專(zhuān)利名稱(chēng)：直線壓縮機(jī)控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于自由活塞式直線壓縮機(jī)，具體地說(shuō)但是并非只限于，制冷機(jī)壓縮機(jī)的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)允許工作于活塞行程達(dá)到最大并且有意發(fā)生碰撞的高功率工作模式。
背景技術(shù)：
直線壓縮機(jī)以自由活塞為基礎(chǔ)進(jìn)行工作并且需要密切控制行程幅值，因?yàn)榕c使用曲柄軸的傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)不同，其行程幅值不固定。對(duì)流體被壓縮的狀態(tài)應(yīng)用過(guò)量電機(jī)功率可能導(dǎo)致活塞與其往復(fù)運(yùn)動(dòng)于其中的氣缸的氣缸蓋碰撞。
美國(guó)專(zhuān)利US6809434公開(kāi)了一種用于自由活塞式壓縮機(jī)的控制系統(tǒng)，其將電機(jī)功率限定為進(jìn)入壓縮機(jī)的制冷劑的某一特性的函數(shù)。然而，在直線壓縮機(jī)中，如果能夠檢測(cè)實(shí)際活塞碰撞然后作為響應(yīng)而減小電機(jī)功率將很有用。這種策略可以純粹用于防止當(dāng)過(guò)量電機(jī)功率因?yàn)槟承┰蚨霈F(xiàn)時(shí)壓縮機(jī)損壞，或者可以用作通過(guò)逐漸增大功率直到碰撞發(fā)生然后在再次逐漸增大功率之前縮減功率確保高體積效率的方法。該工作模式下固有的周期性輕微活塞碰撞導(dǎo)致可忽略的損壞并且容易得到允許。
美國(guó)專(zhuān)利US6536326公開(kāi)了一種使用振動(dòng)檢測(cè)器，如傳聲器檢測(cè)直線壓縮機(jī)中的活塞碰撞的系統(tǒng)。
美國(guó)專(zhuān)利US6812597公開(kāi)了一種基于直線電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)活塞碰撞并且因此不需要任何傳感器及其相關(guān)成本的方法和系統(tǒng)。這使用了已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在活塞碰撞時(shí)會(huì)出現(xiàn)的周期突變。通過(guò)測(cè)量在電機(jī)定子繞組中感應(yīng)的反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)之間的時(shí)間可以獲得往復(fù)運(yùn)動(dòng)周期和/或半周期。反電動(dòng)勢(shì)是電機(jī)電樞速度的函數(shù)并且因此是活塞速度的函數(shù)，過(guò)零點(diǎn)表示活塞在其往復(fù)運(yùn)動(dòng)循環(huán)中改變方向時(shí)的時(shí)刻。
當(dāng)期望以最大功率和高體積效率運(yùn)行壓縮機(jī)時(shí)，因?yàn)樵谠摴ぷ髂Ｊ街信鲎矊⒁?guī)則地并且預(yù)期地發(fā)生并且伴隨功率增大的連續(xù)碰撞將導(dǎo)致?lián)p壞，因此確保碰撞檢測(cè)系統(tǒng)不漏過(guò)碰撞的開(kāi)始就非常重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于自由活塞式直線壓縮機(jī)的控制系統(tǒng)，其在消除活塞碰撞損壞的同時(shí)允許高功率工作。
因此，本發(fā)明的第一個(gè)方面包括一種控制自由活塞式直線壓縮機(jī)的方法，包括下面步驟(a)逐漸增大壓縮機(jī)的輸入功率；(b)通過(guò)施加周期性瞬時(shí)功率增大值而擾動(dòng)步驟(a)的功率函數(shù)；(c)監(jiān)視活塞碰撞；(d)當(dāng)檢測(cè)到活塞碰撞時(shí)立刻縮減所述輸入功率；和(e)連續(xù)重復(fù)步驟(a)至(d)。
本發(fā)明的另一個(gè)方面包括一種控制直線壓縮機(jī)的方法，所述壓縮機(jī)包括在氣缸中往復(fù)運(yùn)動(dòng)并且由電動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的自由活塞，其中所述電機(jī)具有帶有一個(gè)或多個(gè)激勵(lì)繞組的定子和與所述活塞相連的電樞，該方法包括下面步驟
(a)為所述定子繞組供應(yīng)交變電流以使所述電樞和活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，(b)獲得所述活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)周期的指示性測(cè)量值，(c)檢測(cè)所述指示性測(cè)量值的任何突然減小，所述突然減小表示活塞與氣缸蓋發(fā)生碰撞，(d)經(jīng)過(guò)很多個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)周期逐漸增大所述定子繞組的功率輸入，(e)通過(guò)周期性瞬時(shí)功率增大值來(lái)擾動(dòng)逐漸增大的定子功率，(f)在檢測(cè)到活塞周期中的任何突然減小時(shí)減小所述定子繞組的功率輸入，和(g)循環(huán)地重復(fù)步驟(d)至(f)。
