一种涡旋机轴向力循迹方法和系统

本发明涉及涡旋机技术领域，特别涉及一种涡旋机轴向力循迹方法和系统。

背景技术：

涡旋压缩机是一种新型容积式压缩的压缩机，压缩部件由动涡旋盘和静涡旋组成，具有结构简单、易损件少、体积小、可靠性高、机械效率高、噪声低等优良热力学性质和力学性质。涡旋压缩机压缩腔的结构由动静涡盘组成，动静涡盘工作示意图如图1。工作过程中，静涡盘固定在机架上，动盘由偏心轴驱动并由防自转机构制约，围绕静盘基圆中心，作很小半径的平面转动。气体通过空气滤芯吸入静盘的外围，随着偏心轴的旋转，气体在动静盘噬合所组成的若干个月牙形压缩腔内被逐步压缩，然后由静盘中心部件的轴向孔连续排出。此时，压缩气腔内产生的气体力作用在涡旋盘上，使得动静涡盘的涡旋齿和端面发生发生倾斜或脱离，增加了气体的泄漏量。目前，系统难以适应大排气量和大压力比的应用场合,如何保障涡旋机涡盘气密性、有效减少气体泄漏量是一大技术难题。

动涡旋盘和静涡旋盘之间的气密性对压缩机的工作性能起着重要影响。研究表明，涡旋压缩机的泄漏主要有切向泄漏和径向泄漏两种，即通过轴向或者径向的间隙发生泄漏，其泄漏模型如图2。对于涡旋压缩机径向间隙中的切向泄漏而言，其主要是由动、静涡旋盘的加工误差、各运动部件的摩擦磨损以及各部件装配精度不够等因素造成的。而轴向间隙中的径向泄漏问题，则主要是由涡旋盘压缩腔中的轴向气体分离力造成的。根据研究，轴向间隙是导致气体泄露主要问题，且轴向分离力大小受气腔温度、工作频率和主轴转角等因素动态变化，导致了气体的泄漏和零部件的磨损，对涡旋压缩机的工作性能和使用寿命产生严重影响。解决涡旋机轴向动态密封问题，有助于提高涡旋机的工作性能，增加其使用寿命，满足更广阔的运用场合。

目前尚缺乏可以通过算法自动对涡旋机轴向力“实际目标曲线”循迹方面的研究和方法。

技术实现要素：

本发明其中一个发明目的在于提供一种涡旋机轴向分离力自动循迹方法和系统，所述方法和系统采用电磁力探针的方法，对预设工况条件下的涡旋机“目标轴向分离力曲线”，从“原始理论目标曲线”开始，分区逐个校正，获得新的“目标电磁力曲线”。即可根据本发明算法自动找寻用于“平衡轴向分离力”的电磁力“目标电磁力曲线”，以此“目标电磁力曲线”为跟踪目标，通过电磁力控制算法和硬件系统，实现较好的轴向力平衡控制。通过本发明算可有效改善涡旋机轴向密封性能，从而可以提高涡旋机的电磁伺服系统对复杂工况的适应性。

本发明另一个发明目的在于提供一种涡旋机轴向力循迹方法，所述方法和系统通过对主轴电机转角360°区域内进行n等分，形成n等分的角度区间，采用pid算法中分步逼近的计算方式可以对每个角度区间进行单独依次校准，从而使得单个区间中的“目标电磁力曲线”逼近“实际轴向分离力曲线”而不是“原始理论目标轴向分离力曲线”，与实际工况匹配。

本发明另一个发明目的在于提供一种涡旋机轴向力循迹方法，所述方法和系统通过引入涡旋机排气量和主轴电机电流大小两个参数，从电磁力“理论目标曲线”修正寻找到真正所需的电磁力“目标电磁力曲线”，通过实时检测分析涡旋机的排气量大小和电机主轴电流大小进行最优寻迹，通过和上一次的寻迹状况进行对比可以实现最优寻迹，提高所述涡旋机的控制精度。

