CN101427457A - 线性压缩机的驱动控制设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种控制往复式压缩机运行的设备，包括：控制单元，用于当TDC被检测作为冲程与电流之间相位差的拐点时，检测活塞的当前推动量，将所述当前推动量与推动量参考值进行比较，并基于比较结果向线性马达提供DC电压。向线性马达提供AC电压和DC电压以增加冲程，当检测到TDC时，计算当前推动量并将其与推动量参考值进行比较，然后基于比较结果改变提供给线性马达的DC电压或DC电流，从而不需要活塞碰撞就获得最大压缩体积。

Description

线性压缩机的驱动控制设备和方法

技术领域

本发明涉及一种压缩机，尤其涉及一种控制往复式压缩机运行的设备和方法。

背景技术

通常，通过在设置在往复式压缩机内的汽缸中往复地、线性地移动活塞来抽吸、压缩和排放制冷剂气体来运行往复式压缩机。

根据驱动活塞的方式，往复式压缩机分为利用往复方法的压缩机和利用线性方法的压缩机。

在利用往复方法的压缩机中，曲柄轴连接旋转马达，活塞连接曲柄轴，以便将旋转马达的旋转力改变为往复运动。

在利用线性方法的压缩机中，连接线性马达致动器的活塞线性地移动。

利用线性方法的往复式压缩机不具有将旋转运动变为线性运动这样的曲柄轴，也就没有因曲柄轴而造成的摩擦损耗，因此与普通压缩机相比，它的压缩效率更高。

往复式压缩机可用于冰箱或空调，通过改变输入往复式压缩机马达的电压可以改变往复式压缩机的压缩比，而通过改变往复式压缩机的压缩比可以控制冰箱或空调的冷却能力。

因此，当往复式压缩机用于冰箱或空调时，通过改变输入往复式压缩机的冲程电压可以改变往复式压缩机的压缩比，而通过改变往复式压缩机的压缩比可以控制冷却能力。这里，冲程指的是活塞的上死点(top dead center)与下死点(bottom dead center)之间的距离。

下面参照图1描述根据现有技术的往复式压缩机。

图1是示出控制往复式压缩机运行的设备的结构的示意性方框图。

如图1所示，控制往复式压缩机运行的现有技术设备包括：电流检测单元4，用于检测提供给往复式压缩机6的马达(未示出)的电流；电压检测单元3，用于检测提供给马达的电压；冲程计算单元5，用于基于检测到的电流和电压值以及马达参数来计算往复式压缩机6的冲程估计值；比较单元1，用于对计算得到的冲程估计值与预设的冲程参考值进行比较并根据比较结果输出差值；以及冲程控制单元2，用于根据所述差值，通过控制与马达串联连接的三端双向可控硅开关元件(未示出)的导通周期，改变提供给马达的电压，从而控制压缩机6的运行(冲程)。

下面参照图1描述控制往复式压缩机运行的设备的运行。

首先，电流检测单元4检测提供给压缩机6的马达(未示出)的电流，并将检测到的电流值输出到冲程计算单元5。

此时，电压检测单元3检测提供给马达的电压，并将检测到的电压值输出到冲程计算单元5。

冲程计算单元5将检测到的电流和电压值以及马达的参数代入下面所示的方程式(1)，计算压缩机的冲程估计值(X)，并将计算得到的冲程估计值(X)提供给比较单元1：

$X=\frac{1}{\mathrm{\α}}\∫(V_M-\mathrm{Ri}-L\stackrel{\‾}{i})\mathrm{dt}............\left(1\right)$

其中“R”是马达电阻值，“L”是马达电感值，α是马达常数，V_M是提供给马达的电压值，“i”是提供给马达的电流值，“i”是提供给马达的电流的时间变化率。也就是说，“i”是“i”的(di/dt)微分值。

然后，比较单元1对冲程估计值与冲程参考值进行比较，并根据比较结果将差值提供给冲程控制单元2。

冲程控制单元2基于所述差值，通过改变提供给压缩机6的马达的电压，来控制压缩机6的冲程。

下面参照图2描述该运行。

图2是示出根据现有技术，控制往复式压缩机运行的方法的过程的流程图。

首先，当冲程计算单元5将冲程估计值提供给比较单元1(步骤S1)时，比较单元1对冲程估计值与预设的冲程参考值进行比较(步骤S2)，并根据比较结果将差值输出到冲程控制单元2。