本發(fā)明的另一個(gè)方面包括一種控制直線壓縮機(jī)的方法，所述壓縮機(jī)包括在氣缸中往復(fù)運(yùn)動(dòng)并且由電動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的自由活塞，其中所述電機(jī)具有帶有一個(gè)或多個(gè)激勵(lì)繞組的定子和與所述活塞相連的電樞，該方法包括下面步驟(a)為所述定子繞組供應(yīng)交變電流以使所述電樞和活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，(b)監(jiān)視電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)(back EMF)，(c)檢測(cè)所述電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)(zero-crossings)，(d)監(jiān)視所述過(guò)零點(diǎn)附近反電動(dòng)勢(shì)波形的斜率，(e)檢測(cè)所述波形斜率中的不連續(xù)點(diǎn)，所述不連續(xù)點(diǎn)表示活塞與氣缸蓋發(fā)生碰撞，
(f)經(jīng)過(guò)很多個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)周期逐漸增大所述定子繞組的功率輸入，(g)通過(guò)周期性瞬時(shí)功率增大值來(lái)擾動(dòng)逐漸增大的定子功率，(h)在檢測(cè)到任一反電動(dòng)勢(shì)斜率不連續(xù)點(diǎn)時(shí)減小所述定子繞組的功率輸入，和(i)循環(huán)地重復(fù)步驟(d)至(f)。
本發(fā)明的另一個(gè)方面包括一種自由活塞式氣體壓縮機(jī)，其包括氣缸，活塞，所述活塞可以在所述氣缸內(nèi)部往復(fù)運(yùn)動(dòng)，與所述活塞相連并且具有至少一個(gè)激勵(lì)繞組的往復(fù)式直線電動(dòng)電機(jī)，用于獲得所述活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)周期的指示性測(cè)量值的裝置，用于設(shè)定所述電機(jī)的功率輸入的裝置，用于控制所述功率設(shè)定裝置以逐漸增大所述電機(jī)的功率輸入的裝置，用于以瞬時(shí)功率增大值擾動(dòng)所述逐漸增大的功率輸入的裝置，用于檢測(cè)所述往復(fù)運(yùn)動(dòng)周期中的任何突然減小的裝置，所述減小表示活塞與氣缸蓋因?yàn)樗鰯_動(dòng)信號(hào)而發(fā)生碰撞，和用于對(duì)檢測(cè)到往復(fù)運(yùn)動(dòng)周期中的任何突然減小作出響應(yīng)而減小所述激勵(lì)繞組的功率輸入的裝置。
本發(fā)明的另一個(gè)方面包括一種自由活塞式氣體壓縮機(jī)，其包括氣缸，活塞，所述活塞可以在所述氣缸內(nèi)部往復(fù)運(yùn)動(dòng)，與所述活塞相連并且具有至少一個(gè)激勵(lì)繞組的往復(fù)式直線電動(dòng)電機(jī)，用于監(jiān)視電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的裝置，用于檢測(cè)所述電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)的裝置，用于監(jiān)視所述過(guò)零點(diǎn)附近反電動(dòng)勢(shì)波形的斜率的裝置，用于檢測(cè)所述波形斜率中的不連續(xù)點(diǎn)的裝置，所述不連續(xù)點(diǎn)表示活塞與氣缸蓋發(fā)生碰撞，用于設(shè)定所述電機(jī)的功率輸入的裝置，用于控制所述功率設(shè)定裝置以逐漸增大所述電機(jī)的功率輸入的裝置，用于以瞬時(shí)功率增大值擾動(dòng)所述逐漸增大的功率輸入的裝置，用于檢測(cè)所述不連續(xù)點(diǎn)的裝置，所述不連續(xù)點(diǎn)表示活塞與氣缸蓋因?yàn)樗鰯_動(dòng)信號(hào)而發(fā)生碰撞，和用于對(duì)檢測(cè)到任何反電動(dòng)勢(shì)斜率不連續(xù)點(diǎn)作出響應(yīng)而減小所述激勵(lì)繞組的功率輸入的裝置。
對(duì)于本發(fā)明所涉及領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，他們可以提出本發(fā)明的很多結(jié)構(gòu)變化和差別很大的實(shí)施例和應(yīng)用，而不脫離所附權(quán)利要求書(shū)中所定義的本發(fā)明的范圍。這里所公開(kāi)的內(nèi)容和說(shuō)明僅僅是示例性的而絕非在某種意義上進(jìn)行限制。


現(xiàn)在參考

