CN102042204A - 一种动磁式直线压缩机活塞位移控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动磁式直线压缩机活塞位移控制装置，具体地说是一种动磁式直线压缩机活塞位移的自传感检测及控制***。其主要包括电流检测单元、电压检测单元、活塞位移模拟计算单元、位移幅值检测单元、初始活塞平衡位置输入单元、活塞位移平衡位置偏移检测单元、活塞上死点位移计算单元、活塞上死点位移控制单元、命令值输入单元及功率驱动单元。其以活塞上死点位移为控制目标，通过检测直线电机线圈电压和电流，计算出活塞的行程及上死点位移。控制单元通过对活塞上死点位移值与命令值之间的变化及变化率进行处理，从而得出功率驱动单元的调节命令值，调节***能量，从而达到调节活塞上死点位移值的目的。

Description

一种动磁式直线压缩机活塞位移控制装置

技术领域

本发明涉及一种动磁式直线压缩机活塞位移控制装置，具体地说是一种动磁式直线压缩机活塞位移的自传感检测及控制***。

背景技术

直线压缩机是一种新型的高效往复活塞式压缩机，其没有传统活塞压缩机所具有的曲柄连杆机构，直接由直线电机驱动活塞做往复直线运动。由于没有曲柄连杆机构，其活塞行程和上死点位置不受限制，与所加给***的能量大小有关，因此，活塞位移是可变的。

直线压缩机的活塞行程与上死点位移决定着***的制冷量及性能系数，因为活塞行程与压缩机的排气量有关，而上死点位移决定了压缩机的余隙容积，从而影响容积效率，最终决定了***的性能系数。直线压缩机的活塞行程与上死点位移与所加给直线电机的能量有关，为了保证压缩机高效、高可靠性的运行，必须对压缩机的活塞位移进行有效的控制，而控制的前提条件是必须知道活塞的位移。早期的控制***中，安装了位移传感器进行活塞位移检测，但位移传感器的引入，不仅增加了***的成本，而且使得压缩机结构变得复杂，由于位移传感器的自身性能的差异，封装到冰箱压缩机壳体内后，容易受到电磁干扰，影响了整机的可靠性，一旦出现故障，则冰箱压缩机***无法正常工作。

自传感技术是一种利用直线电机本身作为位移传感器的技术，其不同于传统的位移传感器，具有结构简单、成本低、鲁棒性强及易于维修等优点。动磁式直线压缩机由动磁直线电机驱动活塞作往复直线运动，由于动磁式直线电机自身参数的稳定性，使其作为活塞位移传感器成为可能，其主要通过测量直线电机线圈两端的电压及电流，通过微分及积分运算得出活塞的位移。

对于直线压缩机的控制方法，主要有开环和闭环控制两种，但由于开环控制的不实时性和不高速性，常用闭环反馈控制***，调节电压、电流或其它驱动参数以达到控制目的。直线压缩机是一个典型的非线性、多场耦合的振动***，其活塞处于***状态，活塞的行程和上死点位移主要受压缩机的排气压力、驱动电压值、工作频率及环境温度等影响，因此对于活塞位移的精确控制而言，其需要大量精确的数学模型及实验数据，而且压缩机***的传递函数会随压缩机工况的改变而改变，其具有很大的不确定性。而模糊控制是一种不需要***模型，以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的非线性智能控制。

发明内容

本发明中的一种动磁式直线压缩机活塞位移控制装置克服了现有技术中控制***所存在的结构复杂、需要加装位移传感器、可靠性差、控制精度差成本高等不足，使得动磁式直线压缩机控制***结构更加简单、性能更加稳定、成本更低，对于动磁式直线压缩机的商业应用及产业化具有重要的意义。

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种动磁式直线压缩机活塞位移控制装置，具体地说是一种动磁式直线压缩机活塞位移的自传感检测及控制***。

