专利名称：控制线性压缩机的方法
技术领域：
本发明为LG电子株式会社于1999年11月4日提出申请的、申请号为99122255.5的“控制线性压缩机的装置及其方法”的分案申请。
而且，当线性压缩机用于冰箱或空调时，由于可以通过改变电机的冲程来改变其压缩比，因此它适用于可变制冷控制。
下面说明用于冰箱或空调的线性压缩机的结构。
图1为现有技术中用于控制线性压缩机的装置的示意方框图，其包括线性摆动电机10，通过改变依靠活塞上下运动的冲程来控制制冷空气的强度；电路单元20，根据控制极控制信号来控制交流电源，从而控制提供给线性摆动电机10的电源；控制单元30，它对基于输入的温度数据的冲程命令值和由加载至线性摆动电机10上的冲程电压估算出的冲程进行控制以使其相等，并将得到的定时器驱动信号提供给电路单元20。
控制单元30包括冲程命令值确定器31，只要一接收到温度信息，它便确定与温度对应的冲程命令值，并将其输出；无传感器(sensorless)冲程估算器，用于接收线性摆动电机提供的冲程电压V0-V3，估算它的冲程值并将估算出的冲程值输出；冲程控制器，用于进行控制，使得由无传感器冲程估算器32估算出的冲程适合于由冲程命令值确定器31所确定的冲程命令值，并相应地输出定时器命令值；过零检测器34，用于检测输入电压波形的过零点并输出过零信号；和定时器35，它根据当过零检测器34输出过零信号时，由冲程控制器33估算出的估算值来提供控制极驱动信号。
下面将说明具有上述结构的，依照现有技术的控制线性压缩机的装置的工作情况。
电源电压接线端提供如图2A所示的电源电压，并通过电路单元20的电流感测电阻R，三端双向可控硅开关Tr，和电容C提供至线性摆动电机10，从而使电流流入线性摆动电机10。然后，线性摆动电机10的活塞11进行往复运动，其中活塞11的往复行程距离称为冲程。可以通过改变冲程来改变制冷空气的强度，即通过改变冲程来控制冰箱或空调中制冷空气的强度。
当使用者设置冰箱或空调的温度时，控制单元30内的冲程命令值确定器31收到与设置温度有关的信息。一接到温度信息，冲程命令值确定器31便确定与设置温度相应的冲程命令值，并将所确定冲程命令值的信号提供给冲程控制器33。
此时，无传感器冲程估算器32从线性摆动电机10接收以下电压电流感测电阻R与电源电压接线端之间的电压V0，电流感测电阻R与三端双向可控硅开关Tr之间的电压V1，三端双向可控硅开关Tr提供给线性摆动电机10的电压V2，和通过电容C提供给线性摆动电机10的电压V3，并且估算冲程信息和电流信息，将估算出的信息传送给冲程控制器33。
然后，冲程控制器33进行控制，使得由冲程命令值确定器31确定的冲程命令值与估算的冲程命令值相等，并将得到的定时器命令值传送给定时器35。
然后，过零检测器34接收电流感测电阻R与电源电压接线端之间的电压V0，或者是始于电源电压接线端在经过电容C之前的电压V4，以检测过零点，并将检测到的过零信号提供给定时器35。
然后，定时器35的起动端(start terminal)接收过零信号。当过零信号被输入到起动端时，定时器35根据由冲程控制器33提供的定时器命令值设置一段时间t1，如图2E所示。
设置时间t1后，定时器35向电路单元20的三端双向可控硅开关Tr的控制极G输出控制极驱动信号。在这方面，如果时间t1如图2C中所示的那么短，则控制极驱动信号将被设置与图2C所示的过零时间点距离很短，从而产生如图2D所示的大电流。而如果时间t1如图2E所示的那么长，则控制极驱动信号远离过零时间点，从而产生如图2F所示的小电流。
因此，当控制极驱动信号被输出到电路单元20的三端双向可控硅开关Tr的控制极G时，三端双向可控硅开关Tr被导通，电流流过线性摆动电机10，因此，线性摆动电机10的活塞上下运动，从而控制冰箱或空调中制冷空气的强度。
如果输入电流为周期函数，则活塞的运动具有与之相同的周期，该周期可根据吸气和排气的压力而具有不同的形状。
图4展示了它的一个例子。假设活塞的周期为‘T’，由于冲程表示一个周期内的最大位移，因此可由下面的方程式定义S(k)≡max(x(t))，(k-1/2)T≤t＜(k+1/2)T，其中x(t)为无传感器冲程估算器的估算值，在估算值与真实值之间可能存在误差e(k)＝x(k)-x(t)。
如图3所示，如果把线性摆动电机10作为一个具有反电动势的R-L电路模型，则描述活塞运动的理论基础可以由以下两个非线性联立微分方程式表述md2dt2+cdxdt+kx=αi-Fp(x)---(1)]]>Ldidt+(R+r)i+1C∫idt=V-αdxdt---(2)]]>其中x代表活塞的位移，i代表流向电机的电流，m代表活塞的质量，C代表阻尼系数，k代表等效弹簧常数，Fp代表活塞施加的力，α代表反电动势常数，L代表等效感应系数，R代表等效电阻，r代表用于感测电流强度的电阻(r＜＜R)，V代表外加电压。
参见上面的方程式，Fp代表由吸气与排气之间的压差所确定的力，它在压缩机的吸气-排气-吸气过程中随时非线性地变化。
根据该方程式，如果电压V上升，方程式(2)的右边将变大，从而使左边的电流变强。然后，方程式(1)的右边变大，因此方程式左边活塞的位移将变大。
也就是说，活塞的冲程距离由外加电压改变，当使用三端双向可控硅开关(一种半导体开关器件)时，外加电压可以通过开关来控制，并具有相同的效果。
然而，参见常规的线性压缩机，如图6所示，当冲程到达边界(排气阀面)时，活塞的工作经常变得不稳定。换言之，当活塞非常接近排气阀并几乎与之相碰撞时，活塞的工作变得非常不稳定。
