DE4304263C1 - Regelbare Saugvorrichtung und zugehöriges Regelverfahren - Google Patents

Description

Regelbare Saugvorrichtungen werden auf vielen technischen Ge­ bieten eingesetzt. Sie haben sich beispielsweise beim Be- und Entladen von Schüttgütern in großtechnischen Transportprozessen bewahrt. Aber auch im Haushalt oder in der Industrie, wo es auf die Entfernung kleinerer Mengen von Staub ankommt, sind regel­ bare Saugvorrichtungen von großer Bedeutung. Im Zuge der Wei­ terentwicklung von z. B. Staubsaugern erhalten auch Heimstaub­ sauger Gebläseantriebe, die immer größere Leistungen aufweisen. Aufgrund dieser hohen Motorleistung können Staubsauger auf weichen Teppichböden oder Polstern einer erheblichen Unterdruck im Ansaugbereich aufbauen. Dieser Saugdruck drückt dann beispielsweise die Saugdüse mit einer hohen Andruckkraft auf den Bodenbelag. In Abhängigkeit des Bodenbelages und dessen Reibungskoeffizienten muß der Benutzer dann eine erhöhte Schiebekraft aufbringen. Besonders weiche Teppichböden können den Strömungswiderstand in der Saugdüse eines Staubsaugers gegenüber glatten Bodenbelägen vergrößern. Somit vergrößert sich auch der Saugdruck und die Andruckkraft eines solchen Staubsaugers.

Regelbare Saugvorrichtungen sind in verschiedensten Formen be­ kannt. Aus der Deutschen Patentschrift DE 33 07 006 03 ist eine regelbare Saugvorrichtung bekannt, bei der die Änderung einer vom Sauggebläse geförderten Luftmenge verwendet wird, um die Sauggebläseleistung den Bedürfnissen im Saugbetrieb anzupassen. Hierzu ist es vorgesehen, an einer geeigneten Stelle im Luftstrom, welcher vom Sauggebläse gefördert wird, eine Luftklappe anzubringen, die durch den Luftstrom bewegt wird. In Abhängigkeit des geförderten Luftstromes wird durch die Luftklappe ein Potentiometer betätigt, dessen Widerstands­ änderung abgegriffen wird. Mit dieser Widerstandsänderung wird eine elektronische oder elektrische Sauggebläseleistungs­ regelung angesteuert. Die dort erläuterte Sauggebläseleistungs­ regelung ist so ausgelegt, daß bei einem verminderten Luftstrom die Sauggebläseleistung erhöht wird. Diese Verminderung dieses Luftstromes kann auch durch eine Bedienperson über einen Schieber an der Saugleitung am Staubsauger vorgegeben werden. Am Sauggebläse werden verschiedene Sauggebläseleistungsstufen durch einen Kontakt der sich ebenfalls an der Luftklappe befindet, eingestellt. Sie werden durch diesen Schalter beispielsweise zyklisch durchgeschaltet. Eine derart funktionierende Regelung weist jedoch folgende Nachteile auf: Durch die Anordnung eines Gegenstandes im Luftstrom wird die Sauggebläseleistung beeinträchtigt. Weiterhin muß in Abhängig­ keit der Gebläseleistungsstufen, welche durchgeschaltet werden, die Rückstellkraft der Luftklappe verändert werden, da sonst die Regelung des Sauggebläses in Schwingung geraten kann.

Aus der Deutschen Patentschrift DE 34 31 164 C2 ist ein weite­ rer Staubsauger bekannt, dessen Sauggebläseleistung regelbar ist. Hierzu wird in einem angesaugten Luftstrom der Staubbela­ dungsgrad durch optische Sensoren ermittelt. Dieser Staubbela­ dungsgrad wird über eine Auswerteschaltung ausgewertet und führt dazu, daß bei hohem Staubbeladungsgrad die Gebläselei­ stung des Staubsaugers erhöht wird, um den Staub schneller ab­ saugen zu können. Entsprechend gilt dieses für geringere Staub­ mengen, bei denen die Sauggebläseleistung vermindert wird. Der Bedienperson des Staubsaugers kann der Reinheitsgrad der zu reinigenden Oberfläche über Leuchtdioden oder akustische Signa­ le angezeigt werden, die ebenfalls von einer Auswerteeinheit des optischen Sensors angesteuert werden können. Die dort be­ schriebene Sauggebläseregelung funktioniert unabhängig von ei­ nem im Bereich der Saugdüse vorherrschenden Unterdruck. Im Ex­ tremfall kann sich eine Saugdüse bei einem hohen Staubbela­ dungsgrad an der Oberfläche festsaugen und dem Bediener des Staubsaugers eine Reinigung des Bodens erschweren. Weitere regelbare Staubsauger, die sich mit dem Themenkreis Sauggebläseleistungsregelung in Abhängigkeit des Druckes bzw. in Abhängigkeit einer vorhandenen Staubmenge befassen, sind nicht bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte regelbare Saug­ vorrichtung und ein Verfahren zu deren Betrieb anzugeben.

