专利名称：线性压缩机控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于驱动压缩机的线性电动机的控制器，特别但不仅仅指冰箱压缩机。
背景技术：
线性压缩机的电动机以动线圈或者动磁体为基础进行操作，并且当其与如位于压缩机中的活塞相连时，不同于采用冲程大小不固定的曲柄轴的常规压缩机，它需要精确地控制冲程大小。在压缩流体条件下，应用过量的电动机功率会导致位于气缸盖内的活塞与气缸盖之间的碰撞。
在国际专利公开号为WO 01/79671的申请中公开了一种用于自由活塞压缩机的控制系统，其以进入压缩机的制冷剂的特性的函数来限制电动机功率。然而，在这种和其它的自由活塞制冷系统中，不考虑其他的措施，会存在活塞的过冲，检测实际的活塞碰撞并随后相应地降低电动机功率是有效的。当由于任何原因产生过量的电动机功率时，这种策略仅仅可用于防止压缩机损坏。其能够作为确保高容积效率的一种方式。尤其是关于后者，可以用设置得刚好小于引起活塞碰撞的功率来驱动压缩机，以确保在最小的头部间隙容积下操作活塞。使头部间隙容积最小化以增加容积效率。
美国专利6,536,326公开了一种用于自由活塞机构的控制系统，其包括当检测到由活塞-气缸盖碰撞所引起的机械振动时用于减少活塞驱动功率的反馈信号。诸如话筒等传感器用来检测所述机械振动。
在WO03/044365以前的现有技术中，都需要分立件传感器来检测活塞碰撞。尽管WO03/044365公开了测量连续的半冲程次数并检测变化，但是在其他无传感器技术可用的情况下，其才是期望的。
发明内容
本发明的目的是提供一种以某种方式运行的线性电动机控制器以实现上述的要求。
相应地，在一个方案中，本发明包括一种用于控制自由活塞式线性压缩机的电动机的冲程以便最小化或者避免活塞在所述冲程的末端发生碰撞的方法，该方法包括以下步骤监控电动机反电动势，检测所述电动机反电动势的过零点，监控该反电动势的波形在所述过零点附近的斜率，检测波形斜率中的突变点，以及在检测到斜率突变点后，递增式减少电动机的输入功率。
在第二方案中，本发明包括一种自由活塞式线性压缩机的电动机，对其冲程进行控制以便最小化或避免活塞在所述冲程的末端发生碰撞，所述自由活塞式线性压缩机的电动机包括线性电动机，具有绕线定子和协同运作的电枢，其中所述电枢机械耦合到所述活塞；用于监控该定子绕组中的电动机反电动势的装置，用于检测所述电动机的反电动势的过零点的装置，用于确定反电动势波形在所述检测到的过零点附近的斜率的装置，用于确定该反电动势波形斜率的突变点的装置，以及电动机输入功率控制器，其将电流提供至所述定子绕组，并且其具有响应于突变点确定装置的输入，在确定斜率突变点后，所述控制器减少电动机的输入功率。
优选所述斜率监控包括以预定间隔测量并存储反电动势的值，并计算在连续的预定间隔之间的反电动势波形的斜率以生成连续的斜率值。
优选所述斜率监控包括将最新测量的斜率与紧接在前的周期中在相同点所测量的斜率进行比较。
优选所述斜率监控包括将最新测量的斜率与预定数量的紧接在前的周期中在相同点所测量斜率的平均值进行比较。
优选反电动势波形斜率中的突变点是通过连续将每个所述计算的斜率值与预定值进行比较所检测到的，并且如果预定数量的斜率值超过了所述预定值，则表示斜率突变点。
优选检测到的所述反电动势斜率的突变点是在反电动势上升时表示斜率增加和在反电动势下降时表示斜率降低的点。
优选检测到的所述反电动势斜率的突变点是在反电动势下降时表示斜率增加的点。
对于本发明涉及的领域中的熟练技术人员而言，在不背离所附权利要求所限定的本发明的范围的前提下，可以想到本发明在结构上的许多变化和大量不同的实施例和应用。在这里，所述公开和说明书完全是说明性的，其并不意味着要进行任何限制。
本发明包括前面的描述以及以下给出的示例结构。
现在将参照附图描述本发明的实例，其中图1是根据本发明的受控线性压缩机的图示纵截面；图2是压缩机电动机的反电动势与时间的关系曲线；图3是用于短定子电动机的电动机“常数”与活塞轴向位移的关系曲线；图4是本发明的第一实施例中的电动机反电动势与小和最大冲程长度的时间的关系曲线；图5是本发明中使用的碰撞检测避免过程的流程图；图6是采用图5的流程的控制器的方块图；以及图7是本发明的备选实施例中的电动机反电动势与时间的关系曲线。