为了实现至少一个上述发明目的，本发明进一步提供一种涡旋机轴向力循迹方法，所述方法包括如下步骤：

在所述涡旋机内设置电磁探针，获取涡旋机电磁力参数；

建立电磁力“原始理论目标曲线”，并以所述“原始理论目标曲线”为目标进行电磁力跟踪控制；

获取在跟踪“原始理论目标曲线”时，涡旋机的排气流量和主轴电机电流大小；

分区，逐个获取分区间内电磁力的初始大小，记录排气流量和主轴电机电流大小，分析反馈的排气流量和主轴电机电流信号变化规律；

根据所述反馈的排气流量和主轴电机电流信号变化规律，逐个修正各分区的电磁力目标值，生成最适配的新的“目标电磁力曲线”。

根据本发明其中一个较佳实施例，设置n个角度等分区间，其中每个角度等分区间的角度为360/n，系统启动时，在每个角度等分区间内执行“目标电磁力曲线”的跟踪操作。

根据本发明另一个较佳实施例，启动后，执行提前跟踪pid控制方法，使得“实际电磁力曲线”逼近“目标电磁力曲线”。

根据本发明另一个较佳实施例，寻找所述“目标电磁力曲线”的方法包括如下步骤：当进入相邻分区间时，先将需要跟踪校准的电磁力设置为对应电磁力“原始理论目标曲线”在该分区间的值。

根据本发明另一个较佳实施例，寻找所述“目标电磁力曲线”的方法包括如下步骤：在执行跟踪逼近目标分区间的电磁力值后，通过增大当前分区间“跟踪目标的电磁力值”来进一步增加当前分区间的“实际电磁力”，获取该分区间对应时间段的主轴电机电流大小和涡旋机排气流量，判断排气流量和主轴电机大小变化，并根据所述排气流量和主轴电机大小变化判断“当前电磁力”所与实际需要的“目标轴向分离力或者对应的目标电磁力”的逼近程度，从而获得“目标电磁力曲线”在该分区间的电磁力值，以“目标电磁力曲线”修正“原始理论目标曲线”在该分区间的值，使得“目标电磁力曲线”进一步接近“实际目标曲线”。

根据本发明另一个较佳实施例，采集涡旋机排气流量数据后，判断排气流量是否增加，若增加则持续增大该分区间的电磁力，并实时监控该分区间对应的主轴电机电流大小和涡旋机排气流量大小；若在持续增大该分区间的电磁力条件下排气流量持续增大，则继续增大当前分区间“跟踪目标的电磁力值”，控制“实际电磁力”实时动态跟踪该“跟踪目标的电磁力值”随之增大。

根据本发明另一个较佳实施例，若在持续增大该当前分区间的电磁力条件下，排气流量保持不变或减小，则接着判断主轴电机电流是否增大，若是，则判断当前电磁力下的涡旋机为轴向过压状态，将上一次该分区间所确定的“跟踪目标的电磁力值”作为“目标电磁力曲线在该分区间的值”，作为以后运行时的在该分区间的跟踪目标值。

根据本发明另一个较佳实施例，若在持续增大当前分区间的电磁力条件下排气流量保持不变或减小，且主轴电机电流保持不变或减少，则通过增大当前分区间跟踪目标的值来进一步增加当前分区间的电磁力。

根据本发明另一个较佳实施例，若检测到排气流量保持不变，则通过持续减小当前区间“跟踪目标的值”来持续减小当前分区间的“实际电磁力”，并实时监控该分区间对应的涡旋机排气流量大小，若发现排气量减小，则判断涡旋机已经处于泄露状态，将上一次该分区间的“跟踪目标的值”作为“实际目标曲线在该分区间的值”。

为了实现至少一个上述发明目的，本发明进一步提供一种涡旋机轴向力循迹系统，所述系统采用上述一种涡旋机轴向力循迹方法。

为了实现至少一个上述发明目的，本发明进一步提供一种涡旋机，所述涡旋机采用上述一种涡旋机轴向力循迹方法。

附图说明

图1显示的是现有技术中涡旋压缩机的结构组成示意图。

图2显示的是现有技术中一种泄漏模型示意图。

图3显示的是本发明一种涡旋机轴向力循迹方法流程示意图。

图4a显示的是本发明第一个等分角度区间的初始化曲线示意图。

图4b显示的是本发明第一个等分角度区间的跟踪校准过程中的曲线示意图。

图4c显示的是本发明第一个等分角度区间的跟踪校准完成的曲线示意图。

图5显示的是本发明中自动探针寻迹的整体流程示意图。

图6显示的是本发明中所有等分角度区间寻迹完成后的曲线示意图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