Die Merkmale der verbesserten Saugvorrichtung werden in An­ spruch 1 und jene des Verfahrens in Anspruch 5 angegeben.

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprü­ chen.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Saugvorrichtung besteht in der Kombination eines Drucksensors, welcher einen Saugdruck in der Saugdüse aufnimmt, mit einem Staubsensor, wel­ cher eine Beladung einer angesaugten Luftmenge mit Partikeln bestimmt und ein zu der Beladung proportionales Signal gibt. So ist es nicht nur möglich, den Saugdruck in Abhängigkeit von unterschiedlichen Bodenbelägen konstant zu halten, sondern es besteht auch die Möglichkeit, bei erhöhter Verschmutzung den Saugdruck zu erhöhen und so schneller ein zufriedenstellendes Saugergebnis zu erzielen.

Durch Anbringung eines Temperatursensors an dem Gebläseantrieb an der Saugvorrichtung erzielt man den Vorteil, daß bei einer Überlastung des Motors der Saugbetrieb nicht eingestellt werden muß. Diese gewünschte Wirkung erreicht man dadurch, daß man in Abhängigkeit einer Temperatur, die am Gebläseantrieb vor­ herrscht, den maximalen Soll-Saugdruck begrenzt. Bei Überlast wird also der maximale Soll-Saugdruck erniedrigt und der son­ stige Betrieb der Saugvorrichtung kann wie üblich weiterablau­ fen.

Die Verwendung einer Phasen-Anschnittsteuerung bei einem Elek­ troantrieb gewährleistet bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung einen geringen Schaltungsaufwand.

Durch die Verwendung eines Fuzzy-Reglers bei der erfindungsge­ mäßen Saugvorrichtung kann man ein besseres Ein- und Aus­ schwingverhalten der Regelung erzielen.

Ein besonderer Vorteil in der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß durch eine vorgesehene Stand-by- Position des Motors ein geringer Geräuschpegel ermöglicht wird. Durch die Wahl der Beeinflussung des Zündwinkels als Stellgröße wird ein geringer Verfahrensaufwand ermöglicht.

Durch die Filterung des Verschmutzungssignals, welches von dem Sensor in einem Saugrohr abgegeben wird, kann man ein stabile­ res Verhalten der Regelung bewirken.

Weiterhin kann man um die Regelung zu stabilisieren, vorteil­ haft den Ist-Saugdruck zeitlich mitteln.

Um ein stabileres Verhalten der Regelung zu erzielen, kann man nicht nur den Ist-Saugdruck, sondern auch seine zeitliche Ände­ rung in die Regelung mit einbeziehen.

Ein besonders stabiles Regelverfahren erhält man, wenn man ei­ nen Fuzzy-Regler mit Sliding Mode, der durch eine Boundary Layer begrenzt ist, einsetzt. Solche Regler sind beispielsweise in ′′R. Palm: Sliding Mode Fuzzy Control, Fuzzy-IEEE 92, San Diego 1992, Proceedings Seite 519 bis 526′ beschrieben. Der Vorteil solcher Regler besteht darin, daß der Fuzzy-Regelsatz halbiert wird und daß der Regler durch die Verwendung eines Sliding Modes um den Nullpunkt der Phasenebene herum exakt ar­ beitet.

Ein weiterer Vorteil beim erfindungsgemäßen Verfahren besteht darin, daß Zugehörigkeitsfunktionen wie im erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, verwendet werden. So erhält man vor allen Dingen um den Ursprung herum eine flache Kennlinie, welche zu einem zeitlich stabilen Verhalten der Regelung führt.

Einen weiteren Vorteil erzielt man, wenn man beim erfindungsge­ mäßen Verfahren genau 5 Fuzzy-Regeln einsetzt. Damit erhält man ein gutes Regelverhalten bei relativ geringen Abfrageaufwand.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren weiter er­ läutert.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Regelanordnung.

Fig. 2 zeigt eine Saugvorrichtung und daran angebrachte Senso­ ren.

Fig. 3 zeigt ein Beispiels eines erfindungsgemäßen Regelverfahrens mit einem Fuzzy-Regler.

Fig. 4 zeigt den Zusammenhang von Zugehörigkeitsfunktionen und Übertragungskennlinie.

