-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
In
modernen (Haushalts-)Wäschebehandlungsgeräten, die
Waschgut durch Anwenden eines Behandlungs-Arbeitszyklus behandeln,
können
die Prozess-Vorgabe- bzw.
Einstellwerte für
einen Arbeitszyklus des Geräts
von der Größe der Waschgut-Charge abhängen. Bei
einigen Geräten
gibt der Benutzer an einer Benutzerschnittstelle eine qualitative
Chargengröße (Extraklein,
Klein, Mittelgroß,
Groß,
Extragroß usw.)
von Hand ein; in anderen bestimmt das Gerät die Chargengröße selbsttätig, da
bspw. die Größeneingabe
von Hand als für
den Benutzer unbequem gilt und subjektiv auch zu ungenauen Größenangaben
führen
kann.
-
Bei
Wäschebehandlungsgeräten mit
einer eine Behandlungskammer umschließenden Trommel und einem Motor
zum Drehen derselben kann ein Parameter des Motors wie bspw. das
Drehmoment mit einer quantitativen Größe – bspw. der Masse oder dem
Gewicht – der
Charge zusammenhängen,
die dann quantifizierbar ist. Historisch hat man mit einer kritisch
gedämpften
Motorregelung sichergestellt, dass die Drehzahl und die Bewegung
der Trommel dem eingestellten Behandlungszyklus so genau entsprechen,
das sich die Soll-Behandlung und -Pflege des Waschguts ergeben.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Ein
Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Waschgutbehandlungsgeräts durch
Anwenden einer unterkritisch gedämpften
Regelung auf einen Motor einer Trommel des Waschgutbehandlungsgeräts, Ermitteln
des das Drehmoment des Motors darstellenden Parameters und Bestimmen
der Größe der Waschgut-Charge
aus diesem Parameter.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
In
den Zeichnungen:
-
1 zeigt
als Perspektive ein Wäschebehandlungsgerät in Form
eines Waschautomaten nach einer Ausführungsform der Erfindung;
-
2 zeigt
schaubildlich den Waschautomaten der 1 nach einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung;
-
3 zeigt
schaubildlich einen Regler nach einer dritten Ausführungsform
der Erfindung für
den Waschautomaten der 1 und 2;
-
4 zeigt
die Sprungantwort eines Regelkreises im Zeitbereich mit unterkritisch, überkritisch
und kritisch gedämpftem
Verhalten;
-
5 ist
ein Blockschaltbild eines Regelkreises nach einer vierten Ausführungsform
der Erfindung;
-
6 zeigt
den Regelkreis der 5 in einer umgeordneten und
vereinfachten Anordnung;
-
7 zeigt
graphisch das Motor-Drehmoment bei hoher Beschleunigung für Chargen
mit 1 kg, 3 kg und 5 kg Trockenmasse für einen Regler nach 3 bei
unterkritischer Dämpfung
gem. 5 und 6.
-
8 ist
ein Korrelationsgraph für
Chargen unterschiedlicher Größe und ein
Drehmomentintegral aus der Anwendung des unterkritisch gedämpften Reglers
nach 5 und 6;
-
9 zeigt
als Flussdiagramm ein Verfahren nach einer fünften Ausführungsform der Erfindung; und
-
10 zeigt
als Flussdiagramm ein Verfahren nach einer sechsten Ausführungsform
der Erfindung.
-
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
-
Die 1 zeigt
als Perspektive ein Waschgut-Behandlungsgerät in Form einer Waschmaschine 10 nach
einer ersten Ausführungsform.
Die Waschmaschine 10 in der dargestellten Ausführungsform
kann ein (Schrank-)Gehäuse 12 mit
einer Benutzerschnittstelle 36 mit Knöpfen, Schaltern, Anzeigen und
dergl. zur Kommunikation mit dem Benutzer – bspw. Eingaben tätigen und
Rückmeldungen
empfangen – aufweisen.
-
Die
Waschmaschine 10 ist zur Erläuterung beschrieben und dargestellt,
nicht aber einschränkend. Auch
andere Waschgut-Behandlungsgeräte
als die Waschmaschine 10 lassen sich benutzen. Es kann
sich dabei um beliebige Maschinen zum Behandeln von Stoffen und
Textilien handeln – bspw.
(ohne Einschränkung) Waschmaschinen
wie Front- und Toplader,
Vertikal- und Horizontalachsmaschinen, Wäschetrockner wie Umwälz- oder
Standtrockner (einschl. Top- und Frontlader), kombinierte Wasch-Trockenautomaten,
Umwälz-
oder Stand-Auffrisch/Revitalisierungsmaschinen, Wäscheschleudern,
wasserfreie Waschgut-Behandlungs- und Revitalisierungsmaschinen.
-
Zum
Zwecke der Erläuterung
werden Ausführungsformen
der Erfindung unter Bezugnahme auf eine Waschmaschine beschrieben,
bei der die Textilie die Waschgutladung ist, wobei es sich versteht,
dass die Erfindung angepasst werden kann zur Verwendung mit anderen
Arten von Textilbearbeitungsgeräten
zum Behandeln von Textilien.