一种动磁式直线压缩机活塞位移控制装置，包含电流检测单元1、电压检测单元2、活塞位移模拟计算单元3、位移幅值检测单元4、初始活塞平衡位置输入单元5、活塞位移平衡位置偏移检测单元6、活塞上死点位移计算单元7、活塞上死点位移控制单元8、命令值输入单元9及三端双向可控硅功率驱动单元10；

所述电流检测单元1与电压检测单元2分别与活塞位移模拟计算单元3单向连接；所述活塞位移模拟计算单元3通过位移幅值检测单元4和活塞上死点位移计算单元7单向连接；所述活塞上死点位移计算单元7和命令值输入单元9分别与活塞上死点位移控制单元8单向连接；所述活塞上死点位移控制单元8上连接有功率驱动单元10；所述三端双向可控硅功率驱动单元10设置在压缩机驱动电路中，与直线电机线圈、启动电容、采样电阻及电源单相连接，组成闭合回路。

所述活塞位移平衡位置偏移检测单元6上分别连接有蒸发温度检测单元11及冷凝温度检测单元12，其中蒸发温度检测单元11和冷凝温度检测单元12单向连接在活塞上死点位移控制单元8上。

所述的活塞位移模拟计算单元3，通过对电流检测单元1检测的电流和电压检测单元2检测的电压进行模拟计算得出活塞的位移波形，通过活塞位移幅值检测单元4计算活塞的行程值。

所述的活塞位移上死点计算单元7通过对命令值输入单元9输入的活塞行程值、活塞位移平衡位置偏移检测单元6检测的活塞平衡位置偏移量及初始活塞平衡位置输入单元5输入的活塞初始平衡位置计算可得出直线压缩机的上死点值。

所述的活塞上死点位移控制单元8通过对活塞上死点位移计算单元7得出的活塞上死点值与命令值输入单元9输入的活塞上死点值之间的变化及变化率进行处理，从而得出功率驱动单元10的调节命令值，通过功率驱动单元10调节***能量从调节活塞上死点位移，从而达到命令值输入单元9输入的活塞上死点值。

所述的活塞位移平衡位置偏移检测单元6通过对蒸发温度检测单元11检测的蒸发温度及冷凝温度检测单元12检测的冷凝温度进行计算，可得出活塞平衡位置偏移量。

所述的活塞上死点位移模糊控制单元8通过对蒸发温度检测单元11检测的蒸发温度值与命令值输入单元9输入的蒸发温度之间的变化及变化率进行模糊化处理，得出活塞位移上死点的控制目标值。

所述的活塞上死点位移模糊控制单元8通过对冷凝温度检测单元12检测的冷凝温度值与命令值输入单元9输入的冷凝温度之间的变化及变化率进行模糊化处理，得出活塞位移上死点的控制目标值。

本发明提出了一种动磁式直线压缩机活塞位移控制装置，具体地说是一种动磁式直线压缩机活塞位移的自传感检测及模糊控制***。其主要包括电流检测单元、电压检测单元、活塞位移模拟计算单元、位移幅值检测单元、初始活塞平衡位置输入单元、活塞位移平衡位置偏移检测单元、活塞上死点位移计算单元、活塞上死点位移控制单元、命令值输入单元及功率驱动单元。动磁式直线压缩机活塞位移控制装置以活塞上死点位移为控制目标，通过电流检测单元检测直线电机的线圈电流，通过电压检测单元检测直线电机线圈两端的电压，活塞位移计算单元通过对检测的电压和电流进行模拟计算得出活塞的位移波形，通过活塞位移幅值检测单元计算活塞的行程值，活塞位移上死点计算单元通过对命令值输入单元输入的活塞行程值、活塞位移平衡位置偏移检测单元检测的活塞平衡位置偏移量及初始活塞平衡位置输入单元输入的活塞初始平衡位置计算可得出直线压缩机的上死点值。活塞上死点位移控制单元通过对活塞上死点位移计算单元得出的活塞上死点值与命令值输入单元输入的活塞上死点值之间的变化及变化率进行处理，从而得出功率驱动单元的调节命令值，通过功率驱动单元调节***能量从调节活塞上死点位移，从而达到命令值输入单元输入的活塞上死点值。该动磁式直线压缩机活塞位移控制装置具有控制精度高、响应快、稳定性好、成本低等优点。