具体实施例方式
本发明提供一种用于检测由线性电动机驱动的自由活塞往复式压缩机中的活塞头部碰撞的方法。一个这样的类型示于图1。与US4602174所述类型的常规线性电动机相比，该电动机结构的尺寸减小了。以大功率输出的效率轻微降低为代价，减小的尺寸保持在低到中功率输出的高效率。对于家用冰箱中所用的压缩机来说，这是一个可以接受的折衷方案，该家用冰箱在大部分时间内在低至中功率下运行，且在不到20％的时间内以高功率输出运行(这种情况发生在频繁的放入和取出冰箱内的物品期间或者在非常热的天气里)。
尽管下面的说明中参照圆柱形线性电动机描述本发明的各个实施例，但是应该可以理解的是这些方法同样适用于通常的线性电动机，特别也适用于平面线性电动机，例如参见WO 02/35093，其内容包含于此作为参考。本领域技术人员将无需付出特殊努力就可以将此处所述的控制策略应用到任何形式的线性电动机。
图1所示的压缩机包括连接到往复式自由活塞压缩机的永磁线性电动机。汽缸9由压缩机外壳30内的汽缸弹簧14支撑。通过由汽缸内径以及经由弹簧支架25安装的弹簧13所形成的轴承径向地支撑活塞11。该轴承可以由如本领域所公知的多种方法中的任一方法润滑，例如WO 01/29444中所述的气体轴承或者WO 00/26536中所述的含油轴承，这两个专利的内容包含在此作为参考。同样地，本发明适用于可替换的往复系统。尽管下面描述的是带有组合的气弹簧/机械弹簧系统的压缩机，但是本发明的实施例能够使用完全的机械弹簧或完全的气弹簧系统。
活塞11在汽缸9内的往复运动将气体通过吸入管12、通过吸入口26、通过吸入消声器20以及通过阀板21中的吸入阀口24吸入到压缩室28中。然后，压缩气体通过排出阀口23排出，在排出消声器19中静音，并通过排出管18排出。
该压缩机的电动机包括两部分构成的定子5、6和电枢22。产生活塞11的往复运动的力来自于电枢22(通过凸缘7附着于活塞11)中的两个环形径向磁化的永久磁体3、4和气隙33中的磁场(由定子6和线圈1、2感应出)的相互作用。
图1示出该压缩机的电动机的两种线圈方案，在线圈1中有电流流动，其产生沿定子6的内部轴向流动的磁通量，该磁通量径向向外通过端部定子齿32，穿过气隙33，然后进入护铁5。然后，其在径向向内流动穿过气隙33和返回进入定子6的中心齿34之前，轴向流动一短距离27。第二线圈2产生一磁通量，该磁通量径向流入并经过中心齿34，以一短距离29轴向穿过气隙，并向外经过气隙33进入端齿35。如果磁体3的磁化具有的极性与另一个磁体4的极性相反，那么从定子齿32穿过气隙33的磁通量在径向磁化磁体3、4上感应一轴向力。可以理解，除护铁5之外，同样可以将另一组线圈置于磁体的相对侧。
线圈1和2中的振荡电流(不一定是正弦曲线)在磁体3、4上产生振荡力，当振荡频率接近于该机械系统的固有频率时，该振动力将使得该磁体和定子基本上作最有效率的相对运动。该固有频率由弹簧13、14的刚性以及汽缸9和定子6的质量决定。磁体3、4上的振荡力在定子部分上产生了反作用力。因此，必须利用粘合剂、冷缩配合或者夹具等将定子6刚性附着到汽缸9。护铁被夹持或者粘合在定子安装架17上。定子安装架17被刚性地连接到汽缸9上。
实验已经证实当以压缩机的压缩机活塞-弹簧系统的固有频率进行驱动时，自由活塞压缩机的效率最高。然而，除有意提供的金属弹簧外，还存在一种固有的气弹簧，在冰箱压缩机的情况下，其有效弹簧常数随着蒸发器或者冷凝器压力的变化而变化。已经介绍的电子换向永磁电动机是利用下述技术控制的，这些技术包括例如来源于在电子换向永磁电动机(如WO 01/79671所公开)方面的经验，将其内容并入此处作为参考。
当如WO 01/79671所描述的那样来控制线性电动机时，压缩机输入功率增大到使得活塞(11，图1)的冲程导致活塞与汽缸(9，图1)发生碰撞的水平是可能的。
本发明利用电动机反电动势波形的形状来检测这种碰撞的开始或者甚至检测什么时候将发生碰撞。