-
Eine
zweite Ausführungsform
ist schaubildlich in 2 gezeigt. Das Gehäuse 12 der
dargestellten Waschmaschine 10 kann einen ortsfesten Bottich 14 enthalten,
der eine Kammer 16 umschließt. Eine drehbare Trommel 18 kann
in der Kammer 16 des Bottichs 14 angeordnet sein
und Perforationslöcher 20 enthalten, durch
die Flüssigkeit
zwischen dem Bottich 14 und der Trommel 18 hin-
und herfließen
kann. Die Trommel 18 umschließt eine Waschgut-Behandlungskammer 22 einer
Größe zur Aufnahme
einer Charge Waschgut aus einem oder mehreren Stoffartikeln. Die
Trommel 18 kann weiterhin auf ihrer Innenfläche mehrere
Hubleisten 24 enthalten, die bei drehender Trommel 18 das
Waschgut der Charge anheben. Ein Motor 26 kann ein Direktantrieb
mit einem Rotor 28 und einem Stator 29 sein, der
die Trommel 18 über
eine Antriebswelle 30 dreht. Auch bürstenlose permanentmagnetische,
Induktions- oder Spaltpolmotore sind geeignet. Alternativ kann der Motor 26 mit
der Antriebswelle 30 indirekt gekoppelt sein, wie bekannt.
Der Bottich 14 und die Trommel 18 sind wahlweise
durch eine Tür 32 verschließbar. Ein
Balgen 34 verbindet eine offene Vorderfläche des
Bottichs 14 mit dem Gehäuse 12,
und die Tür 32 legt
sich dicht auf den Balgen 34 auf, wenn die Tür 32 den
Bottich 14 verschließt.
-
Die
dargestellte Waschmaschine 10 weist sowohl den Bottich 14 als
auch die Trommel 18 auf, die ihrerseits die Waschgut-Behandlungskammer
umschließt.
Es liegt auch innerhalb der Erfindung, dass das Waschgut-Behandlungsgerät nur eine
einzige Aufnahme aufweist, die dann die Behandlungskammer zur Aufnahme
der zu behandelnden Waschgut-Charge aufweist.
-
Waschmaschinen
werden typischerweise als Vertikal- oder Horizontalachsmaschinen
kategorisiert. ”Vertikalachsmaschinen” sind Waschmaschinen
mit einer drehbaren Trommel, die um eine allgemein vertikale Achse
relativ zu einer Fläche
dreht, die die Waschmaschine trägt.
In einigen Vertikalachsmaschinen dreht die Trommel um eine vertikale
Achse, die allgemein rechtwinklig zu einer die Maschine tragenden
Fläche
verläuft. Die
Drehachse braucht jedoch nicht genau vertikal oder rechtwinklig
zu der tragenden Fläche
zu verlaufen. Die Achse kann auch aus der Vertikalen geneigt sein. ”Horizontalachsmaschinen” weisen
eine drehbare Trommel auf, die um eine allgemein horizontale Achse
relativ zu einer Fläche
dreht, die die Waschmaschien trägt.
In einigen Horizontalachsmaschinen dreht die Trommel um eine horirzontale
Achse, die allgemein parallel zu einer Fläche verläuft, die die Waschmaschine
trägt.
Die Drehachse braucht hier jedoch nicht genau horizontal oder zur
tragenden Fläche
parallel zu verlaufen. Die Trommel kann auch um eine Achse verlaufen,
die aus der horizontalen Achse – bspw.
um 15° – geneigt
ist.
-
Vertikal-
und Horizontalachsmaschinen lassen sich auch an Hand der Art und
Weise unterscheiden, wie sie dem Behandlungsgut mechanische Energie
erteilen. In Vertikalachsmaschinen bewegt sich in der Trommel ein
Element, das das Waschgut in Bewegung versetzt und die mechanische
Energie direkt oder über die
Waschlauge in der Trommel indirekt auf das Element überträgt. In Horizontalachsmaschinen
wird typischerweise die mechanische Energie auf das Waschgut durch
die Umwälzbewegung übertragen,
die sich aus dem Trommelumlauf ergibt. Beim Umwälzen werden die Stoffartikel
der Waschgut-Charge wiederholt angehoben und fallengelassen. Die
in den 1 und 2 gezeigte Waschmaschine ist
eine Horizontalachsmaschine, obgleich die offenbarte Erfindung auch
auf Veritkalachsmaschinen wie auch auf andere Waschgut-Behandlungsgeräte anwendbar
ist.
-
Wie
sich weiterhin aus 2 ergibt, kann der Motor 26 die
Trommel 18 mit unterschiedlichen Drehzahlen in beiden Richtungen
antreiben. Abhängig
von den Eigenschaften der Waschmaschine 10 (bspw. der Größe der Trommel 18 und
der Waschgut-Charge)
kann die Drehung der Trommel 18 unterschiedlich geartete Bewegungen
des Waschguts in der Trommel 18 verursachen. Bspw. kann
die Charge mindestens eine Umwälz-,
Roll- (bzw. Zusammenball-), Gleit- oder Satelliten- (bzw. Anwerf-)Bewegung
einzeln oder in Kombination ausführen.
-
Die
Waschmaschine 10 der 2 kann weiterhin
ein Flüssigkeits-Zu-
und -rückführsystem
enthalten. Flüssigkeit
wie bspw. Wasser kann der Waschmaschine 10 aus einer Wasserversorgung 40 – bspw.
einem Haushaltswasseranschluss – zugeführt werden.
Eine Speiseleitung 42 kann die Wasserversorgung 40 an
eine Detergens-Ausgabeeinheit 44 anschließen. Ein
Zulaufventil 46 kann den Flüssigkeitszufluss aus der Wasserversorgung 40 und
durch die Speiseleitung 42 zur Detergens-Ausgabeeinheit 44 steuern.
