CN101248273A - 线性压缩机控制器 - Google Patents

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CN101248273A CNA2006800271844A CN200680027184A CN101248273A CN 101248273 A CN101248273 A CN 101248273A CN A2006800271844 A CNA2006800271844 A CN A2006800271844A CN 200680027184 A CN200680027184 A CN 200680027184A CN 101248273 A CN101248273 A CN 101248273A
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Abstract

一种用于线性压缩机的控制与压缩机的当前固有频率一致地给线性电机通电。控制器监控当前工作频率并将频率与一个或多个外部限制阈值比较。如果运行频率降低到较低阈值以下，控制可以从线性电机除去电力。如果运行频率上升到较高阈值以上，控制可以减小到线性电机的电力。控制使用压缩机运行频率在安全操作范围内操作压缩机。

Description

线性压缩机控制器
技术领域
本发明涉及用于自由活塞线性压缩机的控制系统，并且尤其是，但不只是，涉及用于电冰箱压缩机的控制系统。
背景技术
线性压缩机基于自由活塞工作并需要严格控制冲程幅度，因为冲程幅度不固定(和使用曲柄轴的传统旋转压缩机不同)。对于压缩流体的情况，应用过度的电机电力可以导致活塞与活塞在其中往复运动的气缸的头罩(head gear)相碰撞。
当有意期望以最大电力和高的容积效率运行压缩机时，确保碰撞探测系统不错过碰撞的开始(onset)是非常重要的，因为在此工作模式中它们将有规律并预期地发生，而且，以增大的电力连续碰撞将引起损伤。多个专利，包括US 6536326和US 6812597，描述了探测活塞碰撞的方法。
US 6809434公开了用于自由活塞压缩机的控制系统，该控制系统将电机电力作为进入压缩机的制冷剂的性质的函数进行限制。然而，所述系统需要附加的传感器以感测制冷剂的性质。
现有技术中描述的一些线性压缩机以静态或动态气膜轴承工作，当所放出的压力在最小水平以上时，所述轴承才有效地工作。现有技术中描述的其它线性压缩机具有油润滑系统，所述系统在低电力工作期间可能不会有效地工作。
发明内容
本发明的目的是提供用于自由活塞线性压缩机的控制系统，所述系统防止在一个或多个不期望的模式操作压缩机。
在一方面，本发明在于控制自由活塞线性压缩机的方法，包括步骤：
根据需求负载给所述压缩机通电以便所述压缩机根据系统工作状态以其固有频率往复运动，
监控所述压缩机往复运动的所述频率，以及
当所述往复运动的频率低于最低阈值(floor threshold)时，停止给所述压缩机通电。
在另一方面，本发明在于控制自由活塞线性压缩机的方法，包括步骤：
根据需求负载给所述压缩机通电以便所述压缩机根据系统工作状态以其固有频率往复运动，
监控所述压缩机往复运动的所述频率，以及
当所述往复运动的频率高于最高阈值(ceiling threshold)时，减小施加于所述压缩机的电力。
在另一方面，本发明在于自由活塞气体压缩机，包括：
气缸，
活塞，
所述活塞可在所述气缸内往复运动，
往复运动的线性电机，耦合到所述活塞并具有至少一个激励绕组，
控制器，接收关于压缩机的工作的反馈、提供驱动信号，所述驱动信号用于与压缩机的瞬时固有频率一致地向所述线性电机施加电流，
所述控制器包括用于当压缩机的固有频率降到最低阈值以下时从所述压缩机除去电力的装置。
在另一方面，本发明在于自由活塞气体压缩机，包括：
气缸，
活塞，
所述活塞可在所述气缸内往复运动，