当检测到碰撞时，电动机电流的幅值减小。电流的减小量和由此输入到电动机的功率呈递增式减小。一旦碰撞停止，电流值将在一段时间内慢慢地增加到先前的值。优选地，该时间段大约为1小时。可选择地，电流将保持减小，直到系统变量显著变化为止。在WO01/79671中的系统被用作主电流控制器算法的实施例中，该系统的变化可以通过有序的(ordered)最大电流的变化来监控。在此情况下，其将响应于频率或者蒸发器温度的变化。在本发明的优选应用中，设计将WO 01/79671的算法与提供监督作用的本发明一起使用，这将导致得到优于现有技术的容积效率。
现在将参照图2和3来简要描述本发明所依存的物理现象。
当以速度v移动的活塞撞击汽缸盖(假定它由相同的材料制成)时，传送幅值为σi的弹性应力波，其中该数值幅值σi由下式确定σi=v·ρi·E]]>在式中，ρi和E分别是活塞气缸材料的密度和杨氏模量。
该应力σi作用于接触区域，Ai是时间的长度，由应力波传播活塞的长度以及其在远端反射后返回所需要的时间决定。因此存在作用于活塞的力Fi，其在合理的时间内由Fi＝σi·Ai给出。
由于线性压缩机的活塞杆上的力一定平衡，则m·α+c·v+k·x+P·A+Fi＝0在式中，m是活塞的质量c是粘滞阻力系数k是弹簧刚度α是活塞加速度x是活塞的位置P是压力以及AP是活塞面积可以对其重新排列以给出加速度α=-Fi+k·x+c·v+P·Akm]]>因此，碰撞力Fi显著地增加了该活塞的减速，并且这反映在反电动势与时间的关系曲线的形状中，即图2所示的斜率的突然变化。
常规的线性电动机被设计为使得在反电动势和速度之间存在线性关系，即emf＝α·v相反，优选形式的电动机(在WO 00/79671中公开)的“短定子”的结构具有以下设计α的值随位置的变化而变化，即emf＝f(x)·v如果该电动机设计为在函数f(x)中存在″弯折点″或者突变点，如图3上的箭头所示，该弯折点将在更大冲程处的反电动势曲线中出现。图4示出在冲程从12mm增加到14mm时、图3的弯折点对反电动势曲线的影响。
在备选实施例(参见图7)中，该弯折点还可以通过增加与该绕组串联的感应线圈而获得。该线圈仅在电动机电枢上的永久磁体接近它时才生成电动势。该磁体可以特别用于该目的或者其也可以是现有磁体中的一个。正好在如图7所示的过零点之前，该电动势加到由主绕组产生的电动势上。
图5以流程图形式示出了一种方法，其用于确定电动机的定子绕组所感应的反电动势中的弯折点或者突变点并且用于随后控制该电动机的输入功率以避免活塞碰撞。实际上，使用可编程微处理器执行该控制方法是方便的。图5的流程图示出该处理器程序的基本逻辑。
图6以方块图形式示出采用本发明的电动机和控制系统。将本发明的功能封装在方块101内，其提供输入至电动机输入功率调节装置102，该电动机输入功率调节装置102主要由WO 01/79671中公开的算法而控制。本发明的电动机控制仅仅在计算指示出活塞的碰撞或者即将碰撞时才不考虑该基本的电动机控制算法。
将数字化的反电动势信号施加到微处理器103的输入端，并且在110，该程序确定反电动势波形为零或者相应周期值的时间。如果检测到过零点，则在111判断在该过零事件后是否已经过去足够的时间段。在优选实施例中，该时间段为100微秒。否则，则在112测量并存储该反电动势的值。在113，如果已经过去了100多微秒，那么已经收集了足够的数据来计算该反电动势曲线在该100微秒时间段的斜率。然后，在114，执行程序以判断在测量的斜率值中是否存在任何的突变点。也就是说，如果在预定数量的连续的100微秒周期中该斜率偏离由吸入和排出压力(或者与诸如蒸发温度和频率之类的这些参数很相关的变量)所确定的值，则可以确定突变点。由于这表示活塞碰撞，因此将信号发送到功率控制器102以减小输入功率，并由此减小该电动机电枢和活塞的冲程以减少碰撞的电势。电动机输入功率将被递增式减小，并且在该斜率突变点判断程序停止以指示斜率突变点之前，在一些情况下可能发生所述过程的多次反复，并且判断步骤115禁止到电动机输入功率控制器的另外信号。