Eine Leitung 48 kann die Detergens-Ausgabeeinheit 44 mit
dem Bottich 14 verbinden. Die Leitung 48 kann
an jeder geeigneten Stelle an den Bottich 14 geführt sein – in 2 beispielhaft
an eine Vorderwand des Bottichs 14. Die Flüssigkeit, die
aus der Detergens-Ausgabeeinheit 44 durch die Leitung 48 zum
Bottich 14 fließt,
tritt typischerweise in einen Raum zwischen dem Bottich 14 und
der Trommel 18 und fließt dann unter dem Eigengewicht
in einen Sumpf 50, den teilweise ein unteren Teil des Bottich 14 bildet.
Der Sumpf 50 kann auch eine Leitung 52 aufweisen,
mit der der Unterteil des Bottich 14 mit einer Pumpe 54 verbunden
ist, die Flüssigkeit
zu einer Ablassleitung 58, durch die die Flüssigkeit
aus der Waschmaschine 10 abfließt, oder einer Rückführleitung 58 zuführt, die
an einem Rückführzulauf 60 endet.
Der Rückführzulauf 60 kann
die Flüssigkeit
aus der Rückführleitung 58 in
die Trommel 18 leiten, und zwar auf beliebige Weise- bspw.
als Spritzstrahl, tropfenweise oder als stetigen Zufluss.
-
Das
Flüssigkeits-Zu-
und -rückführsystem
kann weiterhin eine oder mehrere Einrichtungen zum Erwärmen der
Flüssigkeit
aufweisen, beispielsweise eine Sumpfheizung und einen Dampferzeuger.
Weiterhin kann das Flüssigkeits-Zu-
und -rückführsystem
sich von der Darstellung in 2 bspw.
durch zusätzliche
Ventile, Leitungen, Ausgabeeinheiten für Waschhilfsmittel, Sensoren
(bspw. Wasserstand- und Temperatursensoren) u. dergl. unterscheiden,
mittels derer der Flüssigkeitsstrom
durch die Maschmaschine 10 gesteuert und eine oder mehrere
Arten von Reinigungs- bzw. Waschhilfsmitteln zugegeben werden können. Weiterhin
kann aus dem Flüssigkeits-Zu- und -rückführsystem
der Rückführteil entfallen
oder es können
andersartige Rückführsysteme
eingesetzt werden.
-
Im
Falle eines Wäschetrockners
kann ein Luftströmungssystem
(nicht gezeigt) Verwendung finden, bei dem ein Gebläse zunächst Luft über ein
Heizelement, in die Trommel, durch ein Flusenfilter und schließlich in eine
Abluftleitung drückt,
die an ein aus dem Haus führendes
Abluftsystem angeschlossen ist.
-
Die
Waschmaschine 10 kann einen oder mehrere Arbeitszyklen
von Hand oder selbsttätig
ausführen – ein üblicher
Arbeitszyklus weist einen Wasch-, einen Spül- und einen Schleudergang
auf. Andere Gänge bzw.
Phasen innerhalb eines Behandlungszyklus sind u. a. (ohne Einschränkung) Schleuder-Zwischengänge wie
zwischen Wasch- und
Spülgängen sowie
eine Vor- vor der Hauptwäsche;
einige Arbeitszyklen enthalten nur einen oder mehrere ausgewählte dieser
beispielhaften Phasen. Unabhängig
von den im Arbeitszyklen angesetzten Phasen lassen die unten beschriebenen
Verfahren sich zum Bestimmen einer Größe der Waschgut-Charge vor
oder während
jeder Phase des Arbeitszyklus anwenden. Die Größe kann qualitativ – bspw. Klein,
Mittelgroß,
Groß – oder quantitativ
angegeben sein, bspw. als die Masse der Charge.
-
Die 3 zeigt
schaubildlich eine Steuerung 68 zum Einsatz in einem Waschgut-Behandlungsgerät wie der
Waschmaschine 10 und stellt eine dritte Ausführungsform
der Erfindung dar. Die Steuerung 68 kann einen Controller 70 aufweisen,
an den die verschiedenen Arbeitskomponenten der Waschmaschine 10 zum Steuern
des Waschmaschinenbetriebs angeschlossen sind – bspw. die Pumpe 54,
der Motor 26, das Zulaufventil 46 und die Detergens-Ausgabeeinheit 44.
Der Controller 70 kann Daten aus einer oder mehreren Arbeitskomponenten
aufnehmen und aus diesen Befehle an letztere ableiten, mit denen
dann ein Soll-Betrieb der Waschmaschine 10 durchgeführt wird.
Bei den Befehlen kann es sich bspw. um Daten und/oder datenfreie elektrische
Signale handeln. An den Controller 70 kann auch das Bedienfeld 36 angeschlossen
sein, das Eingaben an bzw. Rückmeldungen
aus diesem ermöglicht.
M. a. W.: das Bedienfeld 36 kann als Benutzerschnittstelle
fungieren, über
die der Benutzer Eingaben zum Betrieb der Waschmaschine 10 – bspw.
die Auswahl und/oder Änderung
eines Arbeitszyklus – tätigt und
Rückmeldungen
zum Betrieb der Waschmaschine 10 erhält.
-
Als
Controller 70 lassen sich zahlreiche bekannte Ausführungen
anwenden. Der spezielle Controller-Typ ist nicht erfindungswesentlich.