另外，参见该线性压缩机，在调谐点处其效率最高，并且产生的噪音最小。在这方面，如图6所示的活塞工作不稳定情况会经常发生。其中的原因尚未被揭示。一种设想认为这可能是由驱动器的滞后特性造成的，可以通过基于实验及上述方程式(1)和(2)的模拟得到展示。
活塞工作的不稳定导致输入电源的抖动，制冷空气的强度因而也发生抖动，这对于使用线性压缩机的冰箱和空调是非常不理想的。在这方面，然而，显然可以利用不稳定现象发生在调谐点这一事实来检测最佳工作点。
此外，在常规的线性压缩机中，需要精确地控制余隙容积，但由于复杂的无传感器电路的各部件的特性偏差或压缩机内部主要机械部件之间的偏差，因此即使在相同的冲程控制下，具有理想强度的制冷空气也会产生严重的偏差。
本发明的另一个目的是提供一种用于控制线性压缩机的装置和方法，其中线性压缩机的工作由两个区间控制，这两个区间取决于线性压缩机中排气侧压力与吸气侧压力，其中一个区间内存在调谐不稳定性区，而另一个区间内不存在调谐不稳定性区。
本发明的另一个目的是提供一种用于控制线性压缩机的装置和方法，其中在调谐不稳定性区存在的区间内搜索并避开调谐不稳定性区，从而得到最佳的工作状态。
本发明的另一个目的是提供一种用于自动校正线性压缩机偏差的装置，该装置能够自动校正无传感器电路的部件偏差或压缩机内部主要部件的偏差，以靠自身来优化调节机械元件和控制元件，从而获得均匀的制冷能力。
为了实现这些和其它优点并依照本发明的目的，如此处举例并广泛描述的，提供一种用于控制线性压缩机的装置，包括电路单元，向线性摆动电机供电；和控制单元，用于输出控制极驱动信号，以使得基于温度信息的冲程命令值与加载在线性摆动电机上的冲程电压所估算出的冲程相等，其中控制单元包括制冷模式确定器，它根据输入的温度信息来确定制冷模式；无传感器冲程估算器，用于接收提供给线性摆动电机的冲程电压，估算冲程值和电流信息，并将估算出的冲程值和电流信息输出；不稳定性监控单元，利用由无传感器冲程估算器输出的冲程值和电流信息监控不稳定是否发生，并输出监控到的信息；冲程命令值确定器，考虑由制冷模式确定器确定的制冷模式以及由不稳定性监控单元输出的不稳定性发生信息的总体情况后，确定适当的冲程命令值；冲程控制器，用于调节由无传感器冲程估算器估算出的冲程，以适应由冲程命令值确定器确定的冲程命令值，并相应地输出定时器命令值；过零检测器，用于检测输入电压波形的过零点并输出过零信号；和定时器，根据当从过零检测器输出过零信号时冲程控制器的估算值来提供控制极驱动信号。
还提供一种用于控制线性压缩机的方法，包括以下步骤在步骤S1中设置与制冷模式命令值对应的冲程命令值；在步骤S2中检查定时器是否被驱动；如果在步骤S2中定时器未被驱动，则在步骤S3中检查冲程不稳定性的当前状态；在步骤S4中，如果冲程处于不稳定状态，则通过将设置的冲程命令值降低一预定值，使线性压缩机工作一段预定时间，而如果冲程处于稳定状态，则线性压缩机按照步骤S1中设置的冲程命令值工作；当步骤S2中的定时器被驱动并经过相应的时间后，将当前驱动的冲程命令值恢复为原始的冲程命令值。
还提供一种用于控制线性压缩机的方法，包括以下步骤在步骤S1中设置与制冷模式命令值对应的冲程命令值；在步骤S2中检查冲程是处于不稳定状态还是处于稳定状态；如果冲程处于不稳定状态，在步骤S3中，则将冲程命令值降低一预定值，以使线性压缩机工作一段预定时间；如果在步骤S2中冲程处于稳定状态，则在步骤S4中检查定时器是否被驱动；如果定时器未被驱动，则在步骤S5中，输出步骤S1中设置的冲程命令值，而当定时器被驱动并经过相应的时间后，则将当前驱动的冲程命令值恢复为原始的冲程命令值。
还提供一种用于自动校正线性压缩机偏差的装置，包括电路单元，它根据控制极驱动信号来控制交流电源以改变冲程，从而对加载至用于控制制冷空气强度的线性摆动电机的电源进行控制；和控制单元，用于输出控制极驱动信号，以使得基于温度信息的冲程命令值与加载在线性摆动电机上的冲程电压所估算出的冲程相等，其中控制单元包括无传感器冲程估算器，用于接收提供给线性摆动电机的冲程电压，估算冲程值和电流信息并将它们输出；不稳定性监控单元，一接到来自无传感器冲程估算器的信息，便监控当前冲程是处于不稳定状态还是处于稳定状态；调谐点确定器，如果收到不稳定性监控单元的不稳定性信息，它便根据无传感器冲程估算器估算出的冲程值确定调谐点，并将之输出；冲程命令值确定器，它利用来自外部源的温度信息和由调谐点确定器确定的调谐点来确定冲程命令值；冲程控制器，用于调节由无传感器冲程估算器估算出的冲程，使之适合由冲程命令值确定器确定的冲程命令值，并相应地输出定时器命令值；过零检测器，用于检测输入电压波形的过零点并输出过零信号；和定时器，根据当由过零检测器输出过零信号时冲程控制器的估算值提供控制极驱动信号。
用于自动校正线性压缩机偏差的装置的冲程命令值确定器包括制冷模式确定器，它根据输入的温度信息来判断是启动(actuating)状态还是制冷状态，并确定是选择调谐状态还是选择制冷状态；第一开关，根据制冷模式确定器的输出切换到相应的模式；调谐模式控制器，如果经制冷模式确定器判断为启动模式，则输出用于调谐的冲程命令值；制冷模式控制单元，如果经制冷模式确定器判断为制冷模式且当前的冲程处于不稳定状态，则根据第一，第二，....第n种制冷模式，通过采用相对坐标值来校正冲程命令值，并将校正后的冲程命令值输出；和第二开关，用于将分别由调谐模式控制器和制冷模式控制单元输出的冲程命令值提供给冲程控制器。
用于自动校正线性压缩机偏差的装置的调谐点确定器通过在将无传感器冲程估算器所估算的冲程逐步递增的同时对其进行扫描来确定调谐点。
用于自动校正线性压缩机偏差的装置的调谐点确定器通过利用慢斜坡(RAMP)函数扫描无传感器冲程估算器所估算的冲程来确定调谐点。
