界值，则所述同步电机可被切断，其中，超过所述最大临界值可能是由所述排放泵在空气-水条件下的运行所引起的。
能够以进给所述电机的电气栅格的电压的函数来计算所述最大临界值，特别是能够以所述电气栅格的电压的线性函数来计算。
在电机因所需的点火角超过最大临界值而被切断后，电机可有利地在给定的临时切断时间后再次启动。
可以根据切断之前的全流运行时间的递减函数(例如反比例函数)来计算所述临时切断时间。
优选地，计算所述临时切断时间以不超过预定的最大极限。
能够在例如与由泵自身作用的洗衣机的旋转步骤相关的、排放泵的相同的排放运行进程期间，根据预定进程设置后续的临时切断时间。所述进程将优选地为一个增长的进程，直到其稳定在最大极限值。
所述方法可包括泵的重置步骤，其提供用于计算所述临时切断时间的处理单元的电源的中断，以将影响所述计算的所有变量恢复至初始值。
在以稳态驱动所述电机的步骤期间，当同时满足下面的两个条件时，才能为其供电：所述反电动势信号必须具有与栅极电压相同的符号，并且所述反电动势信号必须不为零。
可以通过测量相电流和电压之间的相移来判断是否达到同步条件，当这种相移在给定次数的连续周期内保持不变时，则达到了所述条件。如果在预定的时间周期内未达到同步条件，则所述方法可重新启动电机。另外，如果在进行预定次数的启动尝试后未达到同步条件，所述方法可决定性地关闭电机。
上述技术问题也可由用于控制排放泵的处理单元来解决，所述处理单元用于控制致动所述排放泵的同步电机的电源开关，所述排放泵实施根据上述方式的控制方法。
而且，从下面给出的参考所附附图的、用于说明而不是限制目的的对优选实施例的描述中，本发明的特征和优势将变得清楚。
附图说明
图1示意性地表示与电机-排放泵组相连的电子装置，所述电子装置包括根据本发明的处理单元；
图2表示概括地示出了根据本发明的方法的各个步骤的框图；
图3示出了用根据本发明的方法进行控制期间，与图1中的电机-泵组的某些参数相关的临时进程；
图4示出了在旋转步骤期间由洗衣机排放的水量的临时进程。
具体实施方式
参考所附图1的家用电器、特别是洗衣机(在所附附图中未示出)的排放泵标识为50。排放泵50与收集洗衣机的水的水槽相连，并且其被用于在由家用电器完成的给定洗衣步骤中将水排空。
已知类型的排放泵50通过电机1致动，其在这种情况下为单相永磁同步电机的形式。
优选地采用控制卡形式的电子装置20与电机1相连并用于通过相位控制而对其驱动。
所述电子装置20包括静态开关21，在该特定情况下为TRIAC开关，用于切断由A.C.电气栅格22进给的电流并被导引至用于为电机1供电的绕组。
TRIAC开关21被连接到处理单元30的PWM输出33，其优选地采用微处理器的形式。
电子装置20具有与栅极35同步的部件，其向处理单元30发送栅极同步信号25，即：该信号在电气栅格的电压为正值时具有单位值而在电气栅格的电压为负值时具有零值；控制PWM输出33的计时器有利地与栅极同步信号同步。
而且，电子装置20具有处理单元30的电源部分36，也用于为所述单元提供电压参考信号。
处理单元30具有接收栅极电压信号23的第一输入31，和另一方面接收跨越开关24的电压信号的第二输入32。
通过处理这样的信号，处理单元30能够实施由同步电机1产生的反电动势的间接测量，所述反电动势在电流为零的时刻为栅极电压信号23和跨越开关24的电压信号之间的差值。处理单元30通过总是对跨越开关24的电压信号进行判断、特别是确保该信号与零值足够不同来检测所述零电流情况。
对根据本发明的排放泵50进行控制的方法具有启动致动排放泵50本身的电机1的初始步骤。
在图2的框图中，用100标识的该初始步骤包括四个连续的子步骤：校准、等待、启动、向稳态转换。