Es kann sich um eine räumliche
Zusammenfassung eines Hauptmaschinencontrollers 72 mit
einem Motorcontroller 74 handeln; eine praktische Realisierung
kann auch eine räumliche
Trennung erfordern. Der Motorcontoller 74 kann zur Ansteuerung
des Motors 26 eingerichtet, auf diesem angeordnet und elektrisch
mit dem Hauptcontroller verbunden sein, während letzterer eingerichtet
ist, andere Arbeitskomponenten der Waschmaschine zu steuern. Es
kann sich beim Controller 70 um eine auf einem Mikroprozessor
basierende Ausführung
handeln, die Steuer-Software implementiert, die ein oder mehr Software-Anwendungen
umfassen kann, und sendet bzw. empfängt ein oder mehr elektrische
Signale von/zu verschiedenen Arbeitskomponenten, um die Steuer-Software
zuj beeinflussen. Beispiele möglicher
Controller zur Ansteuerung der verschiedenen Systemkomponenten sind
(ohne Einschränkung)
solche mit implementierter Proportional-(P-), Proportionalintegral-(PI-)
und Proportionalintegraldifferential-(PID-)Regelung.
-
Vor
einer Darlegung spezieller Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Verfahren
mag eine Erläuterung
der ihnen zu Grunde liegende Theorie für ein volles Verständnis nützlich sein.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene
Verfahren beruht auf einer Regelung, bei der das Motordrehmoment
oder ein es angebender Parameter – bspw. die Motorspannung oder
der Motorstrom – zur
Verfügung
steht. Die Regelung kann daher ein beliebiges System sein, bei dem
das Motordrehmoment direkt erfasst wird oder an Hand eines das Drehmoment
angebenden geeigneten Systemparameters abschätzbar ist. Ein derartiges System
kann bspw. ein Antrieb mit einem bürstenlosen permanentmagnetischen
Motor oder ein CIM-System auf der Basis eines Kaskaden-Induktionsmotors
mit Vektorregelung sein. Wird ein DuoSPIM (”duo single Phase induction
motor”)
oder CIM mit herkömmlicher
Regelung (V/F = const.) eingesetzt, lässt sich zur Drehmomentabschätzung ein
fortgeschrittener Algorithmus benutzen.
-
Die 4 zeigt
grafisch die idealen Sprungantwort eines Regelkreises im Zeitbereich
für unterkritische,
kritische und überkritische
Dämpfung
bezüglich
eines Soll-Bezugspunkts (eingeschwungener Zustand) von 1,0. Im Fall
eines Wäschebehandlungsgeräts mit drehender
Trommel ist der Soll- bzw. Bezugspunkt normalerweise die Soll-Drehzahl
der Trommel. Für
die Diskussion lässt
sich also der Bezugspunkt 1,0 der 4 als Drehzahl
betrachten.
-
Wie
ersichtlich, zeigt die unterkritisch gedämpfte Sprungantwort relativ
zum Sollpunkt ein Übergangsverhalten
der Drehzahl mit abklingender Hüllkurve
und ein Dämpfungsverhältnis kleiner
als 1. Die überkritisch gedämpfte Sprungantwort
schwingt nicht um den Sollpunkt, braucht aber zum Erreichen der
Solldrehzahl länger
als die kritisch gedämpfte
Sprungantwort. Die überkritisch
gedämpfte
Sprungantwort hat ein Dämfpungsverhältnis größer als
1. Die kritisch gedämpfte
Sprunbgantwort schwingt nicht um die Solldrehzahl und erreicht diese
am schnellsten. bei einem Dämpfungsverhältnis von
1. Ersichtlich zeigen also die kritisch und die überkritisch gedämpfte Einstellung
eine schwingungsfreie Antwort relativ zur Solldrehzahl.
-
Das
vorgeschlagene Verfahren arbeitet mit unterkritisch gedämpfter (schwingender)
Regelung, um die Auflösung
der Daten zu verbessern, die für
das Drehmoment oder den es angebenden Parameterbereit gestellt sind
und der verwendet werden kann, um die Größe der Waschgut-charge zu bestimmen,
und zwar unabhängig
von der Maßeinheit,
sei sie qualitativ (bspw. Masse, Gewicht, Trägheit) oder quantitativ (Extraklein, Klein,
Mittelgroß,
Groß und
Extragroß).
Die verbesserte Auflösung
im unterkritisch gedämpften
System macht aus dem Motor einen weiteraus besseren Sensor, was
das Drehmoment und dieses angebende Parameter betrifft, wobei der
Sensor eine höhere
Auflösung
für die
jeweils vorliegende Waschgutmenge ergibt.
-
Die
unterkritisch gedämpfte
Sprungantwort erreicht man durch Verringern eines Dämpfungsfaktors und Ändern eines
Integralkoeffizienten in einem PI-Regler oder durch Auswahl geeigneter
Proportional- und Integralkoeffizienten. Ein solches Einschwingverhalten
ist nur im Motordrehmoment merkbar, kaum jedoch in der Trommeldrehzahl.
Für die
Graphen der 4 wurde eine beispielhafte Horizontalachsen-Waschmaschine mit
bürstenlosem
permanentmagnetischem Antriebsmotor gewählt.
-
Angemerkt
sei, dass die unterkritisch gedämpfte
Sprungantwort zwar einen Motor höherer
Auflösung und
höheren
Nutzens als Drehmomentsensor ergibt. Sie ist jedoch weniger wünschenswert
für eine
tatsächliche
Regelung der Trommeldrehzahl, da die Trommel länger braucht, um die Solldrehzhal
zuerreichen, was zahlreiche unerwünschte Konsequenzen haben kann.
Liegt bspw. die Soll-Drehzahl unmittelbar unter oder an der Stalliten- bzw. Anwerf-Drehzahl,
kann möglicherweise
die Trommeldrehzahl im Übergangsbereich
zwischen der Satelliten- und der Nichtsatellitendrehzahl hin- und
herschwingen. Daher könnte
nach dem Ermitteln der Waschgutmenge die unterkritische durch eine
kritisch oder überkritisch
gedämpfte
Regelung ersetzt werden. Die Regelungen lassen sich in der Tat nach
Bedarf ersetzen, wie erforderlich, um einen bestimmten Behandlungszyklus
abzuschließen.