如果冲程估计值小于冲程参考值，则冲程控制单元2增加提供给马达的电压，以控制压缩机的冲程(步骤S3)，如果冲程估计值大于冲程参考值，则冲程控制单元2减少提供给马达的电压(步骤S4)。

当提供给马达的电压增加或减少时，与马达电连接的三端双向可控硅开关元件(未示出)控制导通周期并将电压提供给马达。

冲程参考值根据往复式压缩机负载的大小而不同。也就是说，如果负载大，则增加冲程参考值，不减少活塞的冲程，防止冷却能力的下降。相反，如果负载小，则减少冲程参考值，不增加活塞的冲程，防止冷却能力的提高，并防止活塞与汽缸由于过量冲程(过冲程)产生的碰撞。

图3是示出控制现有技术往复式压缩机的上死点(TDC)的过程的流程图。冲程控制单元2增加输入电流，并检查当前冲程是否是TDC＝0。如果当前冲程是TDC＝0，则冲程控制单元2保持当前输入电流不变。

如果当前冲程不是TDC＝0，则冲程控制单元2检查冲程是否小于TDC＝0。

如果冲程小于TDC＝0，则冲程控制单元2继续增加输入电流，如果冲程大于TDC＝0，则冲程控制单元2减少输入电流。

这里，TDC指的是完成活塞的压缩冲程时活塞的位置。

下死点(BDC)是完成活塞的抽吸冲程时活塞的位置。

在TDC为0的位置往复式压缩机的效率最大化，所以在控制往复式压缩机的运行时，控制活塞到达TDC为0的位置。

在这种情况下，往复式压缩机要求特殊的负载条件，即最大压缩体积。

但是，如果气体的弹簧常数小，则因为活塞的推动量小，所以没有活塞的碰撞往复式压缩机就不能运行为最大冲程。也就是说，往复式压缩机不能在最大压缩体积下运行。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种控制往复式压缩机运行的设备和方法，通过这种设备和方法，向线性马达提供AC电压和DC电压，来增加冲程，并且当检测到上死点(TDC)时，计算当前推动量并将其与推动量参考值相比较，基于比较结果改变提供给线性马达的DC电压或DC电流，从而不需要活塞碰撞就稳定地获得最大压缩体积。

为了实现这些和其它优点并符合本发明目的，如这里具体实施并广泛描述的，提供一种控制往复式压缩机运行的设备，包括：控制单元，用于当上死点(TDC)被检测作为冲程与电流之间相位差的拐点时，检测活塞的当前推动量，将所述当前推动量与推动量参考值进行比较，并基于比较结果向线性马达提供DC电压。

为了实现上述目的，提供一种控制往复式压缩机运行的设备，包括：控制单元，用于当TDC被检测作为冲程与电流之间相位差的拐点时，检测活塞的当前推动量，将所述当前推动量与推动量参考值进行比较，并基于比较结果输出用于改变提供给线性马达的DC电压的控制信号，以及输出用于改变所述冲程的冲程控制信号；第一比较单元，用于根据所述控制信号将DC电压参考电压与当前输入的DC电压进行比较，并基于比较结果输出DC电压校正信号；脉冲宽度调制(PWM)控制单元，用于输出用于改变所述DC电压PWM控制信号；以及逆变器，用于根据所述PWM控制信号改变提供给所述线性马达的所述DC电压。

为了实现上述目的，提供一种控制往复式压缩机运行的方法，包括以下步骤：根据负载大小，增加通过将提供给线性马达的AC电压和DC电压相加而获得的电压，来增加冲程；利用提供给所述线性马达的电流和当前冲程，检测上死点(TDC)；当检测到所述TDC时，保持提供给所述线性马达的所述当前AC电压；检测当前冲程并且利用检测到的冲程计算推动量；以及将所述推动量与推动量参考值进行比较，并基于比较结果改变提供给所述线性马达的所述DC电压。

根据本发明的以下详细描述并结合附图，本发明的上述和其它目的、特点、方案和优点将变得更加明显。

附图说明

所包括的附图提供对本发明的进一步理解，合并在说明书中构成说明书的一部分，其示出本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

