专利名称：用于电子膨胀阀调节的控制算法的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于制冷系统中的电子膨胀阀(EEV)，并且具体地涉及用于调节EEV的位置的控制算法。
背景技术：
蒸气循环制冷系统通常用于提供冷却。典型的蒸气循环制冷系统包括蒸发器、压缩机和电子膨胀阀(EEV)。处于两相状态(即，液一气态的组合)的制冷剂被提供给蒸发器，其中，蒸发器中的制冷剂通过蒸发过程中的潜热传递来吸收热量，在蒸发过程中，制冷剂被转化为纯气态。蒸发器的输出处所提供的经加热的制冷剂被压缩机接收。为了避免对压缩 机的过多功率需求和/或损坏，被压缩机接收的制冷剂处于纯气态是重要的。然而，为了最小化功率消耗并且最大化与系统相关的性能系数，使进入压缩机的制冷剂的温度最小化是重要的。离开蒸发器的制冷剂的温度和状态部分地基于流过蒸发器的制冷剂流量。流过蒸发器的制冷剂流量是压缩机速度和电子膨胀阀(EEV)的位置(即，打开/关闭)的函数。如果对于蒸发器内所吸收的热量而言提供了过大的制冷剂流量，则蒸发器的输出处所提供的制冷剂将会保持处于液态。如果提供给蒸发器的制冷剂流量不足，则所有制冷剂将会蒸发并且将会继续吸收蒸发器内的热量，使得蒸发器的输出处所提供的制冷剂具有高于期望温度的温度。电子膨胀阀用于调节制冷剂回路中的制冷剂流量，使得离开蒸发器的制冷剂处于气态但不高于期望温度。
发明内容
用第一控制环和第二控制环来控制制冷系统中使用的电子膨胀阀(EEV)的位置，所述第一控制环基于与所述制冷系统相关的过热反馈产生第一 EEV步骤信号，所述第二控制环基于与所述制冷系统相关的压力反馈产生第二 EEV位置信号。选择所述第一 EEV步骤信号或所述第二 EEV步骤信号中的一个作为用于控制所述EEV的位置的位置信号。将所选位置信号反馈地提供到所述第一控制环和所述第二控制环二者。
图I是根据本发明实施例的制冷和控制系统的框图。图2是功能性框图，示出了处理器单元所执行的用于实施根据本发明实施例的EEV控制算法的操作。
具体实施例方式图I是根据本发明实施例的制冷和控制系统10的框图。系统10包括制冷系统12和控制系统14。制冷系统12包括蒸发器16、马达18&、18以压缩机20&、2013、冷凝器22、电子膨胀阀(EEV) 24和EEV马达26。在蒸发器16、压缩机马达18a、18b、冷凝器22和电子膨胀阀(EEV) 24之间延伸的带箭头线指示了在制冷系统12内循环的制冷剂的流动和方向。制冷系统12中的元件的构造是示例性的，也可采用部件的其他构造。控制系统14包括处理单元32、压缩机马达控制器34a、34b以及EEV马达控制器36。处理单元32监视制冷系统12的操作，包括从压力传感器28和温度传感器30接收蒸发器16的输出处的反馈。至少部分地基于这些值，处理单元向马达控制器34a、34b提供控制指令以控制压缩机马达18a、18b的速度并且向EEV马达控制器36提供控制指令以选择性地定位(即，打开/关闭)EEV 24。制冷系统12操作，将处于两相状态(即，组合的液一气态)的制冷剂传送到蒸发器16。流过蒸发器16的制冷剂通过蒸发过程中的潜热传递来吸收热量，蒸发过程将制冷剂转化为纯气态。压缩机20a、20b分别被马达18a、18b驱动到期望速度。在图I所示的实施例中，采用了彼此并行连接的一对压缩机。在其他实施例中，可以替代地使用单个压缩机。压缩机20a、20b压缩由蒸发器16提供的气态制冷剂，并且将经压缩的气态制冷剂提供到冷凝 器22。进而，冷凝器22将气态制冷剂冷凝回液态或混合的液一气态，并且将经冷凝的制冷剂提供到液池(未示出)或者直接提供到电子膨胀阀(EEV)24以便供应到蒸发器16。EEV马达26控制EEV 24的位置(即，打开/关闭)以调节被提供到蒸发器16的制冷剂流量。为了避免对压缩机20a、20b的过多功率需求和/或损坏，被压缩机20a、20b接收的制冷剂处于纯气态是重要的。然而，为了最小化功率消耗并且最大化与系统相关的性能系数，使进入压缩机20a、20b的制冷剂的温度最小化是重要的。离开蒸发器16的制冷剂的温度和状态部分地取决于流过蒸发器的制冷剂流量以及进入蒸发器的供应空气的温度。