-
Die 5 zeigt
als Blockdiagramm einen Regelkreis nach einer vierten Ausführungsform
der Erfindung. Der dargestellte Regelkreis weist die folgenden Komponenten
auf: eine Solldrehzahl ω*(s)
am Eingang (d. h. die gewünschte
Trommeldrehzahl), einen PI-Regler, einen Motor, eine mechanische
Last und die Ist-Trommeldrehzahl ω(s) am Ausgang. Dabei sind
Te ein Motordrehmoment und Kp und
Ki die Proportional- bzw. Integral-Verstärkungsfaktoren/Koeffizienten
des Reglers, die sich entsprechend dem erwünschten Verhalten des Regelkreises
(bspw. die unterkritisch gedämpfte
Sprungantwort) wählen
lassen.
-
Die 6 zeigt
den Regelkreis der 5 in umgeordneter und vereinfachter
Form, wobei die Eingangsgröße immer
noch die Solldrehzahl, die Ausgangsgröße jedoch ein Motordrehmoment
ist. Die Übertragungsfunktion
von der Eingangsgröße ω* zur Ausgangsgröße Te is wie folgt: Te = (G/(1 + GH))ω* (1)
-
Das
dynamische Modell für
die mechanische Motorlast ist wie folgt: Te(t)
= Jώ(t)
+ Bω(t)
+ C (2)
-
Dabei
sind Te(t) und ω(t)
das Motordrehmoment und die Drehzahl im Zeitpunkt t; J, B und C
sind Koeffizienten wie folgt: J – Gesamt-Trägheitsmoment, B – Gesamt-Flüssigkeitsreibung;
C – gessamte
Coulombsche Reibung.
-
Durch
Integrieren beider Seiten der Gl. (2) vom Beginn bis zum Zeitpunkt
t erhält
man:
-
Wird
die Trommel mit konstanter Steilheit a beschleunigt, ergibt sich
die Drehzahl zu: ω(t) = at (4)
-
Einsetzen
von Gl. (4) in Gl. (3) ergibt:
-
Der
Zusammenhang zwischen der Gesamtträgheit und dem Drehmoment-Integral
ist dann:
-
Um
folglich die Empfindlichkeit des Drehmomentintegrals gegenüber der
Systemträgheit
zu maximieren und gleichzeitig die Auswirkung der Flüssigkeits-
und der Coulombschen Reibung (in Folge von Alterung und Fertigungstoleranzen)
zu minimieren, sollte man die Beschleunigung erhöhen und die Beobachtungszeit t
verkürzen.
M. a. W.: Eine geeignet schnelle Beschleunigung nominalisiert das
der Systemreibung zugeordnete Drehmoment. Das Konzept der Erfindung
kann folglich robuster werden, wenn man die Beschleunigung als sehr
schnell und den Zeitpunkt t (für
den das Integral berechnet wird) klein wählt. Die Höhe der Beschleunigung und die
Dauer der Beobachtungszeit, die man braucht, um das der Systemreibung
zugeordnete Drehmoment zu nominalisieren, hängen typischerweise von der
Maschinenplattform ab und lassen sich für jede Maschinenplattform durch
geeignetes Testen ermitteln. (Die erfindung nicht einschränkende)
Beispiele einer geeignet schnellen Beschleunigung sind: ein Beschleunigungssprung,
eine Beschleunigung von mindestens etwa 80% oder mehr der Höchstbeschleunigung
des Motors und eine Beschleunigung mit einem dem der Last zuordenbaren
Drehmoment proportionalen Motordrehmoment.
-
Die 7 zeigt
das Motordrehmoment während
einer Schnellbeschleunigung für
Waschgut-Chargen von 1 kg, 3 kg und 5 kg Trockenmasse unter Verwendung
der Regelung nach 5 und 6. Für den dargestellten
Graph wurden das Dämpfungsverhältnis ξ und der
Ingegralkoeffizient Ki – gemeinsam als Motorregelparameter
bezeichnet – zu ξ = 700 und
Ki = 11 gewählt. Wie unmittelbar ersichtlich,
bestehen signifikante Unterschiede zwischen den Drehmomentintegralen
für die
verschiedenen Chargengrößen. Insbesondere
sind sowohl die Amplitude des Motordrehmoments (i. e. die Spitzen
des Motordrehmoments) und die Periode der abklingenden Schwingung
für kleinere
Chargengrößen kleiner.
So lassen sich beide Werte zum Abschätzen der Chargengröße verwenden.
Eine genauere Abschätzung
der Chargengröße erhält man jedoch
aus dem Drehmoment selbst (d. h. dem von der Drehmomentkurve umgrenzten
Flächeninhalt),
wie in 7 durch die Schraffur gezeigt.