还提供一种用于控制线性压缩机工作的方法，包括以下步骤根据压缩机的排气侧压力和吸气侧压力或外部空气温度设置两个区间，其中一个区间中存在调谐不稳定性区，另一个区间中不存在调谐不稳定性区；为使线性压缩机正常工作，在调谐不稳定性区不存在的区间内，使用低预定冲程电压或高预定冲程电压控制摆动电机，而在调谐不稳定性区存在的区间内，检测调谐不稳定性区并将冲程电压保持在调谐不稳定性区的最上部。
在控制线性压缩机工作的方法中，压缩机的排气侧压力Pd和吸气侧压力Ps均低于预定压力的区间，与压缩机的排气侧压力Pd和吸气侧压力Ps均高于预定压力的区间被设置为调谐不稳定性区不存在的区间，而在这两个区间之间的区间被设置为调谐不稳定性区存在的区间。
在控制线性压缩机工作的方法中，压缩机的外部空气温度低于预定温度的温度范围，与压缩机的外部空气温度高于预定温度的温度范围被设置为调谐不稳定性区不存在的区间，而在上述两个温度范围之间的温度范围被设置为调谐不稳定性区存在的区间。
在控制线性压缩机工作的方法中，在调谐不稳定性区不存在的区间内，摆动电机由高或低恒定冲程电压控制，而在调谐不稳定性区存在的区间内，在检测到最优点后，通过改变冲程电压来控制摆动电机。
在控制线性压缩机工作的方法中，通过从冲程最低点开始以预定电压值提高冲程电压值来搜索调谐不稳定性区，并在检测到调谐不稳定性区时，再次提高预定的电压值从而恒定地将冲程电压保持在调谐不稳定性区的最上部，而后，在经过预定时间后，通过把冲程电压值降低预定值来再次搜索调谐不稳定性区，并在检测到调谐不稳定性区时，再次提高冲程电压值，由此在调谐不稳定性区的最上部设置最优工作点。
在控制线性压缩机工作的方法中，加速摆动电机直至冲程电压值由零值到达下限值，从而减少搜索时间。
在控制线性压缩机工作的方法中，如果当摆动电机由恒定冲程电压或变化冲程电压控制时出现异常情况，冲程被缩短。而后，当恢复正常状态后，仍然恢复以前的冲程。
在附图中图1为现有技术中用于控制线性压缩机的装置的示意方框图；图2展示了现有技术中图1各部件的波形；图3为现有技术图1中的线性摆动电机作为具有反电动势的R-L电路模型的等效电路图；图4展示了现有技术图1中根据吸气侧压力与排气侧压力的活塞运动周期的波形；图5展示了现有技术图1中，当进行吸气-压缩-排气过程时，施加于活塞上的非线性变化的力(Fp)的波形；图6展示了现有技术图1中，根据吸气侧压力与排气侧压力的活塞运动周期的稳定情况与不稳定情况的波形；图7为依照本发明，用于控制线性压缩机的装置的示意方框图；图8展示了依照本发明的，图7中不稳定性监控单元中的活塞运动周期的波形；图9为依照本发明的，图7中不稳定性监控单元监控过程的流程图；图10为依照本发明一个实施例的，图7中冲程命令值确定器确定冲程命令值过程的流程图；图11为图7中依照本发明另一个实施例的冲程命令值确定器确定冲程命令值过程的流程图；图12为依照本发明的用于自动校正线性压缩机偏差的装置的示意方框图；图13为图7中依照本发明的冲程命令值确定器的详细方框图；图14根据图7中依照本发明的线性摆动电机活塞运动中线的变化和排气阀平面的运动，展示了冲程偏差波形的周期；图15为图7中依照本发明的无传感器冲程估算器的模拟电路图；图16为图15中依照本发明的模拟电路图的方框图；图17为图7中依照本发明的调谐点确定器感测调谐不稳定性区的过程图；图18为图7中依照本发明的使用斜坡(RAMP)函数的调谐点确定器感测调谐不稳定性区的过程图；图19展示了依照本发明的，按照制冷模式的绝对坐标值(absolutecoordinate value)和相对坐标值(relative coordinate value)；图20A和20B展示了依照本发明的，调谐不稳定性区在线性压缩机中存在与不存在的两种情况，这要取决于线性压缩机的吸气侧压力和排气侧压力以及外部空气温度；图21展示了依照本发明搜索线性压缩机的最优工作点和工作算法；图22为依照本发明搜索线性压缩机的最优工作点和工作算法的流程图；图23为依照本发明的，根据线性压缩机中是否存在不稳定性区来划分区间的工作算法的流程图；和图24为当线性压缩机工作过程中出现异常时的工作算法的流程图。
图7为依照本发明的用于控制线性压缩机的装置的示意方框图；如图所示，用于控制线性压缩机的装置包括电路单元，向线性摆动电机供电；和控制单元，它输出控制极驱动信号，以使得基于温度信息的冲程命令值与加载在线性摆动电机上的冲程电压所估算出的冲程相等，其中控制单元包括制冷模式确定器，它根据输入的温度信息来确定制冷模式；无传感器冲程估算器，用于接收提供给线性摆动电机的冲程电压，估算冲程值和电流信息，并将估算出的冲程值和电流信息输出；不稳定性监控单元，利用由无传感器冲程估算器输出的冲程值和电流信息监控不稳定情况是否发生，并输出监控到的信息；冲程命令值确定器，考虑由制冷模式确定器确定的制冷模式以及由不稳定性监控单元输出的不稳定性发生信息的总体情况后，确定适当的冲程命令值；冲程控制器，用于调节由无传感器冲程估算器估算出的冲程，以适应由冲程命令值确定器确定的冲程命令值，并相应地输出定时器命令值；过零检测器，用于检测输入的电压波形的过零点并输出过零信号；和定时器，根据当从过零检测器输出过零信号时冲程控制器的估算值来提供控制极驱动信号。
下面将解释具有上述结构的用于控制线性压缩机的装置的工作情况。
由电源电压接线端引出的电源电压通过电路单元20中的电流感测电阻R，三端双向可控硅开关Tr和电容C供给线性摆动电机10，从而使电流流入线性摆动电机10。然后，线性摆动电机10的活塞11进行往复运动，可以通过改变冲程来调节冰箱或空调中制冷空气的强度。