往复运动的线性电机，耦合到所述活塞并具有至少一个激励绕组，控制器，接收关于压缩机的工作的反馈、提供驱动信号，所述驱动信号用于与压缩机的瞬时固有频率一致地向所述线性电机施加电流，
所述控制器包括用于当压缩机的固有频率上升到最高阈值以上时降低给所述压缩机电力的装置。
对本领域技术人员，本发明的构造中许多变化和大不相同的实施例和应用将暗示它们自身而不脱离所附权利要求中规定的本发明的范围。这里的公开和描述纯粹为示例性的而不是任何意义上的限制。
附图说明
现在将参照附图描述本发明的一个优选形式。
图1是根据本发明控制的线性压缩机的纵轴截面；
图2以框图形式示出电冰箱控制系统；
图3示出使用利用从压缩机电机反EMF时控的开关(switching)进行电子整流的基本线性压缩机控制系统；
图4示出采取活塞碰撞防止措施的图3的控制系统；
图5示出采取活塞碰撞探测算法的图3的控制系统；
图6示出采取图4的活塞碰撞防止措施和图5的活塞碰撞探测措施的图3的控制系统；
图7示出由压缩机控制器驱动的以给线性电机的绕组通电的电源桥的示例；
图8示出使用运行频率阈值的根据本发明的附加控制系统选项；
图9是示例用于实施图8的控制系统选项的独立控制程序的流程图；
图10是示例用于实施图8的控制系统选项的子程序控制程序的流程图。
具体实施方式
本发明涉及控制由线性电机供给电力的自由活塞往复运动压缩机。典型的但不排它的应用是在电冰箱中。
控制器提供驱动信号，驱动信号用于与压缩机的瞬时固有频率一致地向所述线性电机施加电流。控制器监控主(prevailing)频率并且如果频率高于较高阈值则减小电力，或者如果频率降到较低阈值以下则关断压缩机，或者两者都发生。
仅通过示例的方式，并为了提供背景，图1中示出了可以根据本发明来控制的自由活塞线性压缩机。
用于气体压缩制冷系统的压缩机包括支撑于外壳2内部的线性压缩机1。典型地外壳2被气密地封闭并包括气体入口3和被压缩的气体出口4。未被压缩的气体在环绕压缩机1的外壳内部流动。这些未被压缩的气体在进气冲程期间被引入压缩机、在压缩冲程中在活塞顶(crown)14和阀板5之间被压缩并被通过排出阀6排入压缩气体管道7。压缩气体通过柔性管8退出管道7到外壳中的出口4。为了减小排出管8的刚度影响，所述管优选地设置为横切压缩机的往复运动的轴的环或螺旋。到压缩空间的吸入可以通过盖(head)、吸入管道13以及吸入阀29。
一般地说，示出的压缩机1具有由主弹簧连接的气缸部分和活塞部分。气缸部分包括气缸外壳10、气缸盖11、阀板5和气缸12。远离盖11的气缸部分的端部18相对气缸部分设置主弹簧。主弹簧可以形成为如图1中所示的圆弹簧19和板弹簧20的组合。活塞部分包括具有侧壁24和顶14的空心活塞22。
压缩机电机与压缩机结构整体地成形。气缸部分包括电机定子15。联合行动的线性电机转子17通过杆26和支撑体30连接到活塞。线性电机转子17包括被磁化的永磁材料(比如是铁氧体或钕)体以提供横切气缸衬垫内的活塞的往复运动的轴的取向的一个或多个极。远离活塞22的转子支撑体30的端部32与主弹簧连接。
线性压缩机1在外壳2内部设置在多个悬挂弹簧上以将其与外壳隔离。使用中，线性压缩机气缸部分将振荡，但是如果与气缸部分相比活塞制得非常轻，则与活塞部分和气缸部分之间的相对往复运动相比，气缸部分的振荡是小的。
不必是正弦的定子绕组中的交变电流在转子磁体17上产生力使得转子和定子实质上相对运动(如果振荡频率接近机械系统的固有频率)。初始固有频率由弹簧19的刚性、以及转子15和气缸10的质量决定。
然而，与弹簧19一样，存在内在的气体弹簧，在制冷压缩机的情况下，其有效弹簧常数随蒸发器或冷凝器压力(和温度)的变化而变化。在US 6809434中已描述了向定子绕组施加电流、并从而施加驱电力、考虑此的控制系统，这里参考并入了其内容。US 6809434还描述了用于基于频率和蒸发器温度限制最大电机电力以最小化活塞气缸盖碰撞的系统。
优选但不必须地，本发明的控制系统结合US 6809434中公开的控制系统工作。