附图说明

图1为本发明的动磁式直线电机线圈等效电路图；

图2为本发明的直线压缩机活塞位移检测模拟电路图；

图3为本发明的动磁式直线压缩机活塞运动模型图；

图4为本发明的动磁式直线压缩机活塞位移控制装置图；

图5为本发明的具体实施例1的制冷空调***用动磁式直线压缩机活塞位移控制装置图；

具体实施方式

附图是本发明的具体实施方式；

下面结合附图对本发明内容作进一步详细的描述：

图1为动磁式直线压缩机电机线圈的等效电路图，在考虑铁损后，将电机线圈的直流电阻Rc与铁损Rl的影响合并为等效电阻Re，同样将电感Lc由等效电感Le来代替。速度感应电动势很难直接从电机线圈中测量，但可以由直线电机线圈两端的电压uc及电流ic得出为

${\mathrm{\ϵ}}_0\left(t\right)=\mathrm{\α}\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}=u_c\left(t\right)-R_e{i}_c\left(t\right)-L_e\frac{{\mathrm{di}}_c\left(t\right)}{\mathrm{dt}}$

则直线压缩机的活塞位移为

$x\left(t\right)=\frac{1}{\mathrm{\α}}\∫(u_c\left(t\right)-R_e{i}_c\left(t\right)-L_e\frac{{\mathrm{di}}_c\left(t\right)}{\mathrm{dt}})\mathrm{dt}$

因此，直线压缩机活塞位移的检测可通过检测线圈两端的电压及电流，对其进行运算后，进行幅值检测即可得出活塞的行程。但活塞位移检测中涉及直线电机的等效电阻、等效电感及推力系数(a)，实验研究表明，动磁式直线电机的等效电感、等效电阻及推力系数在直线电机动子的行程内是保持恒定的。

图2为活塞位移检测的模拟电路，其主要由放大电路、积分电路、微分电路及滤波电路组成，在忽略滤波电路(R₆和C₆)的情况下，由电路分析可知活塞位移检测模拟电路的输出为

$u_x=\∫(\frac{R_2}{R_1{R}_3{C}_5}{u}_c\left(t\right)-\frac{R_i}{R_4{C}_5}{i}_c\left(t\right)-\frac{R_i{C}_4}{C_5}\frac{{\mathrm{di}}_c\left(t\right)}{\mathrm{dt}})\mathrm{dt}$

而直线压缩机活塞位移的理论计算值可表示为

$\mathrm{\αx}\left(t\right)=\∫(u_c\left(t\right)-R_e{i}_c\left(t\right)-L_e\frac{{\mathrm{di}}_c\left(t\right)}{\mathrm{dt}})\mathrm{dt}$

因此，通过类比模拟电路的输出与理论值，可得出位移检测模拟电路的设计公式为

$R_3=\frac{R_2}{R_1{C}_5},$ $R_4=\frac{R_i}{R_e{C}_5},$ $C_4=\frac{L_e{C}_5}{R_i}$

图3为直线压缩机的活塞运动模型图，压缩机气缸缸盖为活塞位移的零点位置，活塞初始平衡位置为A₀，活塞平衡位置偏移量为x₀，活塞行程为S，则其活塞的上死点位移为

x_t＝A₀+x₀-S/2

活塞的初始平衡位置A₀与压缩机的设计和装配过程有关，其为定值。活塞平衡位移偏移量x₀与压缩机的排气压力和进气压力差有关，其会随着压差的增大远离气缸缸盖侧，其值可以通过实验测量得出。