流过蒸发器16的制冷剂流量是压缩机速度和电子EEV24的位置(S卩，打开/关闭)的函数。如果对于蒸发器16内所吸收的热量而言提供了过大的制冷剂流量，则蒸发器16的输出处所提供的制冷剂将会保持处于两相状态或液态。如果提供给蒸发器16的制冷剂流量不足，则所有制冷剂将会蒸发并且将会继续吸收蒸发器16内的热量，使得蒸发器16的输出处所提供的制冷剂具有高于期望温度的温度。因此，EEV 24的位置对于确保制冷系统12的适当操作而言是重要的。在图I所示的实施例中，处理单元12执行EEV控制算法以通过选择性地控制EEV24的位置来选择性地控制流向蒸发器16的制冷剂流量。EEV控制算法由两个控制环组成过热(SH)控制环和最大操作压力(MOP)控制环,过热控制环基于蒸发器16的输出处的制冷剂温度，最大操作压力控制环基于蒸发器16的输出处的制冷剂压力。在正常操作期间，SH控制算法控制EEV 24的位置，使得制冷剂温度保持在期望值(例如，高于与制冷剂相关的饱和蒸气线18度)。MOP控制算法在必要时接管以将MOP保持成低于期望最大操作压力(MOP)0具体地，本发明的EEV控制算法起作用以使SH控制算法和MOP控制算法之间的过渡平滑。图2是功能性框图，示出了处理器单元32所执行的用于实施根据本发明实施例的EEV控制算法的操作。由于EEV控制算法而提供的控制指令被提供到EEV马达控制器36，其基于所接收的控制指令命令EEV马达24到期望位置。EEV控制算法包括过热(SH)控制环40和最大操作压力(MOP)控制环42。SH控制环40将蒸发器16输出处的制冷剂的被监视的压力Vevap_out和温度levap_out接收为输入，被监视的压力 evap_out和温度levap_out分别由压力传感器28和温度传感器30提供。被监视的压力Vevap_out和温度levap_out被提供到SH计算器44,其响应性地产生过热值SH_m人过热被定义为蒸发器中的给定压力下的制冷剂沸腾时的温度与制冷剂气体离开蒸发器时的温度之间的差。因此，过热值SH_^7的计算基于蒸发器16的输出处所监视的压力Vevap_out和温度Tevap_out 二者。为了避免液体制冷剂被提供到压缩机20a、20b,制冷剂的期望过热应当大于零。通常，为了给误差提供一些余地，过热值被保持在大于零的值(例如18度过热)以确保蒸发器16处的气态输出。在块46处,将计算的过热值SH_ca7与期望过热值SH_re/比较，以计算期望过热值和测量的或计算的过热值之间的差或误差SH_arr。计算的误差SH_arr被提供到比例积分(PI)控制块48,其基于过热反馈计算过热步骤输出SILste/ ,过热步骤输出SILste/ 代表EEV 24的期望位置(S卩，打开/关闭的步骤)。例如，计算的过热值SH_ca7大于过热参考值SH_re/可导致EEV 24打开以增大进入蒸发器16的制冷剂流量。相反，计算的过热值SH_cal小于过热参考值SH_re/可导致EEV 24关闭以减小进入蒸发器16的制冷剂流量。
MOP控制环42将蒸发器16输出处的制冷剂的被监视的压力Vevap_out接收为输入。在块50处，将被监视的压力Vevap_out与压力阈值M0P_re/比较，以计算期望压力值和测量的压力值之间的差或误差M0P_err。计算的误差M0P_err被提供到PI控制块52，其基于压力反馈计算压力步骤输出MOP-Ste/ ,压力步骤输出MOP-Ste/ 代表EEV 24的期望位置(即，打开/关闭的步骤)。选择器块54分别从SH控制环40和MOP控制环42接收SH步骤输出和MOP步骤输出MOP.ste/ 二者，并且在各步骤输出之间选择代表最大数量的关闭步骤(即，EEV 24的最关闭位置)的步骤输出，以便提供给EEV位置计算器56作为EEV参考值EEV_ref。这样，尽管两个控制环40、42均提供了关于EEV 24的期望位置的输出，但仅有一个控制环有效地“控制"EEV 24的位置。尽管在任何给定时间仅有一个控制环有效地“控制"EEV24的位置，所选的最大关闭值EEV_re/作为反馈被提供到“未处于控制的”环积分器。