-
Die 8 zeigt
die Genauigkeit der Zuordnung zwischen dem Drehmomentintegral und
verschiedenen Chargen für
verschiedenen Chargenarten, d. h. den Zusammenhang zwischen Handtuch-
und Polyester-Chargen in den drei verschiedenen Chargengrößen (1 kg,
3 kg, 5 kg) und dem Drehmomentintegral. Die Messwerte für jede Chargengröße und -art wurden
jeweils mehrmals aufgenommen, um die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit
des vorgeschlagenen Ansatzes zu demonstrieren. Die Chargen sind
jeweils mit einem anderen Symbol gekennzeichnet. Ersichtlich nimmt
das Drehmomentintegral proportional zur Trockenmasse der Waschgut-Charge
zu. Die Werte des Drehmomentintegrals für wiederholte Messungen der
Handtuch- und Polyester-Chargen der gleichen Masse liegen verhältnismäßig eng
benachbart. Die vorliegende Erfindung bietet also eine gute Auflösung für Abschätzungen
der Chargengröße in einem
Bereich von 1 kg bis 5 kg unabhängig von
der Art des Waschguts. Die Erfindung ermöglicht auch die Abschätzung von
Chargengrößen für die Bereiche
und 1 kg und über
5 kg. Zum Abschätzen
de Chargengrößen ist
eine Aufsuchtabelle der einander zugeordneten Werte der Chargengröße und des
Drehmomentintegrals anwendbar.
-
Eine
gute Näherung
der Zusammenhänge
in 8 lässt
sich mit folgender Gleichung angeben: y
= –6,4x2 + 20,3x – 9,5 (7)
-
Die
beschriebene Abschätzung
der Chargengröße ist für eine nasse
oder trockene Charge möglich. In
Folge des zusätzlichen
Wassers und des variablen Verhaltens während der Sprungantwort wird
die Drehmoment-Signatur der nassen Charge mehr Störungen enthalten,
die sich jedoch algorithmisch ausfiltern lassen.
-
Es
ist u. U. nützlicher,
die Trockenmasse abzuschätzen,
da die Nassmasse allein keine Informationen hinsichtlich der Waschgutart
liefert. Ist die Trockenmasse bekannt, ist die Waschgutart identifizierbar
und lassen sich daher richtige Arbeitsparameter (d. h. Wassertemperatur,
Drehzahlverlauf zum Umwälzen,
Schleuderdrehzahl usw.) für
alle Phasen des Arbeitszyklus (Wasch-, Spül-, Schleudergang usw.) auswählen.
-
Wie
oben beschrieben, kann die Regelung durch Wahl eines geeigneten
Dämpfungsfaktors
und/oder anderer Reglerkoeffizienten mit unterkritische dämpfung arbeiten.
Vor jeder Phase des Arbeitszyklus kann der Mikrocontroller den Sollwert
des/der Reglerparameter ermitteln, der/die sich dann ändern, wenn
der Zyklus zur nächsten
Phase fortschreitet. Die Werte für
eine gegebene Waschmaschine können
bei der Fertigung identifiziert und in den Mikrocomputer einprogrammieren.
der Hauptcontroller 72 schreibt die vorgegebenen Koeffizientenwerte
in den Motorcontroller 74, sobald die Parametererfassung
angelaufen ist. Die Bereiche und Grenzwerte für jeden Koeffizienten lassen
sich so wählen,
dass der Benutzer die Änderungen
der Trommeldrehzahl kaum bemerkt. Die Bereiche hängen auch von der Kapazität (d. h.
der maximalen Chargengröße) und
der Art (bspw. Horizontal- oder
Vertikalachsmaschine) des Waschautomaten ab. Bspw. kann der Integralkoeffizient
zwischen 5 und 11 gwählt
werden, obgleich abhängig
von einem bestimmten Wäschebehandlungsgerät – auch andere
Bereiche anwendbar sein können.
-
Die 9 zeigt
als Flussdiagramm eine Ausführungsform
eines Verfahrens 100, mit dem auf Grund des oben beschriebenen
Verfahrens die Chargengröße bestimmbar
ist und das mit der beschriebenen Waschmaschine 10 sich
realisieren lässt.
Die dargestellte Schrittfolge gilt nur erläuternd, soll aber das Verfahren 100 in
keiner Weise einschränken;
die Schritte können
auch in einer anderen Reihenfolge durchgeführt, Schritte hinzugefügt oder
beschriebene Schritte unterteilt werden, ohne die Erfindung zu verlassen.
Das Verfahren 100 lässt
sich in einen beliebigen Arbeitszyklus der Waschmaschine 10 – bspw.
in eine Vorwäsche
oder in den Hauptwaschgang – aufnehmen
oder auch unabhängig
von einem Arbeitszyklus durchführen.
-
Das
Verfahren 100 beginnt im Schritt 102 mit dem Setzen
eines oder mehrerer Motorparameter wie des Dämpfungsverhältnisses und der vom Motorregler 74 anzuwenden
Integral- und/oder Proportional-Koeffizienten der unterkritisch
gedämpften
Regelung. das Setzen des einen oder der mehreren Parameter für die unterkritisch
gedämpfte
Regelung im schritt 102 kann optional sein, ist aber zur
Erläuterung
in diese Ausführungsform
der erfindung aufgenommen. Das Verfahren 100 setzt sich
fort mit dem Beschleunigen der Motordrehzahl und damit der Trommel 18 mit
unterkritisch gedämpfter
Regelung. Die Trommel 18 kann sich vorbestimmt lange in
der einen oder anderen Richtungdrehen; ”lange” ist dabei lange genug für das Abschätzen der Chargengröße. der
Motor kann mit etwa 80% oder mehr der Höchstbeschleunigung des Motors 26,
angenähert
mit einem Sprung ode so schnell beschleunigt werden, dass das Motordrehmoment
proportional dem lastbezogenen Drehmoment ist. Das Ermitteln de
smindestens einen, das Drehmoment des Motors 26 angebenden
Parameters kann bei 106 während des Beschleunigens 104 erfolgen.