本發(fā)明的一種首選形式，其中；圖1是根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行控制的直線壓縮機(jī)的縱軸截面圖，圖2以方塊圖形式顯示了制冷機(jī)控制系統(tǒng)，圖3顯示了使用電子換向裝置的基本直線壓縮機(jī)控制系統(tǒng)，其具有根據(jù)壓縮機(jī)電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)設(shè)定時(shí)間的開(kāi)關(guān)算法，圖4顯示了帶有活塞碰撞避免措施的圖3所示控制系統(tǒng)，圖5顯示了為了壓縮機(jī)的高功率工作而帶有碰撞控制的圖3所示控制系統(tǒng)，圖6顯示了根據(jù)本發(fā)明包括壓縮機(jī)輸入功率擾動(dòng)的圖5所示控制系統(tǒng)，圖7顯示了用于為壓縮機(jī)繞組變換電流方向的電路，和圖8顯示了表示壓縮機(jī)功率輸入的曲線圖，顯示了擾動(dòng)斜坡函數(shù)高功率模式(和相應(yīng)的活塞碰撞)以及相應(yīng)的活塞膨脹和壓縮半周期，和圖9顯示了包括圖3至圖6中的全部控制特征的直線壓縮機(jī)控制系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明涉及控制由直線電動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的自由活塞式往復(fù)式壓縮機(jī)。典型但非唯一的應(yīng)用是用于制冷機(jī)中。
僅僅作為示例并且提供背景，圖1中顯示了可以按照本發(fā)明的方法進(jìn)行控制的自由活塞式直線壓縮機(jī)。
用于蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)的壓縮機(jī)包括支承在外殼2內(nèi)部的直線壓縮機(jī)1。通常，外殼2被密閉密封并且包括進(jìn)氣口3和壓縮氣體出口4。未壓縮的氣體流入環(huán)繞壓縮機(jī)1的外殼內(nèi)部。這些未壓縮的氣體在吸入沖程中被吸入壓縮機(jī)，并且在壓縮沖程中在活塞頂14與閥板5之間被壓縮并且通過(guò)排氣閥6被排入壓縮氣體歧管7。壓縮氣體離開(kāi)歧管7并且通過(guò)柔性管8到達(dá)外殼中的出口4。為了減小排氣管8的剛度效應(yīng)，優(yōu)選的是，該管設(shè)置為橫向于壓縮機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)軸線的環(huán)形或螺旋形。壓縮空間的氣體吸入可以通過(guò)氣缸蓋、吸入歧管13和吸入閥29。
一般地說(shuō)，圖中所示直線壓縮機(jī)1具有通過(guò)主彈簧相連的氣缸部分和活塞部分。氣缸部分包括氣缸外殼10、氣缸蓋11、閥板5和氣缸12。遠(yuǎn)離氣缸蓋11的氣缸部分的端部18相對(duì)于氣缸部分安裝有主彈簧。主彈簧可以形成為如圖1所示的卷簧19和板簧20的組合?；钊糠职◣в袀?cè)壁24和活塞頂14的中空活塞22。
壓縮機(jī)電動(dòng)電機(jī)與壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)整體形成。氣缸部分包括電機(jī)定子15。共同作用的直線電機(jī)電樞17通過(guò)桿26和支承體30與活塞相連。直線電機(jī)電樞17包括永磁材料(例如，鐵氧體或釹)構(gòu)成的本體，所述本體被磁化為提供一個(gè)或多個(gè)其朝向橫向于氣缸套內(nèi)部活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)軸線的磁極。遠(yuǎn)離活塞22的電樞支承30的端部32與主彈簧相連。
直線壓縮機(jī)1在多個(gè)懸掛彈簧上安裝在外殼2內(nèi)部以將其與外殼隔離。在使用中，直線壓縮機(jī)氣缸部分將會(huì)振動(dòng)，但是因?yàn)榕c氣缸部分相比活塞部分非常輕，因此與活塞部分與氣缸部分之間的相對(duì)往復(fù)運(yùn)動(dòng)相比氣缸部分的振動(dòng)很小。
假如振動(dòng)頻率接近機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率，定子繞組33中的交變電流(不一定為正弦)在電樞磁體17上產(chǎn)生振動(dòng)力以賦予電樞和定子充分的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。該固有頻率由彈簧19的剛度和氣缸10與定子15的質(zhì)量決定。
但是，除了彈簧19之外，還存在固有的氣體彈簧，在制冷壓縮機(jī)的情況下所述氣體彈簧的有效彈簧常數(shù)隨著蒸發(fā)器或冷凝器壓力(和溫度)的變化而變化。在美國(guó)專(zhuān)利US6809434中已經(jīng)說(shuō)明了考慮到這一點(diǎn)而設(shè)定定子繞組電流并因此設(shè)定活塞力的控制系統(tǒng)，其內(nèi)容在此被引作參考。美國(guó)專(zhuān)利US6809434還說(shuō)明了一種用于基于頻率和蒸發(fā)器溫度限制最大電機(jī)功率以使活塞/氣缸蓋碰撞達(dá)到最少的系統(tǒng)。
優(yōu)選但是并非必須的是，本發(fā)明的控制系統(tǒng)與美國(guó)專(zhuān)利US6809434中所公開(kāi)的控制系統(tǒng)協(xié)同工作。