此时，当使用者设置冰箱或空调的温度时，控制单元30内的制冷模式确定器37接收到设置的温度信息。然后，制冷模式确定器37确定与收到的温度信息相应的制冷模式，并将确定的制冷模式提供给冲程命令值确定器31。
此时，无传感器冲程估算器32从线性摆动电机10接收到冲程电压(V0-V3)，即，电流感测电阻R与电源电压接线端之间的电压V0，电流感测电阻R与三端双向可控硅开关Tr之间的电压V1，由三端双向可控硅开关Tr供给线性摆动电机10的电压V2，和通过电容C供给线性摆动电机10的电压V3，并估算冲程信息和电流信息，将估算出的信息传送给不稳定性监控单元36。
然后，不稳定性监控单元36利用冲程估算单元32估算出的冲程信息来识别冲程是处于不稳定状态还是处于稳定状态。
下面将参照图9详细说明其工作情况。
首先，在步骤S91中，不稳定性监控单元36从无传感器冲程估算器32提供的冲程信息中读出一个冲程(s(k))。也就是说，它读出冲程(s(k))的预定宽度(W)，如图8所示。然后在步骤S92中，由冲程中得到最大值(Sw(k))和最小值(Sw(k))。
Sw(k)＝max{s(k)，s(k-1)，...，s(k-w+1)}Sw(k)＝min{s(k)，s(k-1)，...，s(k-w+1)}然后，在步骤S93中，计算冲程的最大值与最小值之差(Sw(k)-Sw(k))，并将计算出的差值与预置的参考值THD进行比较。
通过比较，如果该差值大于参考值THD，则在步骤S94中，不稳定性监控单元36认为冲程处于不稳定状态，而如果该差值小于参考值，则在步骤S95中，不稳定性监控单元36认为冲程处于稳定状态。当在步骤S94和S95中识别不稳定状态与稳定状态后，不稳定性监控单元36读取下一个冲程。
按这种方式，不稳定性监控单元36判断冲程是处于不稳定状态还是处于稳定状态，并将判断后的信息传送给冲程命令值确定器31。
然后，冲程命令值确定器31根据由制冷模式确定器37确定的制冷模式和由不稳定性监控单元36监控到的信息来确定最合适的冲程命令值，并将之传送给冲程控制器33。
下面将参照图10说明确定冲程命令值的过程。
在步骤S101中，冲程命令值确定器31读取由制冷模式确定器37确定的制冷模式的命令值ref_M。例如，如果制冷模式为M1，M2和M3，则与各模式相应的冲程参考值应包括s1，s2和s3。
在步骤S102中，从存储器中读出与在步骤S101中读出的制冷模式命令值ref_M相应的冲程命令值ref_s，并将其设置为tmp_s。当用于制冷模式的冲程命令值被如此设置之后，在步骤S103中检查定时器是否被驱动。
如果冲程处于不稳定状态，则定时器被用作计算时间，以使冲程避开不稳定状态一段预定时间。如果在步骤S103中定时器没有被驱动，则在步骤S104中检查当前冲程是否处于不稳定状态。
通过检查，如果冲程目前处于不稳定状态，则在步骤S105中驱动定时器以避开该状态一段预定时间，并在步骤S106中将与制冷模式命令值ref_M相应的冲程命令值ref_s转变为更低的冲程命令值。
例如，如果根据与制冷模式命令值ref_M2相应的冲程命令值ref_s2设置的状态为不稳定状态，则冲程命令值被改变为ref_s2-Δ。而且，如果在步骤S103中定时器被驱动，则计算时间，而且在经过相应的时间后，在步骤S107中冲程命令值又恢复为原始的冲程命令值ref_s。
如上所述，冲程命令值确定器31根据制冷模式命令值来设置冲程命令值，然后当不稳定状态出现时，冲程命令值确定器31通过降低冲程命令值使之改变。当冲程命令值确定器31以改变后的冲程命令值工作一段预定时间时，当经过该预定时间后，冲程命令值确定器31将冲程命令值恢复为原始的冲程命令值。
图11是根据图7本发明的另一个实施例的冲程命令值确定器确定冲程命令值过程的流程图。如图中所示，在步骤S201冲程命令值确定器31读取制冷模式确定器37确定的制冷模式命令值ref_M。并且它从存储器读取一个对应于在步骤S201读取的制冷模式命令值ref_M的冲程命令值ref_s，并在步骤S202中设置tmp_s。此后，在步骤S203中检查当前冲程是稳定状态还是不稳定状态。
如果冲程是不稳定状态，在步骤S204，冲程命令值确定器31驱动定时器以避开一段预定时间，把设置的冲程命令值ref_s改变为一个降低了预定值Δ的命令值，并在步骤S205输出改变后的冲程命令值。另一方面，如果在步骤S203冲程是稳定状态，那么在步骤S206冲程命令值确定器检查定时器是否被驱动。
检查时，如果定时器未被驱动，那么在步骤S207冲程命令值确定器不加改变地使用存储在存储器中的冲程命令值tmp_s，如果定时器被驱动，那么它等待一段预定的时间并终止它。然后冲程命令值确定器将冲程命令值恢复到原始冲程命令值ref_s，并在步骤S208输出恢复的冲程命令值。
当把执行上述操作获得的冲程命令值提供到冲程控制器33时，冲程控制器33调节冲程命令值和无传感器冲程估算器32所估算的命令值，使它们彼此相等，并向定时器35输出定时器命令值。
此时，过零检测器34读取来自电路单元20的电压V0或V4，检测过零点，并将其提供给定时器35的起动端。
在接收到过零点时，定时器35通过利用从冲程命令确定器31提供的冲程命令值，采用输入到起动端的过零点的时刻作为记时点，向电路单元20的三端双向可控硅开关Tr的控制极接线端G输出控制极驱动信号。
接着，三端双向可控硅开关Tr导通，并向线性摆动电机10提供电流，根据所提供的电流线性摆动电机10的活塞向上和向下移动，因而调节了冰箱或空调的制冷空气的强度。
图12是根据本发明的自动校正线性压缩机偏差的装置的方框图。
引起制冷空气强度偏差的因素包括控制因素和机械因素。