请结合图1-6，本发明公开了一种涡旋机轴向分离力循迹方法和系统，所述方法首先需要初始化生成一条经过计算的理想化的电磁力“原始理论目标曲线”，该曲线作为初始目标曲线，在涡旋机运行过程中采用“提前跟踪pid算法”使电磁伺服系统输出的电磁吸力曲线逼近电磁力“目标电磁力曲线”，达到平衡工况下涡旋机轴向分离力的目的。需要说明的是，所述“提前跟踪pid算法”为现有技术，本发明对此不再详细说明。在获取“最适配的电磁力目标曲线”的过程中需要不断的参考主轴电机电流大小和涡旋机的排气流量大小，不断修正电磁力“原始理论目标曲线”，从而使得“目标电磁力曲线”不断地靠近最适配的电磁力目标曲线，并进一步根据所述主轴电机电流大小和涡旋机的排气流量大小变化判断修改的目标轴向分离力曲线是否有效，若有效则作为目标电磁力曲线。需要说明的是“提前跟踪pid算法”是现有技术，具体请参考申请号为201911241902.3的发明专利，本发明对“提前跟踪pid算法”的具体步骤不再赘述。其中本发明所述的实际目标电磁力曲线为实际上的最优曲线，但这最优曲线一般只能逼近而无法完全相同。

值得一提的是，本发明采用分段逼近的思想建立所述“目标电磁力曲线”，具体而言，根据主轴电机转动周期将所述电磁力曲线等分成n个等分角度区间，所述主轴电机的转动周期为360°，因此每个等分角度区间的宽度大小为360°/n，并将所述电磁力理论曲线分成n个等分角度区间，获取第一个等分角度区间对应初始阶段的“原始理论目标曲线”对应的电磁力跟踪目标值，此时对应的是0°角的电磁力理论大小，控制伺服电机将电磁吸力逼近为对应0°角所需的电磁吸力，该电磁吸力平衡的是涡旋压缩机各压缩腔内的轴向分离力总和。进一步调整所述电磁力的大小，并实时监控所述涡旋机的排气流量大小和主轴电机电流大小。根据所述排气流量大小和主轴电机电流大小来控制电磁力的大小。

具体的，在本发明其中一个较佳实施例中，获取当前等分角度区间，根据所述电磁力“原始理论目标曲线”控制伺服电磁机构生成在当前等分角度区间的初始值，进一步控制伺服电机增加电磁力大小，并实时监测当前涡旋机的排气流量大小和主轴电机电流大小，若排气流量增大，则通过增大当前区间“跟踪目标的值”来进一步增加当前分角度区间的“实际电磁力”，并实时监控在电磁力持续增加条件下的述等分角度区间内的排气流量大小和主轴电机电流大小，若排气量持续增加，则继续增大当前区间“跟踪目标的值”来进一步增大该等分角度区间内的“实际电磁力”，直到所述排气流量保持不变或减少。在电磁力持续增加条件下，所述涡旋机的动涡盘不断地朝着静涡盘靠近移动，随着移动间距的减少，从而使得排气流量会不断增加，当所述排气流量保持不变或减少的情况下可能是所述涡旋机动涡盘和静涡盘相互接近状态，进一步判断所述主轴电机电流是否增大，若是，则说明生涡旋机动涡盘和静涡盘之间已经存在过压状态，因为过压状态的存在使得涡旋机动涡盘和静涡盘存在一定的接触而产生的摩擦阻力或其他非气体性阻力，使得所述主轴电机的电流增加，因此通过测量主轴电机的电流大小和排气流量可以很好地判断涡旋机是否存在过压状态。当所述涡旋机存在过压状态时，则说明上一次的“跟踪目标的值”为最接近所述最适配的电磁力目标曲线的真实值。将该真实值保存，做为作为“目标电磁力曲线”在该分角度区间的值，作为以后运行时的在该分度角区间的“跟踪目标值”。