Fig. 1 zeigt einen Regelkreis. Man erkennt einen Staubsensor S, welcher in Abhängigkeit der Beladung eines angesaugten Gases ein Signal abgibt, welches proportional zur Beladung des Gases mit Partikeln ist. Weiterhin ist ein Tempe­ raturfühler T1 mit Auswerteelektronik T2 zu erkennen, welcher eine am Sauggebläseantrieb der Saugvorrichtung vorherrschende Temperatur bestimmt und daraus in Abhängigkeit der Temperatur ggf. einen maximalen Soll-Saugdruck vorgibt. Dieser maximale Soll-Saugdruck ist so geartet, daß er von seinem Betrag her kleiner ist als der maximal mögliche erzeugbare Saugdruck und daß er weiterhin in Abhängigkeit der Temperatur solange auf­ rechterhalten wird, bis am Motor M wieder eine normale Be­ triebstemperatur vorherrscht.

Weiterhin kann man einen Drucksensor D erkennen, welcher im An­ saugbereich einen vorherrschenden Ist-Saugdruck ermittelt. Die­ ser Ist-Saugdruck wird mit dem vorgegebenen Soll-Saugdruck bei einer Vergleichsstelle verglichen und ein Fehlsignal e ermit­ telt. Dieses Signal e wird einem Regler R zugeführt, der daraus beispielsweise zur Leistungssteuerung eines Motors M einen Zündwinkel α ermittelt und diesen an einen Triac TR weitergibt. Dieser Triac erzeugt dann eine Motorspannung U, welche wiederum zu einer Drehzahl N an einem Gebläse G führt. Dieses Gebläse ist dann für die Erhöhung des Drucks zuständig.

Die erfindungsgemäß vorgesehene Kombination eines Staubsensors S mit einem Drucksensor D in Verbindung mit einem Temperatur­ sensor T1 und einer Auswerteelektronik T2 ist besonders dazu geeignet, einen kontinuierlichen Betrieb einer Saugvorrichtung zu gewährleisten, auch wenn daran hohe Anforderungen wie z. B. Dauerbetrieb gestellt werden.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Saugvorrich­ tung. Hier ist ein üblicher Haushaltsstaubsauger im Längs­ schnitt dargestellt. Im Saugrohr befindet sich ein Staubsensor S und am Ende des Saugrohres ein Drucksensor D. Weiterhin ist dargestellt ein Staubbeutelraum ST und ein Gebläse G mit einem Antrieb. An diesem Antrieb kann eine Temperatur T gemessen werden und es ist ein Zündwinkel α einstellbar.

Im üblichen Staubsaugebetrieb, der im Haushalt erfolgt, kann nun wie bei anderen nichtautomatischen Staubsaugevorrichtungen Staub gesaugt werden. Hierzu kann eine Leistung in Form eines Zündwinkels α beispielsweise an einem Schieberegler des Saug­ schlauches vorgegeben werden. Das heißt, es findet ein manueller Betrieb statt und die Automatik ist ausgeschaltet. In Ab­ hängigkeit des Bodenbelages wird nun keine Druckkonstanthaltung vorgenommen. Das heißt beim Saugbetrieb treten unterschiedliche Schiebekräfte in Abhängigkeit des Bodenbelages auf. Auch wird in Abhängigkeit einer Staubmenge, die am Boden vorhanden ist, keine Saugleistung erhöht, d. h. eventuell muß eine Stelle am Boden mehrmals mit der Saugdüse überfahren werden, um den Staub vollständig zu entfernen. Findet nun wie erfindungsgemäß vorgesehen ein automatischer Saugbetrieb statt, so wird beim Übergang von einem dichten Teppichboden auf einen glatten Boden automatisch eine Druckanpassung vorgenommen und das Gebläse mit seinem Antrieb über einen Zündwinkel α entsprechend nachgere­ gelt. Weiterhin wird bei einer großen Schmutzmenge über den Staubsensor S eine Druckerhöhung vorgenommen, welche über den Drucksensor D ermittelt wird. Durch diesen erhöhten Saugdruck ist es möglich, am Boden vorhandene Staubteilchen schneller zu entfernen.

Falls während des Betriebs eine Überhitzung oder eine Tempera­ turerhöhung am Antrieb des Gebläses G auftritt, wird dies durch den Temperatursensor festgestellt und führt bei der Regelung, wie beim erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, zu einer Begrenzung des maxima­ len Soll-Saugdruckes. Diese Vorgehensweise ermöglicht es, daß der Bediener des Staubsau­ gers weiterhin Staubsaugen kann und daß der Betrieb nur durch eine etwas verminderte Saugleistung beeinträchtigt wird. Das Gerät verhält sich jedoch nach wie vor so, wie es im automati­ schen Betrieb vorgesehen ist.