附图中：

图1是示出根据现有技术，控制往复式压缩机运行的设备的结构的示意性方框图；

图2是示出根据现有技术，控制往复式压缩机运行的方法的过程的流程图；

图3是示出根据现有技术，控制往复式压缩机的TDC的过程的流程图；

图4是示出往复式压缩机中负载与推动量的关系的示意图；

图5是示出根据本发明，控制往复式压缩机运行的设备的结构的示意性方框图；以及

图6是示出控制往复式压缩机运行的方法的过程的流程图。

具体实施方式

下面描述根据本发明优选实施例的、控制往复式压缩机运行的设备和方法，通过这种设备和方法，向线性马达提供AC电压和DC电压来增加冲程，并且当检测到上死点(TDC)时，计算当前推动量并将其与推动量参考值相比较，基于比较结果改变提供给线性马达的DC电压或DC电流，从而不需要活塞碰撞就稳定地获得最大压缩体积。

在控制往复式压缩机运行的设备和方法中，本发明认为，如图4所示，因为推动量与负载大小成比例地增加，所以在不需要活塞碰撞的情况下，通过用DC电压或DC电流来补偿推动量，就能够获得最大压缩体积。

图5是示出根据本发明，控制往复式压缩机运行的设备的结构的示意性方框图。

如图5所示，控制往复式压缩机运行的设备包括：电压检测单元100、电流检测单元110、冲程检测单元120、控制单元130、第一和第二比较单元160和170、推动量参考值确定单元140、冲程参考值确定单元150、脉冲宽度调制(PWM)控制单元180、逆变器190以及电源单元200。

电流检测单元110检测往复式压缩机的马达的电流，电压检测单元100检测提供给往复式压缩机的电压。

冲程检测单元120利用检测到的电流和电压计算冲程。

当TDC被检测为冲程与电流之间相位差的拐点时，控制单元130检测活塞的当前推动量，将该推动量与推动量参考值进行比较，并基于比较结果改变提供给线性马达的DC电压。

也就是说，当前推动量与推动量参考值相同时，控制单元130将提供给线性马达的DC电压保持不变；当前推动量小于推动量参考值时，控制单元130增加提供给线性马达的DC电压；当前推动量大于推动量参考值时，控制单元130减少提供给线性马达的DC电压。

在这种情况下，控制单元130能够通过下面所示的方程式检测推动量：

推动量＝冲程/2-活塞的初始位置其中活塞的初始位置是当它设计为没有负载时的初始位置。

或者，控制单元能够根据不同方法检测TDC。也就是说，控制单元能够通过检测往复式压缩机的机械公式中使用的阻尼系数的拐点来检测TDC，或者通过检测气体弹簧常数的拐点来检测TDC。

此外，控制单元130根据负载输出用于改变冲程参考值的冲程控制信号和用于改变推动量参考值的推动量控制信号。

冲程参考值确定单元150根据冲程控制信号确定冲程参考值。

推动量参考值确定单元150根据推动量控制信号确定推动量参考值。

在这种情况下，控制单元包括存储单元(未示出)，用于根据实验预先确定并存储每种负载的推动量参考值，只要负载变化，控制单元就控制选择与相应负载对应的推动量参考值。

第一比较单元160将冲程参考值与当前冲程进行比较并基于比较结果输出冲程校正信号。

第二比较单元170将推动量参考值与推动量进行比较并基于比较结果输出推动量校正信号。

PWM控制单元180输出用于改变提供给线性马达的DC电压或DC电流的PWM控制信号，并输出用于根据冲程校正信号改变冲程的PWM控制信号。

这里，PWM控制信号包括PWM占空比改变信号和PWM周期改变信号。根据PWM占空比改变信号来改变提供给线性马达的DC电压或DC电流。

推动量参考值小于检测到的推动量时，增加PWM占空比，而推动量参考值大于检测到的推动量时，减少PWM占空比。

逆变器190根据PWM控制信号改变提供给线性马达的DC电压或DC电流，并改变提供给线性马达的AC电压或AC电流。

也就是说，通过PWM控制信号来控制逆变器190的开关元件的ON/OFF时间，改变从电源单元200输出的输入电流(AC电流+DC电流)或输入电压(AC电压+DC电压)并提供给线性马达。