首先，控制因素来源于电路。例如，在图7的控制单元30的无传感器冲程估算器32构造成如图15中所示的模拟电路的情况下，诸如Cs，C1，C2这样的电容器的特性偏差造成了冲程的识别公差。
在作为图15的模拟电路图的方框图的图16中，指出了电容值与传递函数有紧密的关系。
更具体地讲，假设在没有零部件偏差时电流冲程与电压冲程之间的传递函数分别是G1和G2，当输入被定义为一个[电流，电压]矢量时，传递函数为G＝[G1，G2]。因此，电容器的偏差ΔCs，ΔC1和ΔC2造成了传递函数偏差ΔG＝[ΔG1，ΔG2]，导致了冲程识别公差。
在ΔG＞0的情况下，它被识别为一个大于实际冲程值的值。而当用一个闭环控制来控制冲程以便把冲程适当地调节到命令值时，冲程将小于真实值。根据同样的逻辑，在ΔG＜0时，由于反馈控制，冲程将大于真实值。因此需要减小这类偏差。
此外，由机械偏差造成的制冷空气强度偏差也是十分关键的。在控制线性摆动电机10时会造成制冷空气强度偏差，下面参考图14对其进行说明，图14示出了根据本发明的图7的线性摆动电机中活塞运动中线的改变和排气阀平面移动的冲程偏差的波形周期。
在图中，(A)示出了排气阀表面在正常状态，(B)示出了排气阀表面升起，(C)示出了排气阀表面被降低。
在这方面，当活塞至排气阀表面的距离改变时，在同样的冲程下压缩比被改变，因此制冷空气强度也相应地改变。造成这种活塞至排气阀表面的距离偏差的因素是加工公差和装配公差。参考图14，(D)示出了活塞运动的中线在正常位置，(E)示出了活塞运动的中线降低，(F)示出了活塞运动的中线升高。
取决于机械弹簧公差的永磁体位置偏差造成活塞运动中线偏差，因而使相同冲程下的压缩比改变和制冷空气强度改变。
因此，为了获得机械单元与控制单元之间的良好匹配，(B)和(E)需要一个较大的冲程命令值，对此适当的条件是ΔG＜0，而在(C)和(F)的情况下，它们需要一个较小的冲程命令值，对此适当的条件是ΔG＞0。
如果包括一个具有条件ΔG＞0的无传感器冲程估算器32的控制单元与一个具有如(B)或(C)情况下的偏差的机械单元组合，那么它们之间的公差很大，几乎不可能获得冰箱或空调的所需制冷空气强度。
而在无传感器冲程估算器32中，在具有ΔG＜0条件的控制单元与具有图14中所示的(C)和(F)的偏差的机械单元组合时，如果差值很大，那么会发生过电流或活塞会严重地撞击阀门，导致冰箱或空调寿命缩短。
因此，在发生这种偏差时，最好其本身有校正这种偏差的自调谐或自匹配。
下面详细说明自调谐和自匹配。
当从电源电压接线端提供220V的电源电压时，电源电压通过电路单元20的电流感测电阻R，三端双向可控硅开关Tr和电容器C提供到线性摆动电机10，由此电流流向线性摆动电机10。然后，线性摆动电机10的活塞11执行往复运动，并且通过改变冲程调节冰箱和空调的制冷空气的强度。
此时，无传感器冲程估算器32读取从电路单元20提供给线性摆动电机10的电压V0-V3。根据读取的电压，无传感器冲程估算器32估算冲程值和电流信息，并且把估算的冲程信息和电流信息分别传送给不稳定性监控单元36，调谐点确定器38和冲程控制器33。
然后，通过利用无传感器冲程估算器32估算的冲程信息，不稳定性监控单元36检查冲程的当前状态是不稳定状态还是稳定状态，以下对其进行详细说明。
首先，在步骤S91，不稳定性监控单元36从无传感器冲程估算器32提供的冲程信息中读出一个冲程(s(k))。即，它读取如图8中所示的冲程(s(k))的预定宽度(W)。接着，在步骤S92中从读取的冲程获得最大值(Sw(k))和最小值(Sw(k))。
Sw(k)＝max{s(k)，s(k-1)，...，s(k-w+1)}Sw(k)＝min{s(k)，s(k-1)，...，s(k-w+1)}然后，在步骤S93中计算冲程的最大值与最小值之间的差(Sw(k)-Sw(k))，并把计算的差值与一个预置的参考值THD比较。
根据比较的结果，如果差值大于参考值THD，那么在步骤S95中不稳定性监控单元36认为它是不稳定状态，如果差值小于参考值，那么在步骤S94中不稳定性监控单元36认为它是稳定状态。在步骤S94和S95中识别了不稳定状态和稳定状态后，不稳定性监控单元36在步骤S96中设置下一个预定区，并返回到步骤S91重复进行上述步骤。
以这种方式，不稳定性监控单元36判断冲程是不稳定状态还是稳定状态，并把判断信息传送给调谐点确定器38。
如图17中所示，一旦接收到判断信息，如果不稳定性监控单元36监控的信息是不稳定状态，调谐点确定器38从无传感器冲程估算器32估算的冲程最低值LB开始扫描。在这方面，尽管有零部件偏差，由于在冲程低的区域中不存在不稳定性点，为了快速扫描，扫描从下限值LB开始，从零点至下限值冲程被简单加速。
为了零检测的确定性，缓慢地提高冲程命令值十分重要。为此目的，通过增加步骤缓慢地增大冲程命令值。另外，为了同样的目的可以使用如图18中所示的斜坡(RAMP)函数。
通过上述的扫描，在调谐不稳定性区发生的区间中检测到冲程值，并把检测到的不稳定冲程提供给冲程命令值确定器31。
然后，冲程命令值确定器31把一个根据从外部源输入的温度信息作为制冷模式的相对坐标值确定的相对值加到调谐点确定器38所传送的不稳定冲程，并把这样得到的值输出到冲程控制器33作为冲程命令值。
在不稳定性监控单元36监测的结果是稳定状态的情况下，调谐点确定器38不向冲程命令值确定器31提供无传感器冲程估算器32估算的冲程。然后，冲程命令值确定器31根据稳定或不稳定状态输出冲程命令值，现在参考图13对其进行说明。
制冷模式确定器37接收使用者设置的温度信息，并判断它是启动模式还是制冷模式，并输出相应的判断结果。