Fig. 3 zeigt ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Betriebsver­ fahrens für eine Saugvorrichtung. Dieses Verfahren wird peri­ odisch ausgeführt und von A nach E durchlaufen. Zunächst von A kommend wird ein Staubwert gelesen und dieser eventuell mit Hilfe eines Median-Filters gefiltert. Dieser gelesene Staubwert kann auch auf eine begrenzte Menge von Werten normiert werden, z. B. auf 8 Bit, wenn nur 8 Bitregister vorhanden sind. Falls der Staubwert gleich Null ist, verharrt der Gebläseantrieb in einer Standby-Stellung und es wird nach E verzweigt. Falls der Staubwert ungleich Null ist, sieht das erfindungsgemäße ver­ fahren vor, in Abhängigkeit des Staubwertes einen Soll- Saugdruck vorzugeben. Dieser kann auch normiert sein. Im Falle einer erhöhten Betriebstemperatur wird dieser Soll-Saugdruck begrenzt. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, den Soll- Saugdruck in Abhängigkeit der gemessenen Temperatur proportio­ nal zu erniedrigen. Beispielsweise kann eine Wertetabelle, wel­ che bestimmten Motortemperaturen Soll-Drücke gestaffelt zuweist in einer Look-Up Table abgelegt sein, auf die während des Re­ gelbetriebes zugegriffen wird. Ferner kann vorgesehen sein, ei­ ne Druckabsenkung nur eine gewisse Zeit aufrechtzuerhalten, oder erst nach Unterschreiten einer definierten Betriebstempe­ ratur wieder aufzuheben. Um eine stabilere Regelung zu gewähr­ leisten, wird nun beispielsweise auch dieser Druck gefiltert und bereitgestellt. Die Filterung kann hier beispielsweise durch zeitliche Mitteilung erfolgen, so daß sprunghafte Druck­ veränderungen kein instabiles Regelverhalten bewirken. Soll nun eine Fuzzy-Regelung erfolgen, so wird aus dem Soll- und dem Ist-Saugdruck beispielsweise ein Druckfehler e und eine Druck­ fehlergeschwindigkeit e, die der Ableitung des Fehlers ent­ spricht, ermittelt. Diese beiden Größen werden dann einem Fu­ zzy-Regler zugeführt, welcher zur Leistungssteuerung eines Ge­ bläseantriebs dann beispielsweise eine Zündwinkeländerung Δα ermittelt. Diese führt nach einer vorgenommenen Integration zu einem Zündwinkel und beispielsweise über eine Triac-Steuerung zu einer Spannung, welche dem Motor des Gebläses vorgegeben wird.

In Fig. 4 ist ein qualitativer Zusammenhang zwischen Lage der Zugehörigkeitsfunktion und der Kennliniensteilheit darge­ stellt. Auf der linken Seite von Fig. 4 ist der Zugehörig­ keitswert µ in Abhängigkeit von einem normierten Abstand von der Schaltgeraden S_N aufgetragen. Die einzelnen Zugehörigkeits­ funktionen für die linguistischen Variablen sind mit VL für very low, L für low, M für medium, H für high und VH für very high bezeichnet. Auf der rechten Seite ist die Kennlinie der normierten Stellgröße u_N in Abhängigkeit des normierten Abstan­ des von der Schaltgeraden aufgetragen. Diese normierte Stell­ größe kann beispielsweise einen Phasenwinkel α einer Phasenan­ schnittsteuerung einer erfindungsgemäßen Saugvorrichtung ent­ sprechen. Durch die Verlagerung der Maxima der Zugehörigkeits­ funktionen in Richtung nach rechts erreicht man, daß die Kenn­ linie einen zunächst flachen Verlauf der immer steiler wird, annimmt. Dieser Verlauf ist besonders günstig für den Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens, da er eine zeitlich stabile Regelung begünstigt und ein Schwingen der Regelung somit weitestgehend vermieden wird.

Claims (10)

1. Regelbare Saugvorrichtung,

• a) bei der mindestens ein Drucksensor vorgesehen ist, welcher in Abhängigkeit eines von einem Sauggebläse der Vorrichtung er­ zeugten Ist-Saugdruckes in Strömungsrichtung vor dem Sauggebläse ein erstes Signal abgibt,
• b) bei der ein Schmutzsensor vorgesehen ist, welcher in Abhängigkeit einer von der Vorrichtung angesaugten Partikel­ menge ein zweites Signal zur Bildung eines Soll-Saugdruckes abgibt, der vom Sauggebläse der Vorrichtung zu erzeugen ist,
• c) und bei der mindestens ein Regler zur Regelung des Saugdruckes vorgesehen ist, wobei dem Regler die Differenz aus dem Ist- und dem Soll-Saugdruck zugeführt wird und dieser damit eine Stellgröße zur Beeinflussung der Sauggebläseleistung ableitet.