Der mindestens eine Parameter im Schritt 106 kann für jede geeignete
Dauer aufgenommen werden, bspw. 30 s bis 40 s lang, um potenzielle Schäden an Bekleidung
minimal zu halten. Das Bestimmen des mindestens einen das Drehmoment
angebenden Parameters bei 106 kann das Summieren des Parameters
während
mindestens eines Teils der der Beschleunigung des Motors bei 104 beinhalten.
Das Summieren kann eine laufende Aufsummierung des mindestens einen
Parameters und die laufende Summe das Integral des Motordrehmoments
sein. Bei dem mindestens einen Parameter kann es sich um die Motorspannung,
den Motorstrom, das Motordrehmoment jeweils einzeln oder in Kombination
handeln. Die ermittelte Chargengröße kann qualitativ oder quantitativ
sein und kann das Aufsuchen einer dem Drehmomentintegral entsprechenden
Chargengröße in einer
Tabelle vorbestimmter, einander entsprechender Chargengrößen und
Integralwerte beinhalten.
-
Die 10 zeigt
als Flussdiagramm eine anderen Ausführungsform eines Verfahrens 100 entsprechend
der ersten. Diese Ausführungsform
kann optional bei 110 ebenfalls mit dem Setzen eines oder
mehrerer Motorparameter für
eine unterkritisch gedämpfte
Regelung durch den Motorcontroller 74 beginnen. Das Verfahren 100 kann
sich fortsetzen mit einer Beschleunigungsphase 110, in
der die Motordrehzahl bei unterkritisch gedämpfter Regelung beschleunigt
wird. Entsprechend erfolgt die Drehung der Trommel 18 vorbestimmt lange
in der einen oder der anderen Drehrichtung und die Beschleunigung
kann etwa 80% der Höchstbeschleunigung
des Motors 26 betragen oder angenähert eine Sprungbeschleunigung
oder das Motordrehmoment proportional einem lastbezogenen Drehmoment
sein. Eine Phase 114, in der ein das Drehmoment angebender
Motorparameter aufsummiert wird, kann während mindestens eines Teils
der Phase 112 der unterkritisch gedämpften Beschleunigung vorliegen.
Scließlich
kann eine Phase 116 der Chargengrößenbestimmung erfolgen, in
der die Chargengröße aus dem
aufsummierten Motorparameter bestimmt wird. Der aufsummierte Parameter
kann dem Integral des Motordrehmoments entsprechen. Wie oben beschrieben,
kann der mindestens eine Parameter die Spannung, der Strom oder
das Drehmoment des Motors jeweils einzeln oder in Kombination sein;
die ermittelte Chargengröße kann
qualitativ oder quantitativ sein und für ein Integral des Drehmoments
kann die zugehörige
Chargengröße in einer
Tabelle aufgesucht werden. Die Verfahren 100 lassen sich
in jedem Behandlungszyklus durchführen, und zwar eigenständig vor
dem Behandlungs-Arbeitszyklus oder innerhalb eines solchen. So lassen
sich nach dem Abschluss des Verfahrens 100 die Motorparameter ggf.
nach Bedarf ändern,
um für
den Behandlungszyklus eine nicht unterkritisch gedämpfte Regelung
oder dessen Rest zu implementieren.
-
Während die
oben beschriebenen Ausführungsformen
mit dem Motordrhemoment als der Motoreigenschaft arbeiten, aus der
die Größe der Waschgut-charge
bestimmt wird, beruht die der Chargengröße zu Grunde liegende Theorie
auf der Umlaufgeschwindigkeit der Charge; daher lässt das
Verfahren 100 sich der Aufnahme, dem Erfassen usw. der
Drehzahl der Trommel 18 auch auf andere Weise anpassen.
Alternativ ist auch die Wirkleistung des Motors zur Lastbestimmung
heranziehbar. Die jeweils angewandte Metrik ergibt unterschiedliche
Auflösungen
hinsichtlich der abgeschätzten
Chargengröße des Waschguts.
-
Die
Ausführungsformen
des Verfahrens 100 sind an Hand der Waschmaschine 10 der 1,
d. h. einer Horizontalachsmaschine, beschrieben, Es lässt sich
jedoch auch einer Verwendung in andersartigen Waschmaschinen anpassen – einschl.
Horizontalachsmaschinen mit gekippter Trommel, Vertikalachsmaschinen
sowie andersartigen Waschgut-Behandlungsgeräten. Während bei
einigen handelsüblichen
Horizontalachsmaschinen die Trommel um etwa 15° aufgestellt ist, kann der Trommelwinkel
auch kleiner oder größer sein.
Die jeweiligen Algorithmen – bspw.
der Algorithmus für
eine unterkritisch gedämpfte
Regelung und zum Bestimmen der im Verfahren 100 angewandten
Parameter – müssen u.
U. an den jeweiligen Trommelwinkel angepasst werden, da dieser die
Art der Wechselwirkung der Waschgutcharge mit der Trommel beeinflussen kann.
-
In
Vertikalachsmaschinen mit einem Rührglied tritt zwischen diesem
und der Bekleidung eine höhere Reibung
auf, so dass die Regler-Koeffizienten an die Soll-Genauigkeit der
Chargengrößenbestimmung
angepasst werden sollten. Bei einer Vertikalachsmaschine mit einer
Rührsäule können deren
Flügel
wie Federn wirken, deren Wirkung lässt sich modellieren und das
vorgeschlagene Modell sich entsprechend abstimmen lassen. Auch ohne
Berücksichtigung
de Federwirkung der Rührflügel ist
das vorgeschlagene Verfahren zur Bestimmung de Chargenmasse – u. U.
mit geringerer Genauigkeit – einsetzbar.