图3为动磁式直线压缩机活塞位移控制装置图，其主要包括电流检测单元1、电压检测单元2、活塞位移模拟计算单元3、位移幅值检测单元4、初始活塞平衡位置输入单元5、活塞位移平衡位置偏移检测单元6、活塞上死点位移计算单元7、活塞上死点位移控制单元8、命令值输入单元9及功率驱动单元10。动磁式直线压缩机活塞位移控制装置以活塞上死点位移为控制目标，通过电流检测单元1检测直线电机的线圈电流，通过电压检测单元2检测直线电机线圈两端的电压，活塞位移计算单元3通过对检测的电压和电流进行模拟计算得出活塞的位移波形，通过活塞位移幅值检测单元4计算活塞的行程值，活塞位移上死点计算单元7通过对命令值输入单元9输入的活塞行程值、活塞位移平衡位置偏移检测单元6检测的活塞平衡位置偏移量及初始活塞平衡位置输入单元5输入的活塞初始平衡位置计算可得出直线压缩机的上死点值。活塞上死点位移控制单元8通过对活塞上死点位移计算单元7得出的活塞上死点值与命令值输入单元9输入的活塞上死点值之间的变化及变化率进行处理，从而得出功率驱动单元10的调节命令值，通过功率驱动单元10调节***能量从调节活塞上死点位移，从而达到命令值输入单元9输入的活塞上死点值。

活塞位移平衡位置偏移检测单元6可以通过检测压缩机的吸排气压力差，从而得出活塞位移平衡位置偏移量。

参见图5所示，一种制冷空调***用动磁式直线压缩机活塞位移控制装置主要包括了电流检测单元1、电压检测单元2、活塞位移模拟计算单元3、位移幅值检测单元4、初始活塞平衡位置输入单元5、活塞位移平衡位置偏移检测单元6、活塞上死点位移计算单元7、活塞上死点位移模糊控制单元8、命令值输入单元9、三端双向可控硅功率驱动单元10、蒸发温度检测单元11及冷凝温度检测单元12。制冷空调***用动磁式直线压缩机活塞位移控制装置以活塞上死点位移及蒸发温度为控制目标，通过电流检测单元1检测直线电机的线圈电流，通过电压检测单元2检测直线电机线圈两端的电压，活塞位移计算单元3通过对检测的电压和电流进行模拟计算得出活塞的位移波形，通过活塞位移幅值检测单元4计算活塞的行程值。活塞位移平衡位置偏移检测单元6通过对蒸发温度检测单元11检测的蒸发温度及冷凝温度检测单元12检测的冷凝温度进行计算，可得出活塞平衡位置偏移量，活塞位移上死点计算单元7通过对命令值输入单元9输入的活塞行程值、活塞位移平衡位置偏移检测单元6检测的活塞平衡位置偏移量及初始活塞平衡位置输入单元5输入的活塞初始平衡位置计算可得出直线压缩机的上死点值。

对于制冷***而言，活塞上死点位移模糊控制单元8通过对蒸发温度检测单元11检测的蒸发温度值与命令值输入单元9输入的蒸发温度之间的变化及变化率进行模糊化处理，首先得出活塞位移上死点的控制目标值，然后，活塞上死点位移模糊控制单元8通过对活塞上死点位移计算单元7得出的活塞上死点值与活塞位移上死点的控制目标值之间的变化及变化率进行处理，从而得出三端双向可控硅功率驱动单元10的调节命令值，通过三端双向可控硅功率驱动单元10调节***能量从调节活塞上死点位移，从而达到命令值输入单元9输入的蒸发温度值。

对于制热***而言，活塞上死点位移模糊控制单元8通过对冷凝温度检测单元12检测的冷凝温度值与命令值输入单元9输入的冷凝温度之间的变化及变化率进行模糊化处理，首先得出活塞位移上死点的控制目标值，然后，活塞上死点位移模糊控制单元8通过对活塞上死点位移计算单元7得出的活塞上死点值与活塞位移上死点的控制目标值之间的变化及变化率进行处理，从而得出三端双向可控硅功率驱动单元10的调节命令值，通过三端双向可控硅功率驱动单元10调节***能量从调节活塞上死点位移，从而达到命令值输入单元9输入的冷凝温度值。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (8)