若涡旋压缩机排气量持续增加，也是就说涡旋机动涡盘和静涡盘之间还是存在一定的空间，因此需要继续增加当前等分角度区间的电磁力，直到存在过压现象。将上一次该等分角度区间所确定的“跟踪目标的值”作为“实际目标值”作为跟踪目标曲线在该分角度区间的值，作为以后运行时的在该分度角区间的跟踪目标值。

当获取当前等分角度区间的实际跟踪目标值后，进一步获取下一个等分角度区间初始角度对应的理论电磁力跟踪目标值，该理论电磁力跟踪目标值可以根据计算得到的电磁力“原始理论目标曲线”中直接调用，进一步控制伺服电磁机构将电磁力逼近下一个等分角度区间初始角度的电磁力理论跟踪目标值，并实时监控下一个等分角度区间内的主轴电机的电流大小和排气流量，循环后获取下一个等分角度区间对应的实际电磁力跟踪目标值。进一步循环直到所有的等分角度区间的电磁力原始理论跟踪目标值都检测完毕后形成一条完整的“最适配的目标电磁力曲线”作为“目标电磁力曲线”。

在本发明另一较佳实施例中，根据电磁力原始理论目标曲线设置当前等分角度区间初始阶段的电磁力大小，并通过增大当前分区间“跟踪目标的值”来增加当前等分角度区间的的电磁力后，若所述涡旋机的排气流量保持不变，则需通过减小当前区间“跟踪目标的值”来减小当前等分角度区间的的电磁力，若所述涡旋机的排气流量依旧保持不变，则继续通过减小当前区间“跟踪目标的值”来进一步持续减少所述等分角度区间的电磁力，直到发现排气量减小，则判断涡旋机已经处于泄露状态，将上一次该区间的“跟踪目标的值”作为当前区间的“新目标跟踪值”。在完成当前等分角度区间电磁力“目标电磁力曲线”校准后，进一步循环执行下一个等分角度区间的电磁力跟踪目标校准，直到所有等分角度区间的电磁力“原始理论目标曲线”检测完毕后形成一条涡旋机“最适配的目标电磁力曲线”作为“目标电磁力曲线”。

当电磁探针的寻迹曲线完成后，以“目标电磁力曲线”为目标实施“提前pid跟踪算法”输出实际电磁力，请参考图6，可以看到“实际轴向分离力曲线”和电磁伺服系统通过跟踪校准后的“目标电磁力曲线”输出的“实际电磁力曲线”具有较高的重合度，从而显示本发明采用的探针寻迹具有较好的校准寻优循迹效果。

对于本发明的技术效果而言，本发明对实际电磁力曲线使用提前pid算法后不是对“原始理论目标曲线”进行整体校准，而是将主轴电机转角360°分为n个等角度区间，采用了分步逼近的算法思想，对每个角度区单独校准，使每个区间内理论曲线逐步逼近实际需要的曲线，提高计算精度。通过引入涡旋机的排气量和主轴电机电流大小作为校准的评判指标，实时检测涡旋机的排气量和主轴电机电流的大小，与上一次寻优循环比较，以此判断寻优状况，控制精度更高。本发明使电磁伺服系统跟踪的跟踪目标电磁曲线更接近“实际电磁力曲线”。进一步提高了电磁伺服系统控制精度，更好地平衡涡旋机轴向力，有效改善涡旋机轴向密封性能。复杂工况下，多种因素作用于实际被控装置，导致理想化的涡旋机轴向力曲面、曲线模型与实际系统的差距较大，本发明提出的探针方案对初始的理想化曲线依赖低，可以实现跟踪曲线的自动校准，在涡旋机变排气口压力后，不需切换理论曲线进行电磁力跟踪，同时电磁力还能及时贴合校准好的轴向力曲线，提高了电磁伺服系统对复杂工况的适应性，拓展了该涡旋机电磁私伺服装置的适用范围。

特别地，根据本发明公开的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本发明公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质被安装。在该计算机程序被中央处理单元(cpu)执行时，执行本申请的方法中限定的上述功能。需要说明的是，本申请上述的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电、磁、光、电磁、红外线段、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线段的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(cd-rom)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本申请中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本申请中，计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线段、电线段、光缆、rf等等，或者上述的任意合适的组合。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明，本发明的目的已经完整并有效地实现，本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。