為了給本發(fā)明中的直線壓縮機(jī)控制系統(tǒng)提供背景，在圖2中顯示一種基本的制冷機(jī)控制系統(tǒng)。包括蒸發(fā)器102和壓縮機(jī)103的制冷機(jī)101由使用中通過(guò)產(chǎn)生信號(hào)104的控制器設(shè)定為工作于期望的柜內(nèi)溫度。這導(dǎo)致壓縮機(jī)103工作直到溫度傳感器105所監(jiān)視的制冷機(jī)柜內(nèi)溫度表示已經(jīng)達(dá)到期望的溫度設(shè)定并且驅(qū)動(dòng)控制放大器107的誤差信號(hào)106降到給定閾值之下。在該時(shí)刻，壓縮機(jī)103被切斷。當(dāng)柜內(nèi)溫度超過(guò)預(yù)定閾值時(shí)，誤差信號(hào)106的量值超過(guò)預(yù)定值并且壓縮機(jī)再次被開(kāi)啟。這是用于制冷機(jī)中的傳統(tǒng)非線性反饋系統(tǒng)。
本發(fā)明的控制系統(tǒng)屬于參考圖2所述的傳統(tǒng)環(huán)路系統(tǒng)。它接受放大器107的輸出信號(hào)作為輸入并且控制壓縮機(jī)103，在本發(fā)明中壓縮機(jī)103將是自由活塞式直線壓縮機(jī)。
本發(fā)明的控制系統(tǒng)與圖3中的基本電機(jī)控制系統(tǒng)協(xié)同工作并且，盡管并非必須但是優(yōu)選的是與圖4所示系統(tǒng)協(xié)同工作。參考圖3，直線壓縮機(jī)103A可以是已經(jīng)參考圖1所述的類(lèi)型，其具有定子繞組，所述定子繞組由電源開(kāi)關(guān)電路107所供應(yīng)的交變電壓供電，其中電源開(kāi)關(guān)電路107可以為圖7所示橋式電路的形式，所述電路使用切換裝置411和412以使通過(guò)壓縮機(jī)定子繞組33的極性相反的電流換向。定子繞組的另一端與同樣跨接在直流電源上的兩個(gè)串聯(lián)電容器的連接點(diǎn)相連?？梢杂檬褂盟膫€(gè)切換裝置的全橋代替圖7中所示的“半”橋。優(yōu)選的是，控制系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為控制電源開(kāi)關(guān)電路107工作的編程微處理器。電源開(kāi)關(guān)電路107于是由控制系統(tǒng)微處理器執(zhí)行的開(kāi)關(guān)算法(switching algorithm)108進(jìn)行控制。微處理器被編程為執(zhí)行各種功能或者使用后面將要說(shuō)明的表，出于解釋的目的，所述微處理器被表示為圖3至圖5所示方塊圖中的方塊。
壓縮機(jī)活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)及其頻率或周期由運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器109檢測(cè)，在首選實(shí)施例中，所述運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器109包括監(jiān)視往復(fù)式壓縮機(jī)電樞在壓縮機(jī)定子繞組中感應(yīng)的反電動(dòng)勢(shì)并且檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)的過(guò)程。提供控制電源開(kāi)關(guān)電路107的微處理器輸出信號(hào)的開(kāi)關(guān)算法108具有根據(jù)反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)信號(hào)110中的邏輯躍遷產(chǎn)生的切換(開(kāi)關(guān))時(shí)間。這確保往復(fù)式壓縮機(jī)達(dá)到最大電源效率。壓縮機(jī)輸入功率可以通過(guò)控制電源開(kāi)關(guān)電路107施加于定子繞組上的電流量或電流持續(xù)時(shí)間來(lái)控制。還可以使用電源開(kāi)關(guān)的脈寬調(diào)制。
圖4顯示了通過(guò)美國(guó)專(zhuān)利US6809434中所公開(kāi)的控制技術(shù)改進(jìn)的圖3所示基本壓縮機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)基于活塞頻率和蒸發(fā)器溫度設(shè)定最大功率使正常工作中的活塞/氣缸碰撞減到最少。來(lái)自蒸發(fā)器溫度傳感器的輸出111被應(yīng)用于一路微處理器輸入并且活塞頻率由頻率程序112測(cè)定，所述頻率程序記錄反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)110中過(guò)零點(diǎn)之間的時(shí)間。測(cè)定的頻率和測(cè)量的蒸發(fā)器溫度被用于從最大功率查詢表113中選擇最大功率，所述查詢表為比較器程序114設(shè)定最大許用功率Pt。比較器程序114從制冷機(jī)總控制器接受表示所需功率(Pr)的需求量作為第二個(gè)輸入值106。比較器程序114被開(kāi)關(guān)算法108用于控制切換電流量或持續(xù)時(shí)間。比較器程序114提供輸出值115，所述輸出值115為制冷機(jī)所需功率Pr和最大功率表113所許用功率Pt中的最小值。