这里，电源单元200通过对通用AC电源进行整流和平滑，产生均匀的DC电压。

下面参照图6描述本发明的运行。

首先，假定通过DC电压到AC电压获得的电压被提供给线性马达以改变冲程。

在这种状态下，电流检测单元110检测提供给往复式压缩机的马达的AC电流，电压检测单元100检测往复式压缩机的马达的AC电压。

接着，冲程检测单元120利用检测到的AC电流和检测到的AC电压来计算冲程。

这里，本发明中控制单元130通过控制提供给线性马达的AC电压和DC电压来增加冲程(SP11)，检测TDC作为冲程与AC电流之间的相位差的拐点(SP12)，并基于TDC检测结果改变提供给线性马达的AC电压。

这里，TDC在物理上指的是完成活塞的压缩冲程时的冲程。

因为在TDC为零(TDC＝0)的位置处往复式压缩机的效率最佳，所以控制往复式压缩机的运行使得活塞定位在TDC＝0的点。本发明中，TDC＝0的点称作TDC。

也就是说，控制单元130根据负载，通过增加提供给线性马达的AC电压和DC电压来增加冲程(SP11)。

例如，控制单元130根据负载，输出用于改变冲程的冲程控制信号以及推动量控制信号。

因此，冲程参考值确定单元150根据冲程控制信号确定冲程参考值，推动量参考值确定单元140根据推动量控制信号确定推动量参考值。

之后，第一比较单元160将冲程参考值与当前冲程进行比较并基于比较结果输出冲程校正信号，第二比较单元170将推动量参考值与推动量进行比较并基于比较结果输出推动量校正信号。

因此，PWM控制单元180基于冲程校正信号和推动量校正信号，输出PWM控制信号，逆变器230根据PWM控制信号改变提供给线性马达的AC电压和DC电压(SP11)。

然后，控制单元130检查当前冲程是否是TDC(SP12)。如果当前冲程与TDC不同，则控制单元130检查冲程是否小于TDC(SP15)。如果当前冲程小于TDC，则控制单元130继续增加当前输入到线性马达的AC电压。

如果当前冲程大于TDC，则控制单元130减少当前输入到线性马达的AC电压。

如果当前冲程等于TDC，则控制单元130保持提供给线性马达的AC电压不变(SP13)，检测冲程(SP14)，计算推动量(SP18)，并检查计算得到的推动量是否与推动量参考值相同(SP19)。

如果推动量与推动量参考值相同，则控制单元130保持提供给线性马达的DC电压不变(SP20)。如果推动量与推动量参考值不同，则控制单元130检查推动量是否小于推动量参考值(SP21)。

如果推动量小于推动量参考值，则控制单元130增加当前输入到线性马达的DC电压(SP22)，如果推动量大于推动量参考值，则控制单元130减少当前输入到线性马达的DC电压(SP23)。

也就是说在往复式压缩机中，向线性马达提供AC电压和DC电压以增加冲程，当检测到TDC时，计算当前推动量并将其与推动量参考值进行比较，然后基于比较结果改变提供给线性马达的DC电压，从而获得最大压缩体积。

或者在不同的实施例中，在往复式压缩机中，向线性马达提供AC电流或DC电流以增加冲程，当检测到TDC时，计算当前推动量并将其与推动量参考值进行比较，然后基于比较结果改变提供给线性马达的DC电流，从而获得最大压缩体积。

如上所述，根据本发明的控制往复式压缩机运行的设备和方法优点如下。

即，向线性马达提供AC电压和DC电压、或者AC电流或DC电流以增加冲程，当检测到TDC时，计算当前推动量并利用计算得到的推动量改变提供给线性马达的DC电压或DC电流。因此，不需要活塞碰撞就能够稳定地获得最大压缩体积。

因为本发明可以实施为多种形式而不会脱离其精神或实质特征，所以应当理解除非另有指定，上述实施例不受上述描述的任何细节所限制，而是应当在所附权利要求书限定的精神和范围内宽泛地解释，因此落入权利要求书界限和边界或这种界限和边界的等同物内的所有改型和变型都将涵盖在所附权利要求书中。

Claims (20)

1、一种控制往复式压缩机运行的设备，包括：

控制单元，当上死点(TDC)被检测为冲程与电流之间的相位差的拐点时，所述控制单元用于检测活塞的当前推动量，将所述当前推动量与推动量参考值进行比较，并基于比较结果向线性马达提供DC电压。