校准子步骤(图2中的方框100a)旨在将电机1的转子带进预定的启动位置。
为了获得这一结果，处理单元30控制TRIAC开关21，从而为电机的绕组提供电气栅格22系列电流脉冲，所述电流脉冲仅在电气栅格22的电压信号的给定半周期内产生，其正、负取决于电气栅格22的电压信号的选定的启动位置。按照本申请，TRIAC开关因此必须仅在栅极同步信号23取正值(或根据选定的半周期取负值)时开启。
后续的等待子步骤(图2中的方框100b)旨在容许电机1的转子的可能振荡被阻尼掉。因此转子必然在该等待步骤结束时停止在预定的启动位置。
后续的等待子步骤(图2中的方框100c)旨在确保电机1实际上启动。
为了此目的，处理单元30产生(通过改变相位控制中的点火角α来调节的)强度增加的一系列电流脉冲，其这次在电气栅格22的电压信号的半周期中产生，与校准步骤的脉冲的电压信号相反。
当反电动势信号超过预定控制临界值(校验方框100e)时，向稳态转换的最后的子步骤开始(图2中的方框100d)。
一方面，如果在系列脉冲的最后未达到反电动势的控制临界值(校验方框100f)，则所实施的控制方法再次执行第一启动子步骤。如果在给定次数的连续启动尝试后仍旧未达到该控制临界值(校验方框100g)，可决定性地停止电机1。
最后的子步骤旨在驱动该电机直至达到同步速度。
在该最后的子步骤中，处理单元30根据特定的点火逻辑来控制电机，所述点火逻辑趋于仅在电机1的电源绕组中的电流的传输确定了转子旋转方向上的驱动扭矩时，保持TRIAC开关21的运作。
特别地，当下面两个条件同时发生时开启TRIAC开关21：
a)所估计的反电动势信号必须具有与栅极电压相同的符号；
b)所估计的反电动势信号必须不为零。
一旦达到同步电机1的同步条件，完成启动。
通过测量相电流和电压之间的相移来判断这一条件(校验方框100h)。如果在给定次数的连续周期中该相移几乎保持不变，则认为达到了同步条件。如果在预定时间周期中未达到同步条件(校验方框100i)，所述方法再次从头执行启动步骤。在给定次数的连续失效的启动尝试后(校验方框100j)，可决定性地停止电机1。
在根据本发明的方法中，在这之后是通过相位控制、即通过改变点火角α而以稳态驱动所述同步电机1的步骤，所述点火角α确定与栅极电压符号的改变有关的、对TRIAC开关开启的延迟。
保持应用于上述转换子步骤中的开关21的开启条件a)和b)，逐步引入相位控制。
在图2中标识为200的驱动步骤中，点火角α被反馈控制，从而优化电机1的能量性能。
特别地，通过识别电机的理想运行条件来进行反馈控制，所述电机的理想运行条件为其中反电动势函数在零电流平台80的中点80a处超过零，所述零电流平台80通过关闭TRIAC开关21而设定。当然，零电流平台80的范围和中点80a的相对位置取决于每个电流半周期的点火角α的值。
所寻求的条件与绕组的电源电流和由同步电机1产生的反电动势之间的相移归零相对应，作为已知的条件确保了同步电机本身(不考虑芯部)的能量效率的优化。
根据前面所描述的方式，得益于在其内部所处理的反电动势信号，处理单元30能够判断电机的表现怎样不同于理想的运行条件，因此修正反馈中的TRIAC开关21的点火角α。
图3示出了在同步电机1的正常运行期间，反电动势e、栅极电压T和定子电流的临时进程；用于第一半周期的点火角用希腊字母α表示，其后跟随有逐步增加的下标。
在稳态驱动期间，根据本发明的方法连续地检查排放泵1未在空气-水条件下工作(校验方框300)。在这种条件下，负载的减少大大增加了对切断反馈控制算法中的电流的需求。因此，在每个半周期中，该方法校验反馈控制所需的点火角α没有超过最大临界值αlim，其实际上表示泵在空气-水条件下运行。