只使用參考圖4所述的控制思想將導(dǎo)致直線壓縮機(jī)103A(當(dāng)運(yùn)行時(shí))工作于在正常工作中沒(méi)有活塞碰撞或者使活塞碰撞減到最少的狀態(tài)。然而，如美國(guó)專(zhuān)利US6812597中所公開(kāi)的那樣，直線壓縮機(jī)103A可以運(yùn)行于“最大功率模式”，其中可以比采用圖4所示控制系統(tǒng)獲得更高的功率，但是不可避免會(huì)存在一些活塞碰撞。本發(fā)明的控制系統(tǒng)有助于該模式，現(xiàn)在將進(jìn)行說(shuō)明。
參考圖5，其中使用了為比較器程序114提供另一路輸入的功率算法116。功率算法116通過(guò)為比較器程序114提供連續(xù)增大的值而緩慢遞增壓縮機(jī)輸入功率，這導(dǎo)致開(kāi)關(guān)算法108提高電源開(kāi)關(guān)電路107的電流量或者，優(yōu)選的是導(dǎo)通時(shí)間。每隔n個(gè)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)循環(huán)將功率增大至Pa+R，其中Pa是碰撞分析器(參見(jiàn)下面)所允許的許用功率并且R是定義遞增速率的功率增量。實(shí)際上，通常n＝1。該遞增連續(xù)進(jìn)行直到檢測(cè)到活塞碰撞。優(yōu)選的是，碰撞檢測(cè)過(guò)程117通過(guò)分析壓縮機(jī)繞組中感應(yīng)的反電動(dòng)勢(shì)來(lái)判定，并且所采用的技術(shù)可以是美國(guó)專(zhuān)利US6812597或US10/880389中所公開(kāi)的技術(shù)，其中美國(guó)專(zhuān)利US6812597尋找活塞周期中的突然減小(如下面所述，圖8(a)和圖8(b)顯示了活塞半周期與時(shí)間的曲線圖)，而美國(guó)專(zhuān)利US10/880389尋找反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)類(lèi)似物的斜率上的不連續(xù)點(diǎn)。
在檢測(cè)到碰撞之后，功率算法116將減量輸入比較器程序114以實(shí)現(xiàn)功率減小。功率算法116然后再次緩慢遞增壓縮機(jī)輸入功率直到檢測(cè)到另一個(gè)碰撞并且重復(fù)該過(guò)程。
為了使檢測(cè)到增大峰值活塞位移所產(chǎn)生的第一次碰撞(由于在增大功率下的繼續(xù)碰撞可能導(dǎo)致?lián)p壞)的可能性達(dá)到最大，每隔m個(gè)循環(huán)由擾動(dòng)算法119(參見(jiàn)圖6)在很短的時(shí)間上以功率增大值(Rb)對(duì)功率算法116提供的有效功率斜坡信號(hào)進(jìn)行周期性擾動(dòng)。m的典型值可能為100。在一個(gè)實(shí)施例中，這是通過(guò)每隔1秒將電源開(kāi)關(guān)電路107的導(dǎo)通時(shí)間增大100μs來(lái)實(shí)現(xiàn)的(參見(jiàn)圖8(c))。決定于所采用的碰撞檢測(cè)系統(tǒng)，可以使用更小的導(dǎo)通時(shí)間增大量，例如50μs。這相當(dāng)于圖8(c)中所示斜坡信號(hào)的脈沖函數(shù)擾動(dòng)Rb的周期性應(yīng)用，盡管應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，該圖是電源開(kāi)關(guān)電路107的導(dǎo)通時(shí)間曲線圖，而非其功率曲線圖。如果壓縮機(jī)功率幾乎產(chǎn)生導(dǎo)致活塞與氣缸閥蓋發(fā)生碰撞的峰值活塞位移，每隔m個(gè)循環(huán)，功率在一個(gè)周期內(nèi)，也就是在一個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)內(nèi)，增大至Pa+Rp以至引起碰撞。該低能碰撞被檢測(cè)到并且壓縮機(jī)輸入功率立刻降低S*Rp，其中s通?？赡転?0，因此使得確定的減量為擾動(dòng)脈沖功率的20倍。斜坡函數(shù)繼續(xù)再次逐漸增大壓縮機(jī)功率。
當(dāng)在確定可以避免增大功率下的繼續(xù)碰撞的情況下需要低能非損壞性活塞碰撞時(shí)，使用所述的擾動(dòng)技術(shù)，直線壓縮機(jī)可以工作于最大功率和體積效率。
期望但是并非必須的是，所述的高功率控制方法與其中采用參考圖4所述的碰撞避免方法進(jìn)行正常工作的控制方法相結(jié)合。使用這兩種技術(shù)的控制系統(tǒng)示于圖9中。這里，比較器程序114接受三個(gè)輸入Pr、Pt和Pa。在圖9所示系統(tǒng)中，來(lái)自功率算法116的輸入Pa可以通過(guò)兩個(gè)碰撞檢測(cè)過(guò)程117和118之一或兩者縮減。如前所述，過(guò)程117尋找周期變化并且過(guò)程118尋找反電動(dòng)勢(shì)斜率變化。
采用這種全面的控制系統(tǒng)，壓縮機(jī)的工作可以概括為下面所示表I和表II。

定義

表I-以避免碰撞為目標(biāo)的壓縮機(jī)正常運(yùn)行的邏輯

定義

表II-存在固有低能碰撞的高功率運(yùn)行的邏輯優(yōu)選的是，碰撞檢測(cè)算法是由美國(guó)專(zhuān)利US6812597中所述發(fā)現(xiàn)活塞周期的突然減小而衍生的算法?，F(xiàn)在將說(shuō)明由該方法所衍生的改進(jìn)技術(shù)。