2、如权利要求1所述的设备，其中，当所述当前推动量与所述推动量参考值相同时，所述控制单元保持提供给所述线性马达的所述DC电压不变。

3、如权利要求1所述的设备，其中，当所述当前推动量小于所述推动量参考值时，所述控制单元增加提供给所述线性马达的所述DC电压。

4、如权利要求1所述的设备，其中，当所述当前推动量大于所述推动量参考值时，所述控制单元减少提供给所述线性马达的DC电压。

5、如权利要求1所述的设备，其中，所述控制单元根据以下方程式检测所述推动量：

推动量＝冲程/2-活塞的初始位置

其中所述活塞的初始位置是当没有负载时为其设计的初始位置。

6、一种控制往复式压缩机运行的设备，包括：

控制单元，当TDC被检测为冲程与电流之间的相位差的拐点时，所述控制单元用于检测活塞的当前推动量，将所述当前推动量与推动量参考值进行比较，并基于比较结果输出用于改变提供给线性马达的DC电压的控制信号，以及输出用于改变所述冲程的冲程控制信号；

第一比较单元，用于根据所述控制信号将DC电压参考电压与当前输入的DC电压进行比较，并基于所述比较的结果输出DC电压校正信号；

脉冲宽度调制(PWM)控制单元，用于输出PWM控制信号以改变所述DC电压；以及

逆变器，用于根据所述PWM控制信号改变提供给所述线性马达的所述DC电压。

7、如权利要求6所述的设备，其中，当所述当前推动量与所述推动量参考值相同时，所述控制单元保持提供给所述线性马达的所述DC电压不变。

8、如权利要求6所述的设备，其中，当所述当前推动量小于所述推动量参考值时，所述控制单元增加提供给所述线性马达的DC电压。

9、如权利要求6所述的设备，其中，当所述当前推动量大于所述推动量参考值时，所述控制单元减少提供给所述线性马达的DC电压。

10、如权利要求6所述的设备，其中，所述控制单元根据以下方程式检测所述推动量：

推动量＝冲程/2-活塞的初始位置

其中所述活塞的初始位置是当没有负载时为其设计的初始位置。

11、如权利要求6所述的设备，其中，所述控制单元根据负载大小输出用于改变冲程控制信号的推动量控制信号以及用于改变推动量参考值的推动量控制信号，所述冲程控制信号用于改变冲程参考值。

12、如权利要求6所述的设备，还包括：

冲程参考值确定单元，用于根据所述冲程控制信号确定所述冲程参考值；以及

推动量参考值确定单元，用于根据所述负载确定推动量参考值。

13、如权利要求6所述的设备，还包括：

第二比较单元，用于将所述冲程参考值与当前冲程进行比较，并基于所述比较的结果输出冲程校正信号。

14、如权利要求6所述的设备，其中，所述PWM控制单元输出用于根据所述冲程校正信号改变所述冲程的所述PWM控制信号。

15、一种控制往复式压缩机运行的方法，包括：

根据负载大小，增加通过将提供给线性马达的AC电压和DC电压相加而获得的电压，从而增加冲程；

利用提供给所述线性马达的电流和当前冲程，检测上死点(TDC)；

当检测到所述TDC时，保持提供给所述线性马达的所述当前AC电压；

检测当前冲程，并且利用所检测到的冲程计算推动量；以及

将所述推动量与推动量参考值进行比较，并基于所述比较的结果改变提供给所述线性马达的所述DC电压。

16、如权利要求15所述的方法，其中，改变所述DC电压包括：

当所述当前推动量与所述推动量参考值相同时，保持提供给所述线性马达的所述DC电压不变。

17、如权利要求15所述的方法，其中，改变所述DC电压包括：

当所述当前推动量小于所述推动量参考值时，增加提供给所述线性马达的所述DC电压。

18、如权利要求15所述的方法，其中，改变所述DC电压包括：

当所述当前推动量大于所述推动量参考值时，减少提供给所述线性马达的所述DC电压。

19、如权利要求15所述的方法，其中，计算所述推动量包括：

根据以下方程式计算所述推动量：

推动量＝冲程/2-活塞的初始位置

其中所述活塞的初始位置是当没有负载时为其设计的初始位置。

20、如权利要求15所述的方法，还包括：

根据负载大小设定所述冲程参考值和所述推动量值。

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