为了提供本发明中的线性压缩机控制系统的背景，图2中示出了用于电冰箱的基本控制系统。
本发明的控制改进在于压缩机控制器207内部。
压缩机控制器207从电冰箱控制器210接收需求信号216。电冰箱控制器210从用户接口212接收用户设置输入、以及接收一个或多个传感器输入，包括例如线214上的机壳温度传感器输入。其它输入可以包括来自附加的机壳隔间中的温度传感器的输入、来自门打开和关闭传感器的输入以及来自蒸发器温度或压力传感器的输入。从这些输入，电冰箱控制器产生需求信号216。
需求信号216可能仅需要压缩机根据选定组模式中的一个工作，该组可以被限定为开或关，或可以包括附加的最大设置，或可以包括较宽系列的可能的压缩机能力水平(capacity level)。能力水平一般指在给定时段中压缩机从制冷系统的吸入侧向制冷系统的排出侧移动的制冷剂的质量。优选地，需求信号包括范围内的任何值，对于压缩机控制器，其可以与来自在一端没有操作和在另一端为开放端的变化对应。需求信号可以是模拟信号，例如变化的电压电平或变化的频率，或数字信号，例如8位输出信号。
压缩机控制器207从电源接收电力，并接收需求信号216。压缩机控制器连接到压缩机组件的电机的绕组220。压缩机控制器根据需求信号216和根据在压缩机控制器中执行的控制程序整流从电源218到压缩机绕组的电力。
本发明的控制系统可以结合图3的基本电机控制系统工作，并且优选地(虽然不是必须地)结合图4的系统、图5的系统或图6的系统工作。
参照图3，可以是已经参照图1描述的类型的线性压缩机的电机103A具有定子绕组，其由从电源开关电路107供给的交变电压通电，电源开关电路107可以采取图7中所示的桥接电路的形式。桥接电路107使用开关装置411和412以整流通过压缩机定子绕组33的反极性电流。定子绕组的另一端连接到两个串联连接的电容的节点，所述电容也跨接于DC电源。
压缩机控制器优选地实施为控制电源开关电路107的工作的被编程的微处理器。
开关电路107主要由通过控制系统微处理器执行的开关算法108控制。微处理器被编程以控制将通过开关算法108施加于电机的电力输入。微处理器可以执行多种功能或使用表格，为解释目的，其中一些示为图3到6的框图中的框。
压缩机活塞的往复运动和频率或其周期由运动探测器109探测，其在优选的实施例中包括监控由往复运动的压缩机转子在压缩机定子绕组中感应的反EMF的过程。这尤其可以包括探测反EMF信号的零相交。给微处理器提供输出信号用于控制电源开关107的开关算法108具有从反EMF零相交信号110中的逻辑转变发起的转换时间。这确保与压缩机的瞬时固有频率同步地给绕组通电，并且往复运动压缩机以好的效率工作。通过控制由电源开关107施加于定子绕组的电流幅度或电流持续时间可以改变压缩机输入电力。还可以使用电源开关的脉冲宽度调制。
图4示出由US 6809434中公开的控制技术增强的图3的基本压缩机控制系统，其通过基于活塞频率和蒸发器温度设置最大电力来最小化正常工作中的活塞/气缸碰撞。将来自蒸发器温度传感器的输出111施加于微处理器输入端中的一个并且通过频率程序112确定活塞频率，频率程序112定时反EMF信号110中的零相交之间的时间。确定的频率和测得的蒸发器温度均用于从最大电力查找表格113选择最大电力，查找表格113设置用于比较器程序114的最大容许的电力Pt。比较器程序114接收表示来自整个电冰箱控制的需要的电力需求的值106作为第二输入。由开关算法108使用比较器程序114以控制开关电流幅度或持续时间。比较器程序114提供输出值P115，其是电冰箱所需的电力Pr和从最大电力表格113容许的电力Pt的最小值。
仅使用参照图4解释的控制原理将使得线性压缩机103A(在激活时)工作于正常工作中，而没有或有最小活塞碰撞。然而，如US6812597中公开的，线性压缩机103A可以在“最大电力模式”运行(其中能够获得比使用图4的控制系统更高的电力)，但是不可避免地会有一些活塞碰撞。现在也将描述促进此模式的控制系统。