振動(dòng)活塞22的周期由分別位于下止點(diǎn)與上止點(diǎn)之間的兩個(gè)半周期構(gòu)成，但是沒(méi)有一個(gè)連續(xù)或者甚至交替的半周期是對(duì)稱(chēng)的。活塞背離氣缸蓋(閥板5)運(yùn)動(dòng)的半周期膨脹沖程比活塞朝向氣缸蓋運(yùn)動(dòng)的半周期壓縮沖程更長(zhǎng)。此外，因?yàn)橹本€壓縮機(jī)經(jīng)常在連續(xù)的循環(huán)中以不同的周期運(yùn)行(如果排氣閥開(kāi)始泄漏這將更明顯)，因此將時(shí)間段分成奇數(shù)循環(huán)和偶數(shù)循環(huán)將很有用。于是，在活塞碰撞檢測(cè)的首選方法中，存儲(chǔ)和監(jiān)視四個(gè)時(shí)間段偶數(shù)循環(huán)的壓縮和膨脹以及奇數(shù)循環(huán)的壓縮和膨脹。優(yōu)選的是，在該方法中假定兩個(gè)較短的半周期(壓縮沖程)中任一個(gè)的突變表示活塞碰撞。在圖8(b)中顯示了典型的偶數(shù)短周期，而圖8(a)顯示了典型的偶數(shù)膨脹沖程半周期。
用于首選碰撞檢測(cè)算法117中的過(guò)程是存儲(chǔ)上述四個(gè)半周期的來(lái)自檢測(cè)器109的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)時(shí)間間隔作為指數(shù)加權(quán)平均(ewma)，為奇數(shù)和偶數(shù)循環(huán)的第一和第二半周期中的每個(gè)半周期提供平滑或?yàn)V波值。優(yōu)選的是，采用加權(quán)使用無(wú)限脈沖響應(yīng)(IIR)，使得輸出的半周期時(shí)間最新估計(jì)為最后值的1/8加先前估計(jì)值的7/8。將這些估計(jì)值與檢測(cè)到的最近相應(yīng)半周期的周期連續(xù)比較，并且監(jiān)視這些比較結(jié)果用以監(jiān)視突然減小。如果差值超過(guò)一定量“A”，算法117就指示碰撞。臨界差值“A”的值可能為20微秒?？梢允褂闷渌撝?，特別是當(dāng)擾動(dòng)脈沖能量不同于100μs導(dǎo)通時(shí)間所產(chǎn)生的能量時(shí)。
當(dāng)檢測(cè)到碰撞時(shí)，減小電源開(kāi)關(guān)電路107的導(dǎo)通時(shí)間(例如，參見(jiàn)圖8(c)中所示躍遷D)以停止進(jìn)一步碰撞。在一個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)通周期被減小51.2μs以產(chǎn)生先前提到的s*Rp減量。一旦碰撞停止，就允許電源開(kāi)關(guān)電路107的導(dǎo)通時(shí)間經(jīng)過(guò)一段時(shí)間緩慢增大至其先前值(參見(jiàn)圖8(c)中斜坡函數(shù)R)。用于獲得適當(dāng)工作的時(shí)間段的數(shù)值為大約1小時(shí)。當(dāng)然，可以通過(guò)控制電流量或者通過(guò)脈寬調(diào)制實(shí)現(xiàn)功率控制以實(shí)現(xiàn)與上述相同的效果。
這是表II中的高功率模式。作為選擇，導(dǎo)通時(shí)間將保持減小直到系統(tǒng)變量顯著變化。在美國(guó)專(zhuān)利US6809434中的系統(tǒng)被用作主電流控制算法的一個(gè)實(shí)施例中，可以通過(guò)預(yù)定最大電流中的變化監(jiān)視這種系統(tǒng)變化。在這種情況下，它將響應(yīng)于頻率或蒸發(fā)器溫度的變化。在首選實(shí)施例中，該算法與提供監(jiān)視作用的碰撞檢測(cè)算法的組合提供了超過(guò)現(xiàn)有技術(shù)的改進(jìn)的體積效率。
權(quán)利要求
1.一種控制自由活塞式直線壓縮機(jī)的方法，其特征在于(a)逐漸增大壓縮機(jī)的輸入功率；(b)通過(guò)施加周期性瞬時(shí)功率增大值(Rb)而擾動(dòng)步驟(a)的功率函數(shù)；(c)監(jiān)視活塞碰撞；(d)當(dāng)檢測(cè)到活塞碰撞時(shí)立刻縮減所述輸入功率；和(e)連續(xù)重復(fù)步驟(a)至(d)。
2.一種控制直線壓縮機(jī)(1)的方法，所述壓縮機(jī)包括在氣缸(12)中往復(fù)運(yùn)動(dòng)并且由電動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的自由活塞(22)，其中所述電機(jī)具有帶有一個(gè)或多個(gè)激勵(lì)繞組(33)的定子(15)和與所述活塞相連的電樞(17)，所述方法包括下面步驟(a)為所述定子繞組供應(yīng)交變電流以使所述電樞和活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，(b)獲得所述活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)周期的指示性測(cè)量值，(c)檢測(cè)所述指示性測(cè)量值的任何突然減小，所述突然減小表示活塞與氣缸蓋發(fā)生碰撞，(d)經(jīng)過(guò)很多個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)周期逐漸增大所述定子繞組的功率輸入，其特征在于(e)通過(guò)周期性瞬時(shí)功率增大值(Rb)來(lái)擾動(dòng)逐漸增大的定子功率，(f)在檢測(cè)到活塞周期中的任何突然減小時(shí)減小所述定子繞組的功率輸入，和(g)循環(huán)地重復(fù)步驟(d)至(f)。