更详细地讲，在制冷模式确定器37判断的结果是启动模式的情况下，第一开关SW1切换到调谐模式控制器31B。调谐模式控制器31B把用于驱动线性摆动电机10的冲程命令值ref_s，在将其变化到ref_s＝f(t)时，通过第二开关SW2提供给冲程控制器33。
在制冷模式确定器37判断结果是制冷模式的情况下，根据使用者设置的温度信息确定对应的制冷模式。然后，通过第一开关SW1把制冷模式确定器37连接到制冷模式控制单元31C的对应的制冷模式控制单元C1-CM。
如图19中所示，当冲程在稳定状态时，制冷模式控制单元C1-CM根据绝对坐标法输出冲程命令值，而当冲程在不稳定状态时，它输出用相对坐标法获得的冲程命令值。
也就是说，当冲程在不稳定状态时，通过第二开关SW2，向冲程控制器33输出由通过相对坐标法对应于制冷模式的一个阈值“d”加到调谐点确定器38提供的不稳定冲程Sc上获得的冲程命令值。
以这种方式，根据冲程的稳定状态和不稳定状态通过绝对坐标法或相对坐标法确定从制冷模式控制单元C1-CM输出的冲程命令值，并把如此获得的冲程命令值提供给冲程控制器33。
在接收到来自制冷模式控制单元的冲程命令值时，冲程控制器33调节冲程命令值确定器31确定的冲程命令值和估算的冲程值，使它们相互相同，并且把如此获得的定时器命令值传送给定时器35。
此时，过零检测器34接收电路单元20的电源电压接线端与电流感测电阻R之间的电压V0或从电源电压接线端通过电容器C之前的电压V4，检测过零点，并把检测到的过零信号提供给定时器35。
当定时器53的起动端接收到过零信号时，定时器35根据冲程控制器33提供的定时器命令值设置控制极驱动信号，并把它提供到电路单元20的三端双向可控硅开关Tr的控制极接线端G。
然后，三端双向可控硅开关Tr导通，把电流提供给线性摆动电机10，据此线性摆动电机10的活塞向上或向下运动，因而控制了冰箱或空调的制冷空气的强度。
现在说明根据本发明的用于控制线性压缩机工作的方法。
图20A和20B示出了根据本发明的依赖于吸气侧压力和排气侧压力以及外部空气温度的线性压缩机中调谐不稳定性区存在和不存在的情况。
其中存在调谐不稳定性区的区间的划分是通过利用施加的压力理论地进行的。压力可以直接检测，或通过可以估算出压力的温度检测。
具有一个其中调谐不稳定性区存在和另一个其中调谐不稳定性区不存在这样两个区间的原因如下。
在提高冲程电压的同时检测到其中发生调谐不稳定性区的区间之后，在通过避开调谐不稳定性区使线性压缩机工作的情况下，继续增大冲程以在其中没有调谐不稳定性区的区间搜索调谐不稳定性区。但是，在这方面，由于没有检测到调谐不稳定性区，冲程被增大到上限值，引起了对排气阀造成损害的危险。因此，通过划分为其中存在调谐不稳定性区和其中不存在调谐不稳定性区两个区间来使线性压缩机工作。
图20A示出了根据排气侧压力Pd和吸气侧压力Ps划分的其中存在调谐不稳定性区的区间和其中不存在调谐不稳定性区的区间。
具体地讲，在附图中，标有斜线的左下端部分和右上端部分是其中没有调谐不稳定性区的区间，而没有斜线的中间部分是其中有调谐不稳定性区的区间。在有斜线的的左下端部分S1具有都低于预定压力的排气侧压力和吸气侧压力，其外部空气温度很低，而右上端部分具有都高于预定压力的排气侧压力和吸气侧压力，其外部空气温度很高。
在排气侧压力和吸气侧压力都低，处于外部空气温度低的情况下，线性压缩机活塞的运动中线向吸气侧移动，不需要强制冷空气，因而活塞以短冲程向上和向下运动。
而在排气侧压力和吸气侧压力都高，处于外部空气温度高的情况下，线性压缩机活塞的运动中线向排气侧移动，需要强的制冷空气，因而活塞以长冲程向上和向下运动。
另一方面，在调谐不稳定区存在、具有在高压和低压之间范围的排气侧压力和吸气侧压力的区间，活塞搜索一个最佳点并据此运动(将在以后说明)。
而在吸气侧压力Ps严重降低的情况下，例如在使用线性压缩机的冰箱的门敞开或其制冷器结冰而不能进行热交换的情况下，活塞的运动中线向吸气侧移动。出于这种考虑，活塞以短冲程运动，并在以后回到正常状态时可以恢复以前的冲程。
图20B示出了根据外部空气温度，其中存在调谐不稳定性区的区间和其中不存在调谐不稳定性区的区间。与其中存在调谐不稳定性区的区间和不存在调谐不稳定性区的区间的判断是通过检测排气侧压力和吸气侧压力作出的图20A相比，在图20B中，其中存在调谐不稳定性区的区间和不存在调谐不稳定性区的区间是通过检测压缩机的外部空气温度判断的。
如上所述，最理想的判断调谐不稳定性区存在和不存在的方法是基于压缩机的排气和吸气侧压力的检测。在这方面，利用外部空气温度检测是更容易的方法，具有相同的效果。
如图中所示，其中外部空气温度低(低于t1)的区间S1和其中外部空气温度高(高于t2)的区间对应于图20A的其中压力很低或很高、其中调谐不稳定性区不存在的区间。而其中外部空气温度在中间范围(在t1与t2之间)的区间对应于图20A的其中压力适当、调谐不稳定性区存在的区间。
图21示出了根据本发明的搜索线性压缩机最佳工作点和工作算法。即，算法显示调谐不稳定性区是在图20A和20B的调谐不稳定性区存在的区间搜索的，并且通过避开调谐不稳定性区使线性压缩机工作。如本图中所示，搜索调谐不稳定性区的扫描从无传感器冲程估算器估算的冲程的下限点V1开始。这会加速扫描，因为没有调谐不稳定性区，尽管在具有短冲程的区中存在零部件偏差。
因此，扫描从起始点V0至下限点V1被简单加速。在简单加速后，当冲程到达下限点V1时，以Δt1时间单位把冲程增加Δs1，由此搜索其中存在调谐不稳定性区的区间。在继续给冲程增加Δs1的同时，如果搜索到调谐不稳定性区，那么给冲程增加Δs1，并将此时的冲程保持不变。其原因是试验表明在调谐不稳定性区的最上部噪声最小。