这样，每个PI控制块48、52的“未处于控制”的环积分器函数输出正在被“处于控制”的环计算(连续地重置)的相同值。在一个实施例中，与PI控制块48、52相关的每个环积分器具有下限和上限，其确保积分器的输出保持在所限定的极限内。在该实施例中，被提供给“未处于控制”的环积分器的反馈被提供给环积分器的下限输入，由此保持“未处于控制”的环的输出非常接近“处于控制”的环的输出。该布置的益处在于，当控制从SH控制块40切换到MOP控制块42或者反过来时，其降低了被提供给EEV位置计算器56的步骤输出EEV_re/中的显著变化。也就是说，将“处于控制”的控制环的步骤输出反馈地提供给“未处于控制”的控制环的效果是使得两个控制环之间的过渡平滑(即，无波动过渡)。另外，在一个实施例中，SH控制环40中所包括的PI控制块48采用非线性增益函数。具体地，当计算的过热值SH_m7降低到低于过热参考值SH_re/，这代表液体可被提供到压缩机20a、20b的情况，带有潜在地极其严重的后果。因此，这比计算的过热值
大于过热参考值SH_re/的情况更加关键。当计算的过热值SH_ca7低于过热参考值SH_re/时，采用非线性增益函数允许PI控制器48所提供的响应更加动态(即更快的响应，其中，增益更大)。在其他较不关键的区域，可采用较小的增益值。非线性增益输入实行了可变增益以适应作为过热误差SH_Arr的函数的蒸发器16的动态响应中的变化。
在另一个实施例中，PI控制器48接收前馈速度输入以考虑压缩机速度的变化对于制冷剂过热的影响。例如，压缩机速度的增大(由于增加的冷却需求)减小了蒸发器16的输出处的制冷剂压力，这是由于压缩机20a、20b的入口处的额外的抽吸造成的。结果，尽管EEV 24的位置没有改变，但制冷剂的过热仍然由于流过蒸发器16的显著更高的制冷剂流量而减小。为了补偿压缩机速度对过热的影响，压缩机20a、20b的速度被前馈到PI控制器48以最小化过热值的变化。在一个实施例中，前馈速度输入被表示为压缩机20a、20b的速度的变化率，其被加入PI控制器48的积分器函数的输入。例如，压缩机20a、20b的速度的增大导致正值(代表正的变化率)被加入PI控制器48的积分器输入，这增大了增益并从而增大了 PI控制器48的响应时间。在其他实施例中，前馈速度在PI控制器48的积分器函数的下游被提供。在这些实施例中，前馈速度输入可被提供为速度值、变化率值等，其被用于适应压缩机速度的变化。基于选择器块54所提供的步骤输出EEV_re/，EEV位置计算器56计算EEV命令EEY_cmd以便提供到EEV马达控制器36。在图2所示的实施例中，EEV位置计算器56不接 收关于EEV 24的位置的反馈。为了补偿，EEV位置计算器56包括一种机制，用于将EEV 24预定位到特定位置(例如完全关闭)且跟踪EEV 24的位置的所有后续变化以保持EEV 24的当前位置。在其他实施例中，EEV 24的位置可被反馈地提供到EEV位置计算器56，由此不再需要连续地监视/跟踪EEV位置(但需要额外的硬件/传感器，用于探测EEV 24的位置)。在图2所示的实施例中，块58将代表EEV 24的期望位置的步骤输出EEV_re/与当前EEV位置卿_Cal_Pos比较以计算差值其代表为了获得EEV 24的期望位置所需的打开/关闭的步骤。在块62，将计算的差WN_delta_st印s乘以方波(由方波发生器64提供)以产生EEV命令信号WlCmd，以便提供到EEV马达控制器36。另外，将差值砂}Ldelta_sUps提供到EEV位置计算器60，EEV位置计算器60使用该差值(代表EEV 24的位置的变化)来更新EEV 24的位置估计EEV_fe7_/^s。计算的位置估计基于EEV24的初始位置(由输入阀预位置指示)以及EEV 24的打开/关闭速率(由方波发生器64的调制率指示)的信息。这样，纵使缺乏来自实际值的反馈，EEV位置计算器仍能够保持对于EEV 24的位置的准确估计。虽然已经参照(一个或多个)示例性实施例描述了本发明，但本领域技术人员将会理解，在不偏离本发明范围的情况下可作出各种变化并且可用等同物来替代其元件。另外，在不偏离本发明实质范围的情况下，可在本发明的教导下进行许多修改以适应具体情形或者材料。因此所意图的是，本发明不限于所公开的(一个或多个)具体实施例，而是本发明将会包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。