2. Regelbare Saugvorrichtung nach Anspruch 1, bei der an einem Sauggebläseantrieb ein Temperatursensor vorgesehen ist, welcher in Abhängigkeit der dort vorherrschenden Temperatur ein drittes Signal abgibt.

3. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei der ein Elektro-Sauggebläseantrieb vorgesehen ist, der vom Regler über eine Phasenanschnittsteuerung geregelt wird, wobei der Regler einen Zündwinkel vorgibt.

4. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei der ein Fuzzy-Regler vorgesehen ist.

5. Verfahren zum Betrieb einer regelbaren Saugvorrichtung,

• a) bei dem in einem ersten Schritt ein Partikel-Beladungsgrad eines Sauggases bestimmt wird,
• b) bei dem in einem zweiten Schritt, falls der Partikel-Bela­ dungsgrad größer als Null ist, daraus ein Soll-Saugdruck der Saugvorrichtung abgeleitet wird, falls der Partikel-Beladungs­ grad gleich Null ist, ein Sauggebläseantrieb der Vorrichtung in einem Wartebetrieb betrieben wird und keine weiteren Verfah­ rensschritte durchgeführt werden,
• c) bei dem in einem dritten Schritt ein Temperatursignal, das eine am Sauggebläseantrieb vorherrschende Temperatur angibt, auf die Überschreitung einer zulässigen Temperatur überprüft wird und bei Überschreitung ein begrenzter Soll-Saugdruck vor­ gegeben wird,
• d) bei dem in einem vierten Schritt der von dem Sauggebläse der Vorrichtung erzeugte Ist-Saugdruck ermittelt wird,
• e) und bei dem in einem fünften Schritt das Differenzsignal aus Soll- und Ist-Saugdruck als Druckfehler e gebildet wird, woraus von einem Regler der Vorrichtung eine Stellgröße zur Beeinflussung der Sauggebläse-Leistung gebildet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der Partikel-Beladungs­ grad durch einen Sensor bestimmt wird, der ein erstes Signal abgibt, wobei dieses Signal zur Filterung einen Medianfilter durchläuft.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 6, bei dem der Ist- Saugdruck zur Weiterverarbeitung zeitlich gemittelt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem eine zeitliche Änderung des Druckfehlers e bestimmt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8 mit folgenden Merkmalen:

• a) es wird ein Fuzzy-Regler verwendet, der nach dem Sliding Mo­ de-Prinzip arbeitet,
• b) der Sliding-Mode wird durch eine Boundary Layer begrenzt und schließt stetig an die Kennlinie des Fuzzy-Reglers ohne Sliding-Mode an,
• c) zur Bestimmung aller Stellgrößen wird ein Fuzzy-Regelsatz für Abstände oberhalb der Schaltgeraden festgelegt; bei Abstän­ den, die unterhalb der Schaltgeraden liegen, erfährt die Stell­ größe einen Vorzeichenwechsel,
• d) bildet man nach Art der üblichen Schwerpunktmethode zur De­ fuzzifizierung den gemeinsamen Schwerpunkt jener Flächen, wel­ che sich unterhalb aller Zugehörigkeitsfunktionen befinden und die bei auf 1 normierten Abständen der Ermittlung der Stell­ größe dienen, so befindet sich dieser Schwerpunkt zwischen den Werten 0,5 und 1.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem ein linearer Fuzzy-Re­ gelsatz mit 5 linguistischen Variablen der Form: IF /S_N/ is Very Low THEN /u_N/ ist Very Low IF /S_N/ is Low THEN /u_N/ ist Low IF /S_N/ is Medium THEN /u_N/ ist Medium IF /S_N/ is High THEN /u_N/ is High IF /S_N/ is Very High THEN /u_N/ is Very High gebildet wird mit:/S_N/ = /e_N + e_N/ und /u_N/ = /Δα_N/, wobeider Index N normierte Größen kennzeichnet,
e die zeitliche Ableitung von e darstellt, und wobei
U Stellgröße,
Δα Zündwinkeländerung,
S Abstand von der Schaltgeraden,
e Druckfehler P_soll - P_ist,
P_soll Soll-Saugdruck,
P_ist Ist-Saugdruck
bezeichnet.