有利地，假定所需的切断也取决于栅极电压，所述最大临界值αlim为根据下式的栅极电压自身的线性函数：
αlim＝k·Vgrid+c
k和V为预设参数。
应注意到必须设置该极限值，以超过试验获得的最大点火角α，使得电机-泵组能够要求每个负载条件处于全流运行，所述全流运行是其上安装有泵的洗衣机的安装所需要的，其中全流运行意味着与空气-水条件下的运行相反。
当上述校验检测到在空气-水条件下的运行时，所述方法可提供进入电极1的临时切断步骤的入口(图2中的方框400)，即：电子装置20以临时切断时间来中断对同步电机绕组的供电。
一旦临时切断时间结束，通过重复上述的启动步骤100来重新启动电机。
根据本发明的方法可根据不同替代方式确定电机1的临时切断时间。特别地，下面将描述两种方式，其特别适合于在与排放泵50相连接的洗衣机的旋转步骤期间对排放泵50进行控制。
第一种方式使用对电机-泵组的先前的全流运行时间、即最后启动步骤100的启动和空气-水条件的检测时刻之间的时间进行校准的计算算法。当然，为了容许根据所述方式来确定临时切断时间，需要由处理单元30来调节所述全流运行时间。
从这些数据，根据先前的全流运行时间的递减函数来计算该切断时间。换句话说，电机-泵组的全流运行周期越长，跟随其后的切断周期越短。
这样的关系被以下事实证明，即全流运行时间代表了存在于洗衣机的水槽中的水量。当仍然存在很多水时，短时间的等待足够确保恢复全流运行条件；另一方面，当没有多少水时，需要等待较长时间以容许待洗衣服释放所含的部分水，其提高了水槽中的水位。
应该注意到，无论如何，其适于临时切断时间不超过最大极限，超出该极限会有水的积聚多于水槽容量的风险。
使用适于修改的反比例公式，可从全流运行时间来计算切断时间，以避免切断时间超过上述最大极限。
所述方法可包括泵的重置步骤，其预测如果有必要重置在此所调节的全流运行时间值，例如在不成功的旋转尝试结束时，则中断对处理单元30的供电。
可由根据本发明的方法所采用的第二种方式使用逐渐增加的临时切断时间。在第一次检测到空气-水条件时，所述方法以第一预定时间切断电机，例如2s；一旦进行下一次检测，就使用比第一次更长的第二预定时间，例如4s；如此跟随增加时间的进程直至最大极限，例如20s。一旦达到了最大极限，所述进程停止且切断时间稳定在该值上。
实际上，实验结果显示，在旋转步骤期间，由洗衣机所排放的水随着时间而减少。例如图4示出了由装载8kg海绵的洗衣机的排放泵在旋转步骤期间所排放的水的临时进程。不同的曲线指的是不同的旋转速度。如可见的，在所有速度下，大部分水在运行的第一步骤中被排出。
同样在该第二方式中，所述方法提供了泵的重置步骤，其中处理单元30的供电按照需要被中断，目的是将临时切断时间的进程恢复至初始值。
上述方法和处理单元具有一系列下面所列的优势。
第一个优势产生于以下事实，即所述方法和处理单元容许节能和相对安静的运行。特别是避免了排放泵的空气-水条件下的运行步骤。
第二个优势由以下事实所表现，即该系统为自调节的，已知所实施的控制试图抵消电流和反电动势之间的相移，其与排放泵所工作的工作点无关。
特别地，系统寻求能量最优化，其位于机器制造商所设定的限制内，与排放管的安装高度无关。
基于以下事实的另一个优势涉及使用的安全性，所述事实为存在使电机自动在最节能条件下工作的控制。
让我们以通过电子阀的阻塞而失效的情况为例，其中洗衣机连续地从自来水总管道进水，使排放泵连续地工作并且大多数时间处于空气-水条件下。由于在该情况下所吸收的能量被连续地保持在必需的最低值，避免了泵的过热，且因此能够不中断地工作。
再一个优势来自对致动排放泵的电机转子的同步损失或阻塞的自动检测。事实上，容许对机器绕组供电的条件要求对非零的反电动势值进行测量。