3.一種控制直線壓縮機(jī)(1)的方法，所述壓縮機(jī)包括在氣缸(12)中往復(fù)運(yùn)動(dòng)并且由電動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的自由活塞(22)，其中所述電機(jī)具有帶有一個(gè)或多個(gè)激勵(lì)繞組(33)的定子(15)和與所述活塞相連的電樞(17)，所述方法包括下面步驟(a)為所述定子繞組供應(yīng)交變電流以使所述電樞和活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，(b)監(jiān)視電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)，(c)檢測(cè)所述電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)，(d)監(jiān)視所述過(guò)零點(diǎn)附近反電動(dòng)勢(shì)波形的斜率，(e)檢測(cè)所述波形斜率中的不連續(xù)點(diǎn)，所述不連續(xù)點(diǎn)表示活塞與氣缸蓋發(fā)生碰撞，(f)經(jīng)過(guò)很多個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)周期逐漸增大所述定子繞組的功率輸入，其特征在于(g)通過(guò)周期性瞬時(shí)功率增大值(Rb)來(lái)擾動(dòng)逐漸增大的定子功率，(h)在檢測(cè)到任一反電動(dòng)勢(shì)斜率不連續(xù)點(diǎn)時(shí)減小所述定子繞組的功率輸入，和(i)循環(huán)地重復(fù)步驟(d)至(f)。
4.一種自由活塞式氣體壓縮機(jī)，包括氣缸(12)，活塞(22)，所述活塞(22)可以在所述氣缸(12)內(nèi)部往復(fù)運(yùn)動(dòng)，往復(fù)式直線電動(dòng)電機(jī)，其與所述活塞相連并且具有至少一個(gè)激勵(lì)繞組(33)，用于獲得所述活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)周期的指示性測(cè)量值的裝置(109)，用于設(shè)定所述電機(jī)的功率輸入的裝置(107)，用于控制所述功率設(shè)定裝置以逐漸增大所述電機(jī)的功率輸入的裝置(116)，其特征在于還包括用于以瞬時(shí)功率增大值擾動(dòng)所述逐漸增大的功率輸入的裝置(119)，用于檢測(cè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)周期中所述指示性測(cè)量值的任何突然減小的裝置(117)，所述減小表示活塞與氣缸蓋因?yàn)樗鰯_動(dòng)信號(hào)而發(fā)生碰撞，和用于對(duì)檢測(cè)到往復(fù)運(yùn)動(dòng)周期中的任何突然減小作出響應(yīng)而減小所述激勵(lì)繞組的功率輸入的裝置(116)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的自由活塞式氣體壓縮機(jī)，其中所述電機(jī)是電子換向式永磁直流電機(jī)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4和5中任一所述的自由活塞式氣體壓縮機(jī)，其中所述用于獲得往復(fù)運(yùn)動(dòng)周期的指示性測(cè)量值的裝置包括反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)裝置(98)、過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)裝置和計(jì)時(shí)裝置(112)，其中所述反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)裝置用于在激勵(lì)電流沒(méi)有流動(dòng)時(shí)對(duì)所述至少一個(gè)激勵(lì)繞組(33)中感應(yīng)的反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行采樣，所述過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)裝置與所述反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)裝置的輸出相連，所述計(jì)時(shí)裝置測(cè)定過(guò)零點(diǎn)之間的時(shí)間間隔以由此測(cè)定所述活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的每個(gè)半周期的時(shí)間。