权利要求
1.一种控制制冷系统中使用的电子膨胀阀(EEV)的位置的方法，所述方法包括 在第一控制环中基于与所述制冷系统相关的过热反馈产生第一 EEV位置信号； 在第二控制环中基于与所述制冷系统相关的压力反馈产生第二 EEV位置信号； 选择所述第一 EEV位置信号或所述第二 EEV位置信号作为用于控制所述EEV的位置的位置信号；以及 将所选位置信号反馈地提供到所述第一控制环和所述第二控制环二者。
2.如权利要求I所述的方法，其中，选择所述第一EEV位置信号或所述第二 EEV位置信号包括选择所述第一 EEV位置信号或所述第二 EEV位置信号中的较大者。
3.如权利要求I所述的方法，其中，产生所述第一EEV位置信号包括 基于与所述制冷系统相关的监视的压力和监视的温度计算过热值； 将计算的过热值与参考过热值比较以产生过热误差值；以及 将过热误差值应用到第一比例积分控制器以产生所述第一 EEV位置信号。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所选位置信号被反馈地提供以重置所述第一比例积分控制器的积分器值。
5.如权利要求3所述的方法，其中，所述第一比例积分控制器采用非线性增益函数，其中，当计算的过热值小于参考过热值时，所述第一比例积分控制器采用较大的增益值，并且当计算的过热值大于参考过热值时，所述第一比例积分控制器采用较小的增益值。
6.如权利要求3所述的方法，其中，所述第一比例积分控制器接收关于压缩机速度的前馈输入，以被包括在所述第一 EEV位置信号的计算中。
7.如权利要求I所述的方法，其中，产生所述第二EEV步骤信号包括 将与所述制冷系统相关的监视的压力与最大操作压力(MOP)参考值比较以产生MOP误差值；以及 将MOP误差值应用到第二比例积分控制器以产生所述第二 EEV步骤信号。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所选位置信号被反馈地提供以重置所述第二比例积分控制器的积分器值。
9.如权利要求I所述的方法，还包括 通过将所选位置信号与当前阀位置信号比较来计算阀位置命令信号；以及 基于阀位置命令信号来更新当前阀位置信号。
10.一种用于控制制冷系统中包括的电子膨胀阀(EEV)的位置的控制器系统，所述控制器系统包括 EEV马达控制器，所述EEV马达控制器命令所述EEV到期望位置；和处理单元，所述处理单元接收关于所述制冷系统中的监视的压力和温度的反馈，所述处理单元执行过热(SH)控制环，所述过热控制环基于过热反馈计算第一 EEV位置信号，所述过热反馈是基于所述监视的压力和温度来计算的，所述处理单元执行最大操作压力(MOP)控制环，所述最大操作压力控制环基于所述制冷系统的监视的压力计算第二 EEV位置信号，其中，所述处理单元选择所述第一 EEV位置信号或所述第二 EEV位置信号作为用于控制所述EEV的位置的位置信号并且将所选位置信号作为反馈提供到所述SH控制环和所述MOP控制环二者。
11.如权利要求10所述的控制器系统，其中，所述处理单元选择所述第一EEV位置信号或所述第二 EEV位置信号中的较大者作为用于控制所述EEV的位置的位置信号。
12.如权利要求10所述的控制器系统，其中，所述SH控制环将过热反馈与期望过热值比较以产生过热误差信号，所述SH控制环包括第一比例积分(PI)控制器，所述第一比例积分控制器基于所述过热误差信号和作为反馈提供到所述SH控制环和所述MOP控制环二者的所选位置信号产生所述第一 EEV位置信号。
13.如权利要求12所述的控制器系统，其中，所述第一PI控制器实行非线性增益函数，其中，当计算的过热值小于参考过热值时，所述第一 PI控制器采用较大的增益值，并且当计算的过热值大于所述参考过热值时，所述第一 PI控制器采用较小的增益值。