Weiterhin lässt
sich das Verfahren 100 an eine Anwendung in andersartigen
Waschgut-Behandlungsgeräten
anpassen – einschl.
Geräten,
in denen das Waschgut nicht mit Flüssigkeit getränkt wird
wie bspw. Wäschetrockner
und Wäscheauffrischgeräte. Eine
Abänderung
der Algorithmen kann erforderlich sein, wenn man das Verfahren 100 in
derartigen Waschgut-Behandlungsgeräten einsetzt.
-
Die
hier beschriebenen Ausführungsformen
des Verfahrens zum Bestimmen der Größe der Waschgut-Charge sind
aus mehreren Gründen
anderen Verfahren gegenüber
vorteilhaft. Sie ermöglich
eine selbsttätige
Bestimmung der chargengröße mit vorhandenen
Komponenten des jeweiligen Waschgut-Behandlungsgeräts; der
Motor dreht nicht nur die Trommel, sondern wirkt auch als Sensor,
der Data für
die Bestimmung der Chargengröße liefert,
so das der Aufwand für
zusätzliche
Sensoren u. dergl. entfällt.
Weiterhin kann die selbsttätige
Besimmug nder Chargengröße innerhalb
eines verhältnismäßig kurzen
Zeitrahmens und dabei genauer erfolgen, als die subjektive eingabe
einer Chargengröße durch
den Benutzer. So können
die Prozesseinstellungen für
einen Arbeitszyklus für
eine bestimmte Chargengröße adaptiv
erfolgen, so dass man eine Verbesserung der Optimierung des Arbeitszyklus
und der Unwuchterfassung sowie Ressourceneinsparungen erhält (bspw.
können
im Zyklus geeignetere Wassermengen, Zykluslängen, Drehzahlen, Dampfmengen
in Anwendungen mit Dampferzeugung, Chemikalienmengen in Geräten mit
Chemikalienausgabe, Detergentien in Geräten mit selbsttätiger Detergentienausgabe
usw. eingesetzt werden).
-
Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
lässt sich
die Chargengröße des Waschguts
im Trockenzustand ermitteln. Diese Trockengröße ist besonders nützlich,
da sie das Bestimmen anderer wichtige Parameter wie der Waschgut-Art
ermöglicht.
Weiterhin verursacht die erfindungsgemäß zum Ermitteln der Chargengröße angewandte
unterkritisch gedämpfte
Regelung keine zusätzlichen
gewebeschäden – dies im
Gegensatz zu anderen herkömmlichen
Methoden.
-
Während die
Erfindung oben an Hand bestimmte Ausführungsformen derselben beschrieben
ist, ist einzusehen, dass dies nur erläuternd, nicht die Erfindung
einschränkend
erfolgte; der Umfang der bei gefügten Ansprüche ist
so allgemein auszulegen, wie der Stand der Technik zulässt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Waschmaschine
- 12
- Gehäuse
- 14
- Bottich
- 16
- innere
Kammer
- 18
- Trommel
- 20
- Perforationslöcher
- 22
- Wäschebehandlungskammer
- 24
- Hubleisten
- 26
- Motor
- 28
- Rotor
- 29
- Stator
- 30
- Antriebswelle
- 32
- Tür
- 34
- Balgen
- 36
- Bedienfeld,
Benutzerschnittstelle
- 40
- Wasserversorgung
- 42
- Speiseleitung
- 44
- Detergens-Ausgabeeinheit
- 46
- Zulaufventil
- 48
- Flüssigkeitsleitung
- 50
- Sumpf
- 52
- Sumpfleitung
- 54
- Pumpe
- 56
- Ablassleitung
- 58
- Rückführleitung
- 60
- Rückführzulauf
- 68
- Steuerung
- 70
- Controller,
Regler
- 72
- Hauptmaschinenregler
- 74
- Motorregler
- 100
- Verfahren
-
FIGURENBESCHRIFTUNG
-
Fig. 3
-
- 26 Motor
- 36 Bedienfeld
- 44 Detergens-Ausgabeeinheit
- 46 Zulaufventil
- 54 Pumpe
-
Fig. 4
-
- Amplitude Amplitude
- Time Zeit
- Underdamped Unterkritisch gedämpft
- Overdamped Überkritisch
gedämpft
- Critically damped Kritisch gedämpft
- Decaying ... Abklingende Hüllkurve
-
Fig. 5
-
- PI Controller PI-Regler
- Motor Motor
- Mechanical ... Mechanische Last
-
Fig. 7
-
- Integral of Motor ... Integral des Motor-Drehmoment
- Motor Torque ... Motor-Drehmoment (V)
- Time... Zeit (s)
- 5 kg Dry ... 5 kg trockene Handtücher
- 1 kg Dry ... 1 kg trockene Handtücher
-
Fig. 8
-
- Torque Integral vs. ... Drehmoment-Ingegral als Funktion
der Gewebe-Trockenmasse
- Dry Cloth ... Gewebe-Trockenmasse (kg)
- Area ... Flächeninhalt
(Nms)
- Towel Handtücher
- Poly Polyester-Artikel
-
Fig. 9
-
- 102 Parameter für
unterkritisch gedämpfte
Regelung setzen
- 104 Motor beschleunigen (unterkritische Dämpfung)
- 106 Parameter bestimmen, der/die das Motordrehmoment
angibt/angeben
- 108 Chargengröße bestimmen
-
Fig. 10
-
- 110 Parameter für
unterkritisch gedämpfte
Regelung setzen
- 112 Beschleunigen (unterkritische Dämpfung)
- 114 Drehmoment aufsummieren
- 116 Chargengröße bestimmen