1.一种动磁式直线压缩机活塞位移控制装置，其特征在于：

包含电流检测单元(1)、电压检测单元(2)、活塞位移模拟计算单元(3)、位移幅值检测单元(4)、初始活塞平衡位置输入单元(5)、活塞位移平衡位置偏移检测单元(6)、活塞上死点位移计算单元(7)、活塞上死点位移控制单元(8)、命令值输入单元(9)及三端双向可控硅功率驱动单元(10)；

所述电流检测单元(1)与电压检测单元(2)分别与活塞位移模拟计算单元(3)单向连接；所述活塞位移模拟计算单元(3)通过位移幅值检测单元(4)和活塞上死点位移计算单元(7)单向连接；所述活塞上死点位移计算单元(7)和命令值输入单元(9)分别与活塞上死点位移控制单元(8)单向连接；所述活塞上死点位移控制单元(8)上连接有功率驱动单元(10)；所述三端双向可控硅功率驱动单元(10)设置在压缩机驱动电路中，与直线电机线圈、启动电容、采样电阻及电源单相连接，组成闭合回路。

2.如权利要求1所述动磁式直线压缩机活塞位移控制装置，其特征在于：所述活塞位移平衡位置偏移检测单元(6)上分别连接有蒸发温度检测单元(11)及冷凝温度检测单元(12)，其中蒸发温度检测单元(11)及冷凝温度检测单元(12)单向连接在活塞上死点位移控制单元(8)上。

3.根据权利要求1或2所述动磁式直线压缩机活塞位移控制装置，其特征在于：

所述的活塞位移模拟计算单元(3)，通过对电流检测单元(1)检测的电流和电压检测单元(2)检测的电压进行模拟计算得出活塞的位移波形，通过活塞位移幅值检测单元(4)计算活塞的行程值。

4.根据权利要求1或2所述动磁式直线压缩机活塞位移控制装置，其特征在于：所述的活塞位移上死点计算单元(7)通过对命令值输入单元(9)输入的活塞行程值、活塞位移平衡位置偏移检测单元(6)检测的活塞平衡位置偏移量及初始活塞平衡位置输入单元(5)输入的活塞初始平衡位置计算可得出直线压缩机的上死点值。

5.根据权利要求1或2所述动磁式直线压缩机活塞位移控制装置，其特征在于：

所述的活塞上死点位移控制单元(8)通过对活塞上死点位移计算单元(7)得出的活塞上死点值与命令值输入单元(9)输入的活塞上死点值之间的变化及变化率进行处理，从而得出功率驱动单元(10)的调节命令值，通过功率驱动单元(10)调节***能量从调节活塞上死点位移，从而达到命令值输入单元(9)输入的活塞上死点值。

6.根据权利要求1或2所述动磁式直线压缩机活塞位移控制装置，其特征在于：

所述的活塞位移平衡位置偏移检测单元(6)通过对蒸发温度检测单元(11)检测的蒸发温度及冷凝温度检测单元(12)检测的冷凝温度进行计算，可得出活塞平衡位置偏移量。

7.根据权利要求1或2所述动磁式直线压缩机活塞位移控制装置，其特征在于：

所述的活塞上死点位移模糊控制单元(8)通过对蒸发温度检测单元(11)检测的蒸发温度值与命令值输入单元(9)输入的蒸发温度之间的变化及变化率进行模糊化处理，得出活塞位移上死点的控制目标值。

8.根据权利要求2所述动磁式直线压缩机活塞位移控制装置，其特征在于：

所述的活塞上死点位移模糊控制单元(8)通过对冷凝温度检测单元(12)检测的冷凝温度值与命令值输入单元(9)输入的冷凝温度之间的变化及变化率进行模糊化处理，得出活塞位移上死点的控制目标值。

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