调谐不稳定区具有随时间移动的倾向。因此，为了保持最佳冲程，需要连续跟踪调谐不稳定区的移动，因而使冲程可以保持在有时会改变的调谐不稳定性区的最上部。为此目的，连续地搜索是否在当前冲程中发生调谐不稳定性区，直到预定时间Δt2过去。在搜索时，如果在当前冲程中有调谐不稳定性区，再把冲程增加Δs1。重复进行这种处理直到避开调谐不稳定性区。
在把冲程保持在调谐不稳定性区的最上部的同时，如果即使在预定的时间Δt2过去之后也没有调谐不稳定性区发生，则把冲程减少Δs2，并再次搜索是否有任何调谐不稳定性区。此时，如果检测到任何调谐不稳定性区，那么再把冲程增加Δs1，使得冲程能够处于调谐不稳定性区的最上部。
如果即使在冲程减小了Δs2之后也没有检测到调谐不稳定性区，那么判断调谐不稳定性区被更多地向下移动，并根据判断以Δt2时间单位连续把冲程减小Δs2。然后，如果检测到任何调谐不稳定性区，把冲程增加Δs1，使得压缩机可以在调谐不稳定性区的最上部工作，从而保持了最佳工作状态。
图22是根据本发明的搜索线性压缩机的最佳工作点的流程图和工作算法。
在线性压缩机开始工作时，在步骤S900线性压缩机的无传感器冲程估算器读取冲程电压。如上所述，由于压缩机的工作范围也包括其中不存在调谐不稳定性区的区间，如果把这种区间也包括在搜索调谐不稳定性区的扫描中将造成时间的浪费。
因此，从无传感器冲程估算器估算的冲程下限点V1开始搜索调谐不稳定性区，为此在步骤S905中判断冲程电压是否高于下限点V1。
如果冲程电压没有达到下限点，那么在步骤S910中不进行对调谐不稳定性区的搜索，只是连续地增加冲程电压和加速扫描。
在通过简单加速后冲程电压达到下限点V1时，在步骤S915中开始搜索是否存在任何调谐不稳定性区。如果没有检测到调谐不稳定性区，那么判断调谐不稳定性区存在于当前冲程电压之上的部分，因此在步骤S920中把冲程电压增加Δs1。然后，在步骤S915中进行搜索，是否在增加的冲程电压处有任何调谐不稳定性区。反复进行这种处理，并持续地增加冲程电压，直到检测到调谐不稳定性区。
在步骤S915中，如果检测到调谐不稳定性区，那么在步骤S925把冲程电压增加Δs1。并且在步骤S930中搜索是否有任何调谐不稳定性区，如果没有检测到调谐不稳定性区，那么在步骤S935把冲程电压再增加Δs1。然后，再进行搜索是否有任何调谐不稳定性区。重复进行这种处理，直到不再有调谐不稳定性区被检测到。
如果在步骤S930中不再有调谐不稳定性区被检测到，在步骤S940中保持此时的冲程电压。以这种方式，总是把冲程电压置于调谐不稳定性区的最上部，因而使得线性压缩机能够以很小的噪声稳定而高效地工作。
但是，在它连续地工作时，调谐不稳定性区有时会改变。出于最佳工作的考虑，需要持续地跟踪调谐不稳定性区，使得能够把冲程控制在调谐不稳定性区的最上部。为此目的，在持续地保持冲程电压的同时，检测是否在当前冲程电压处存在调谐不稳定性区。也就是说，当前线性压缩机工作在冲程电压被增大到高于调谐不稳定性区Δs1的状态中，并且在这种状态中，检测是否再把调谐不稳定性区增加Δs1。此时，时间设置为Δt2，并且连续地检测是否有任何调谐不稳定性区，直到设定的时间过去。如果在Δt2的时间周期中存在调谐不稳定性区，在步骤S935把冲程电压增加Δs1，如果在时间周期Δt2中没有调谐不稳定性区，那么判断调谐不稳定性区从已经检测的区向下移动了，因而在步骤S960把冲程电压减小Δs2。
在把冲程电压减小了Δs2之后，在步骤S930中再检测是否有任何调谐不稳定性区。并且如果有调谐不稳定性区，那么判断调谐不稳定性区即使在经过预定时间Δt2之后也没有向下移动，因此在步骤S935把冲程电压增加Δs1，并反复进行这种处理，使得线性压缩能够工作在调谐不稳定性区的最上部。
另一方面，在把冲程电压减少了Δs2之后，搜索调谐不稳定性区，如果没有调谐不稳定性区，判断调谐不稳定性区向下移动了。然后在保持此时的冲程电压的同时，判断调谐不稳定性区的向上移动，直到预定时间Δt2过去。
如果在预定时间Δt2内检测到调谐不稳定性区，那么增加冲程电压，使得避开调谐不稳定性区，如果在预定时间Δt2内没有检测到调谐不稳定性区，则判断调谐不稳定性区向下移动，因而在步骤S960把冲程电压减小Δs2。通过反复进行这种处理，线性压缩机的冲程总是处于调谐不稳定性区的最上部，线性压缩机能够以小的噪声稳定地工作。
图23是根据本发明的按照线性压缩机中不稳定性区的存在和不存在划分区间进行的工作算法的流程图。图中所示的流程有关适用于冰箱的线性压缩机的一个实施例，但它可以应用于空调之类的其它设备。
为了得到最优工作状态，首先在步骤S1100读取压缩机的外部空气温度。这是为了估算压缩机的排气侧压力Pd和吸气侧压力Ps。在这个步骤中，可以直接检测排气侧压力和吸气侧压力。
在步骤S1100读取到外部空气温度后，在步骤S1150中划分两类区间，其中一类区间S1和S3中不存在调谐不稳定性区，另一类区间S2中存在调谐不稳定性区。
根据划分，在具有低外部空气温度(低于温度t1)的区间S1，由于没有发生调谐不稳定性区，在步骤S1200通过把线性压缩机控制在恒定的冲程电压V1使其工作。
在步骤S1150检测外部空气温度后，由于在具有高外部空气温度(高于温度t2)的区间S3没有发生调谐不稳定性区，在步骤S1250通过把线性压缩机控制在恒定冲程电压V3使其工作。
在具有中间外部空气温度(在温度t1和t2之间)的区间S2，搜索最佳工作点，因而在步骤S1300以一种工作算法使线性压缩机工作。