14.如权利要求12所述的控制器系统，其中，所述第一PI控制器接收与压缩机的速度相关的前馈速度输入，所述压缩机被包括作为所述制冷系统的一部分，其中，所述第一 PI控制器提供的所述第一 EEV位置信号考虑了压缩机速度对所述过热反馈的影响。
15.如权利要求10所述的控制器系统，其中，所述MOP控制环将所述监视的压力与最大操作压力(MOP)参考值比较以产生MOP误差信号，所述MOP控制环包括第二比例积分(PI)控制器，所述第二比例积分控制器基于所述MOP误差信号和作为反馈提供到所述SH控制环和所述MOP控制环二者的所选位置信号产生所述第二 EEV位置信号。
16.如权利要求10所述的控制器系统，其中，所述处理单元还包括EEVdelta步骤计算器，其将所选位置信号与当前阀位置信号比较以产生阀命令信号并且基于所产生的阀命令信号来更新当前阀位置信号。
17.—种系统,包括 蒸发器，所述蒸发器基于流过所述蒸发器的制冷剂的蒸发而对介质提供冷却； 电子膨胀阀(EEV)，所述电子膨胀阀选择性地打开和关闭以调节流过所述蒸发器的制冷剂的流量；和 处理单元，所述处理单元通过选择性地控制所述EEV的打开和关闭来调节流过所述蒸发器的制冷剂的流量，所述处理单元执行过热(SH)控制环，所述过热控制环基于过热反馈计算第一 EEV位置信号，所述过热反馈是基于监视的压力和温度来计算的，所述处理单元执行最大操作压力(MOP)控制环，所述最大操作压力控制环基于所述监视的压力计算第二EEV位置信号，其中，所述处理单元选择所述第一 EEV位置信号或所述第二 EEV位置信号作为用于控制所述EEV的位置的位置信号并且将所选位置信号作为反馈提供到所述SH控制环和所述MOP控制环二者。
18.如权利要求17所述的系统，其中，所述SH控制环将过热反馈与期望过热值比较以产生过热误差信号，所述SH控制环包括第一比例积分(PI)控制器，所述第一比例积分控制器基于所述过热误差信号和作为反馈提供到所述SH控制环和所述MOP控制环二者的所选位置信号产生所述第一 EEV位置信号。
19.如权利要求18所述的系统，其中，所述第一PI控制器实行非线性增益函数，其中，当计算的过热值小于参考过热值时，所述第一 PI控制器采用较大的增益值，并且当计算的过热值大于所述参考过热值时，所述第一 PI控制器采用较小的增益值。
20.如权利要求18所述的系统，其中，所述第一PI控制器接收与压缩机的速度相关的前馈速度输入，所述压缩机被包括作为所述系统的一部分，其中，所述第一 PI控制器提供的所述第一 EEV位置信号考虑了压缩机速度对所述过热反馈的影响。
21.如权利要求17所述的系统，其中，所述MOP控制环将所述监视的压力与最大操作压力(MOP)参考值比较以产生MOP误差信号，所述MOP控制环包括第二比例积分(PI)控制器，所述第二比例积分控制器基于所述MOP误差信号和作为反馈提供到所述SH控制环和所述MOP控制环二者的所选位置信号产生所述第二 EEV位置信号。
22.如权利要求17所述的系统，其中，所述处理单元还包括EEVdelta步骤计算器，其将所选位置信号与当前阀位置信号比较以产生阀命令信号并且基于所产生的阀命令信号来更新当前阀位置信号。
23.如权利要求17所述的系统，其中，所述处理单元选择所述第一EEV位置信号或所述第二 EEV位置信号中的较大者作为用于控制所述EEV的位置的位置信号。
全文摘要
本发明涉及用于电子膨胀阀调节的控制算法。具体地，电子膨胀阀被用在制冷系统中以调节流过蒸发器的制冷剂的流量。通过第一控制环和第二控制环来控制所述电子膨胀阀的位置，所述第一控制环基于与所述制冷系统相关的过热反馈产生第一位置信号，所述第二控制环基于与所述制冷系统相关的压力反馈产生第二位置信号。选择所述第一位置信号和所述第二位置信号中的较大者来控制所述电子膨胀阀值的位置，并且将所选位置信号反馈地提供到所述第一控制环和所述第二控制环二者。
文档编号F25B49/00GK102748906SQ20121011734
公开日2012年10月24日 申请日期2012年4月20日 优先权日2011年4月21日
发明者B.R.施勒德, J.埃尔恩斯特, K.库西, R.M.德罗伊, T.帕特尔 申请人:哈米尔顿森德斯特兰德公司