又一个优势涉及PWM输出的使用，其容许对TRIAC开关开启延迟的精细调节(具有几μs的分辨率)，所描述的方法和装置容许该控制的实质的稳定性，因此容许电机的实质的稳定性。
特别地，该方面确保了对电压和负载的变化作出反应的良好的反应度和精确度，所述电压和负载的变化在电动泵的应用实例中可归因于在旋转腔中存在空气泡或外来物体。
假定有可能以所述反应度修正该控制，则也有可能接近极限角而工作，超过所述极限角时电机将失去其步幅。
假定能够在整个运行电压范围内以最佳条件工作，则这给出了另外的优势，即提高了装置效率。
当然，为了满足因情况而异和特定的要求，本领域技术人员能够对上述方法和装置引入很多修改和变型，所有的所述修改和变型在任何情况下都由下面权利要求所定义的本发明的保护范围所覆盖。

Claims (15)

1.一种用于控制家用电器排放泵的方法，其包括下面的步骤：
启动致动所述排放泵的同步电机，直至达到同步条件；
通过改变点火角(α)进行相位控制而以正常运转速度驱动所述同步电机；
其中，在通过相位控制而以稳态驱动所述同步电机时，所述点火角(α)被反馈控制，以抵消进给至所述电机的相电流函数的零电流平台中点和与相同的相位相关的反电动势信号(fcem)的过零点之间的相差；
其中，在所述点火角(α)的反馈控制中，如果所需的点火角(α)超过了最大临界值(αlim)，则所述同步电机被切断，其中，超过所述最大临界值(αlim)可是由所述排放泵在空气-水条件下的运行所引起的。
2.如权利要求1所述的方法，其中，以进给所述电机的电气栅格(22)电压的函数来计算所述最大临界值(αlim)。
3.如权利要求2所述的方法，其中，以所述电气栅格电压的线性函数来计算所述最大临界值(αlim)。
4.如权利要求1所述的方法，其中，在因所需的点火角(α)超过所述最大临界值(αlim)而切断所述电机后，所述电机在给定的临时切断时间后被再次启动。
5.如权利要求4所述的方法，其中，根据切断之前的全流运行时间的递减函数来计算所述临时切断时间。
6.如权利要求5所述的方法，其中，根据切断之前的所述全流运行时间的反比例函数来计算所述临时切断时间。
7.如权利要求5所述的方法，其中，计算所述临时切断时间，使其不超过预定的最大极限。
8.如权利要求5所述的方法，其中，在所述排放泵的单独排放运行过程中，根据预定进程设置后续的临时切断时间。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述预定进程为增长的进程，其稳定在最大极限值。
10.如权利要求5所述的方法，还包括所述泵的重置步骤，其中，用于计算所述临时切断时间的处理单元的供电被中断，以将影响所述计算的所有变量恢复至初始值。
11.如权利要求1所述的方法，其中，在以稳态驱动所述电机的步骤过程中，当满足下面的两个条件时，才能为其供电：所述反电动势信号必须具有与栅极电压相同的符号，并且所述反电动势信号必须不为零。
12.如权利要求1所述的方法，其中，通过测量相电流和电压之间的相移来判断到达所述同步条件，当这种相移在给定次数的连续周期内保持不变时，则达到了所述条件。
13.如权利要求12所述的方法，其中，如果在预定的时间周期内未达到所述同步条件，则所述电机被重新启动。
14.如权利要求13所述的方法，其中，如果在预定次数的启动尝试后未达到所述同步条件，所述电机被决定性地关闭。
15.用于控制排放泵的处理单元，所述处理单元被设置为控制用于对同步电机供电的开关，所述同步电机致动所述排放泵，所述排放泵实施根据权利要求1的所述控制方法。
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