7.根據(jù)權(quán)利要求4至6中任一所述的自由活塞式氣體壓縮機(jī)，其中所述用于檢測(cè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)周期中的任何突然減小的裝置包括平均裝置、比較裝置和判斷裝置，其中所述平均裝置提供交替往復(fù)運(yùn)動(dòng)半周期的時(shí)間的平均值，所述比較裝置比較最近測(cè)量的往復(fù)運(yùn)動(dòng)半周期與相應(yīng)半周期的時(shí)間的所述平均值以提供差值，所述判斷裝置對(duì)預(yù)定周期判斷所述差值是否超過(guò)預(yù)定閾值。
8.根據(jù)權(quán)利要求4至7中任一所述的自由活塞式氣體壓縮機(jī)，其中所述功率設(shè)定裝置是電源開(kāi)關(guān)裝置(107)并且所述控制裝置(116)通過(guò)控制所述往復(fù)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)所述電源開(kāi)關(guān)裝置的導(dǎo)通時(shí)間來(lái)確定電機(jī)的功率輸入。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的自由活塞式氣體壓縮機(jī)，其中所述擾動(dòng)裝置(119)導(dǎo)致所述控制裝置(116)按照與多個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)周期相等的周期間隔以預(yù)定的瞬時(shí)量增大所述電源開(kāi)關(guān)裝置的導(dǎo)通時(shí)間。
10.一種制冷機(jī)，其包括根據(jù)權(quán)利要求6至9中任一所述的自由活塞式氣體壓縮機(jī)和蒸發(fā)器(102)，其中所述壓縮機(jī)包括與所述計(jì)時(shí)裝置相連的往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率測(cè)定裝置(112)和檢測(cè)蒸發(fā)器溫度的溫度傳感器(97)，其中最大壓縮機(jī)輸入功率作為頻率和蒸發(fā)器溫度的函數(shù)確定。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的制冷機(jī)，其包括用于監(jiān)視過(guò)零點(diǎn)附近反電動(dòng)勢(shì)波形斜率的裝置(118)、用于檢測(cè)所述波形斜率中的不連續(xù)點(diǎn)的裝置和用于減小所述激勵(lì)繞組功率的裝置(116)，所述不連續(xù)點(diǎn)表示活塞與氣缸蓋發(fā)生碰撞，并且所述用于減小所述激勵(lì)繞組功率的裝置(116)還響應(yīng)于任何反電動(dòng)勢(shì)斜率不連續(xù)點(diǎn)的檢測(cè)。
12.一種自由活塞式氣體壓縮機(jī)，其包括氣缸(12)，活塞(22)，所述活塞(22)可以在所述氣缸(12)內(nèi)部往復(fù)運(yùn)動(dòng)，往復(fù)式直線電動(dòng)電機(jī)，其與所述活塞相連并且具有至少一個(gè)激勵(lì)繞組(33)，用于監(jiān)視電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的裝置(98)，用于檢測(cè)所述電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)的裝置(99)，用于監(jiān)視所述過(guò)零點(diǎn)附近反電動(dòng)勢(shì)波形的斜率的裝置(118)，用于檢測(cè)所述波形斜率中的不連續(xù)點(diǎn)的裝置(118)，所述不連續(xù)點(diǎn)表示活塞與氣缸蓋發(fā)生碰撞，用于設(shè)定所述電機(jī)的功率輸入的裝置(107)，用于控制所述功率設(shè)定裝置以逐漸增大所述電機(jī)的功率輸入的裝置(116)，其特征在于還包括用于以瞬時(shí)功率增大值擾動(dòng)所述逐漸增大的功率輸入的裝置(119)，用于檢測(cè)所述不連續(xù)點(diǎn)的裝置，所述不連續(xù)點(diǎn)表示活塞與氣缸蓋因?yàn)樗鰯_動(dòng)信號(hào)而發(fā)生碰撞，和用于對(duì)檢測(cè)到任何反電動(dòng)勢(shì)斜率不連續(xù)點(diǎn)作出響應(yīng)而減小所述激勵(lì)繞組的功率輸入的裝置(116)。
全文摘要
通過(guò)包括算法(116)的控制器將自由活塞式直線壓縮機(jī)(1)控制為獲得高體積效率，其中算法(116)遞增輸入功率直到使用檢測(cè)算法(117/118)檢測(cè)到活塞－氣缸蓋碰撞，然后縮減功率輸入，之后算法(116)再次遞增輸入功率。通過(guò)包括擾動(dòng)算法(119)的控制器實(shí)現(xiàn)非損壞性低能碰撞，其中擾動(dòng)算法(119)以周期性瞬時(shí)功率脈沖擾動(dòng)輸入功率斜坡，以確保在瞬時(shí)功率脈沖中引起活塞碰撞。
文檔編號(hào)H02K41/00GK1854519SQ20061007526
公開(kāi)日2006年11月1日 申請(qǐng)日期2006年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月19日
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