如上所述，由于线性压缩机是通过根据调谐不稳定性区存在或不存在而划分的两类区间工作的，因而避开了调谐不稳定性区，使得在正常工作期间可能获得小噪声的稳定工作状态。
但是，与之有关的是，在冰箱的情况中，正常工作期间冰箱门可能被打开，或它的制冷器可能结冰。那么热交换不能进行，导致制冷器中温度急剧降低，造成工作不稳定或产生噪声。当产生这种异常状态时，由于吸气侧压力Ps变得很低，压缩机的活塞运动中线向吸气侧移动。在这种场合，使活塞以短的冲程工作。此后，当恢复正常状态时，使活塞用以前的冲程工作。
图24是在线性压缩机工作时发生异常情况下的工作算法的流程图。
在步骤S1500，根据依赖于外部空气温度的区间S1，S2或S3控制冲程。在步骤S1550中，判断控制冲程期间冰箱门是否被打开。如果冰箱门没有打开，那么进行下一个步骤，并检测制冷器温度是否是超低温度。
如果在步骤S1550判断冰箱门被打开，在步骤S1600控制冲程为短冲程，即，V1，而不考虑冲程正被控制在哪一个区间。此后，在步骤S1550中连续检测冰箱门是否打开。反复进行这种检测处理，直到冰箱门关闭。
在冰箱门关闭后，返回到步骤S1650，在此步骤中，考虑到在制冷器结冰而未进行热交换的情况，检测制冷器的温度是否降低到超低温度，即，低于-35℃。在检测时，如果制冷器没有问题，也就是说制冷器的温度高于预定值，那么判断异常状态结束，并返回到步骤S1500中的原始的冲程控制状态。
但是，如果在步骤1650中制冷器存在问题，那么，热交换没有进行，在步骤S1600中把冲程控制为短冲程，即，V1，而不管以前的冲程控制状态。此后，重复步骤S1550和S1650，以判断异常状态是否结束。如果异常状态已经结束，那么冲程恢复到原始的状态，以便在步骤S1500中根据区间S1，S2或S3进行控制。
在上述实施例中，在控制的说明中，首先进行的是对冰箱门打开的情况的控制，但是在制冷器首先出现问题的情况下或门和制冷器同时出现问题的情况下，可以根据图中的流程以同样的方法控制冲程。
如上所述，根据本发明的控制线性压缩机的装置和方法，在由于压缩机的特性偏差和机械单元的装配偏差，以及无传感器冲程估算器之类的控制电路中的零部件偏差而产生调谐不稳定性时，利用相对坐标值校正压缩机偏差。
并且，在根据制冷模式以冲程命令值使线性压缩机工作时，在当前冲程处于不稳定状态的情况时，把冲程命令值降低预定值，并以降低的冲程值使线性压缩机工作一段预定时间。
然后，当预定时间过去后，以原始的冲程命令值工作，因而避开了不稳定状态。此外，在线性压缩机工作的同时根据排气侧压力和吸气侧压力或外部空气温度搜索调谐不稳定性区，以便避开它，因而实现了线性压缩机的最优工作状态。
由于本发明可以体现为多种形式，而不脱离它的精神和基本特征，应当理解，除非另有说明，上述实施例不受上述说明任何细节的限制，而可以理解为附属权利要求中定义的精神和范围，因此，附属权利要求应当包括落入权利要求集合与范围，或这些集合与范围等同物内的所有改变和修改。
权利要求
1.一种用于控制线性压缩机工作的方法，包括以下步骤根据压缩机的排气侧压力和吸气侧压力或外部空气温度设置两个区间，其中一个区间中存在调谐不稳定性区，另一个区间中不存在调谐不稳定性区；以及为使线性压缩机正常工作，在调谐不稳定性区不存在的区间中，利用低或高的预定冲程电压控制摆动电机，而在调谐不稳定性区存在的区间中，则检测调谐不稳定性区，并将冲程电压保持在调谐不稳定性区的最上部。
2.根据权利要求1的方法，其中压缩机的排气侧压力Pd和吸气侧压力Ps都低于预定压力的区间，和压缩机的排气侧压力Pd和吸气侧压力Ps都高于预定压力的区间被设置为不存在调谐不稳定性区的区间，而位于这两个区间之间的区间被设置为存在调谐不稳定性区的区间。
3.根据权利要求1的方法，其中压缩机的外部空气温度低于预定温度处的温度范围和压缩机的外部空气温度高于预定温度处的温度范围都被设置为不存在调谐不稳定性区的区间，而上述两个温度范围之间的温度范围被设置为存在调谐不稳定性区的区间。
4.根据权利要求1至3的方法，其中在不存在调谐不稳定性区的区间内，以较高或较低的恒定冲程电压控制摆动电机，而在存在调谐不稳定性区的区间内，则通过在检测到最佳点后改变冲程电压来控制摆动电机。
5.根据权利要求3的方法，其中在存在调谐不稳定性区的区间内，通过从冲程最低点开始以预定电压值提高冲程电压值来搜索调谐不稳定性区，并在检测到调谐不稳定性区时，再次提高预定的电压值从而恒定地将冲程电压保持在调谐不稳定性区的最上部，而后，在经过预定时间后，通过把冲程电压值降低预定值来再次搜索调谐不稳定性区，并在检测到调谐不稳定性区时，再次提高冲程电压值，由此在调谐不稳定性区的最上部设置最优工作点。
6.根据权利要求5的方法，其中摆动电机被简单地加速直至冲程电压值从零到达了下限值，从而降低搜索时间。
7.根据权利要求4的方法，其中当在以恒定冲程电压或变化冲程电压控制摆动电机时出现异常状态的情况下，控制冲程使其变短，而后当恢复正常状态时，将冲程恢复为先前的冲程。
全文摘要
一种用于控制线性压缩机工作的方法，包括以下步骤根据压缩机的排气侧压力和吸气侧压力或外部空气温度设置两个区间，其中一个区间中存在调谐不稳定性区，另一个区间中不存在调谐不稳定性区；以及为使线性压缩机正常工作，在调谐不稳定性区不存在的区间中，利用低或高的预定冲程电压控制摆动电机，而在调谐不稳定性区存在的区间中，则检测调谐不稳定性区，并将冲程电压保持在调谐不稳定性区的最上部。
文档编号F25B1/02GK1479012SQ0314276
公开日2004年3月3日 申请日期1999年11月4日 优先权日1998年11月4日
发明者吴棋泰, 金周完 申请人:Lg电子株式会社