通过上述二次控制装置并通过采用用于压缩机的、具有“短定子”结构或者先前提到的感应线圈技术的电动机设计，可以减少活塞与压缩气缸盖的碰撞并且避免损坏。
还可以理解的是，本发明同样可以适用于一系列应用。在任何自由活塞式往复线性电动机中都需要限制或者控制往复的最大幅值。为了应用本发明，该系统需要回复力，例如引起往复的弹簧系统或者重力，以及机械或电气系统的一些变化，在往复达到特定幅值时，其使电气往复周期变化。
权利要求
1.一种用于控制自由活塞式线性压缩机的电动机的冲程以便最小化或者避免活塞在所述冲程的末端发生碰撞的方法，其特征在于监控电动机反电动势，检测所述电动机反电动势的过零点，监控所述反电动势波形在所述过零点附近的斜率，检测波形斜率中的突变点，以及在检测到斜率突变点后，递增式减小电动机的输入功率。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述斜率监控包括以预定间隔测量并存储所述反电动势的值，并且计算在连续的预定间隔之间的所述反电动势波形的斜率以生成连续的斜率值。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述斜率监控包括将最新测量的斜率与紧接在前的周期中在相同点所测量的斜率进行比较。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述斜率监控包括将最新测量的斜率与预定数量的紧接在前的周期中在相同点所测量斜率的平均值进行比较。
5.根据权利要求2所述的方法，其中反电动势波形斜率中的突变点是通过连续将每个所述计算的斜率值与预定值进行比较而检测到的，并且如果预定数量的斜率值超过了所述预定值，则表示斜率突变点。
6.根据权利要求1所述的方法，其中检测到的反电动势斜率突变点是在反电动势上升时表示斜率增加和在反电动势下降时表示斜率降低的点。
7.根据权利要求1所述的方法，其中检测到的反电动势斜率突变点是在反电动势下降时表示斜率增加的点。
8.一种自由活塞式线性压缩机的电动机，对其冲程进行控制以便最小化或者避免活塞在所述冲程的末端发生碰撞，所述自由活塞式线性压缩机的电动机包括线性电动机，具有绕线定子和协同运作的电枢，其中所述电枢机械耦合到所述活塞，并且其特征在于用于监控所述定子绕组中的电动机反电动势的装置，用于检测所述电动机反电动势的过零点的装置，用于确定所述反电动势波形在所述检测到的过零点附近的斜率的装置，用于确定所述反电动势波形斜率中的突变点的装置，以及电动机输入功率控制器，其将电流提供至所述定子绕组，并且其具有响应于突变点确定装置的输入，在确定斜率突变点后，所述控制器减小电动机的输入功率。
9.根据权利要求8所述的电动机，包括程序控制处理器，其提供用于确定斜率和斜率突变点的装置，并且被编程为以预定间隔测量并存储所述反电动势的值，并计算在连续的预定间隔之间的所述反电动势波形的斜率以生成连续的斜率值。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述程序连续将所述计算的斜率值的每一个与预定值进行比较，并且如果预定数量的斜率值超过了所述预定值，则表示斜率突变点。
11.根据权利要求8所述的方法，其中所述程序指示反电动势斜率突变点，该反电动势斜率突变点在反电动势上升时表示斜率增加，而在反电动势下降时表示斜率降低。
12.根据权利要求8所述的方法，其中所述程序指示检测到的反电动势斜率突变点是在反电动势下降时表示斜率增加的点。
全文摘要
一种用于检测自由活塞式线性压缩机的电动机中的活塞碰撞的无传感器的方法和装置。分析该电动机定子绕组所感应的反电动势的波形来得到以反电动势过零点为中心的时间窗口中的斜率突变点及其他失常。波形斜率的非自然信号表示活塞碰撞并使电动机功率响应性减少。
文档编号H02K33/00GK101065578SQ200580039157
公开日2007年10月31日 申请日期2005年9月9日 优先权日2004年10月1日
发明者伊恩·坎贝尔·麦吉尔, 田庄 申请人:菲舍尔和佩克尔应用有限公司