参照图5，使用电力算法116，其给到比较程序114的另一输入提供值。通过提供连续增长的值给比较器程序114(其使得开关算法108以斜线增大电源开关电流幅度或持续时间)，电力算法116慢慢地以斜线增大压缩机的输入电力。将电力Pa增加每N个循环或活塞往复运动的增加的值。这种斜线增大持续，直到探测到活塞碰撞。碰撞探测过程117优选地从对在压缩机绕组中感应的反EMF的分析确定并且使用的技术可以是在US专利6812597(其希望突然降低活塞周期)中公开的或是在US专利申请10/880389(其希望模拟反EMF信号的斜率不连续)中公开的。
一旦探测到碰撞，电力算法116使得降低值Pa获得电力降低。电力算法116再次慢慢地以斜线增大值Pa直到探测到另一次碰撞并且重复该过程。
希望的但不是必须的是，结合用于正常工作的控制(其中使用如参照图4描述的碰撞防止)使用描述的高电力控制方法学。图6中示出使用两种技术的控制系统。这里比较程序114接收三个输入：Pr、Pt和Pa。
根据本发明，控制系统包括如图8中示例的另一技术。可以结合图3到6中示例的系统中的任意一个或多个应用此另一技术。根据此技术，压缩机控制器包括根据压缩机运行频率激活的总控制。
图8中示例了此另一控制方面，其给比较程序114提供另一输入值Pc。频率计算器112根据运动探测器程序109的输出计算压缩机的当前工作频率。频率计算器程序112提供此运行频率用于阈值控制160。阈值控制160将瞬时运行频率和频率阈值比较并提供值Pc作为输出。阈值控制160可以将瞬时运行频率与较低频率阈值或较高频率阈值比较。
优选地，阈值控制160将瞬时频率至少与较低频率阈值比较。在这种情况下，较低频率阈值表示低于适合于提供压缩机的安全工作的水平的排出压力。在压缩机以气膜轴承工作并且最小的排出压力对维持气膜轴承的有效工作有用的地方，其情况尤其如此。优选地，为压缩机预确定最小阈值压力并将其存储在压缩机控制器的存储器内。
阈值控制160也可以将频率与较高阈值比较。在此情况下，高频率可以表示冷凝器的温度已变得极度升高。这表示异常的工作状态，比如是由电冰箱门或隔间保持打开引起的异常的电冰箱负载，或者制冷系统的一个或多个部分的故障，比如是冷凝器风扇故障。
在满足较低阈值的每种情况下，阈值控制优选地临时提供停止压缩机的Pc的值，例如设置Pc为零。然而，在超过较高阈值的地方，可以用等于适中的压缩机输出的预定中间水平产生值Pc。
可以对阈值控制编程以对预定的时段提供此减小的(或零)电力设置并对另一预定的时段使其自己失效。当阈值控制失效时，压缩机将根据其它的电力控制算法运行。在此另一预定的时间过去后，阈值控制将再次被激活。
可以在瞬时运行频率操作阈值控制160，但是也可以在提供减小的(或零)电力值之前要求对预定的时段满足阈值频率。所以，例如当压缩机首次激活时，初始工作频率将是低的直到在制冷电路的高压力一侧的压力上升。通过在调整电力值Pc之前要求对预定的时段满足阈值，阈值控制将不会切断到压缩机的电力，直到足够的时间过去，制冷系统达到稳态工作状态。可选地，在压缩机启动后，可以对预定的时段有效地禁止阈值控制。
在超过高阈值的情况下，阈值控制器还可以提供附加输出，例如到制冷系统控制器210。此输出可以警告制冷系统控制器异常的工作状态。通过对在其控制下的一个或多个装置执行测试程序、或通过提供用户警报或故障报告，制冷控制器210可以响应此警告。
图9和10示例用于实施图8的阈值控制160的控制程序选项。图9的控制程序选项实施独立的控制，其可以在分离的微处理器上运行，或作为与单个微计算机中的其它过程并行运行的分离过程实施，或在逻辑电路中实施。图10的过程执行与图9的过程相同的功能，但是作为由较大控制过程间隔地执行的控制子程序。例如可以在也实施图6中示出的系统的最大电力表格113、碰撞探测算法117、电力算法116、频率计算器112和比较器114的完整的控制程序中使用子程序。在任一情况下，能够在硬件或软件或逻辑电路中按系统设计者的期望实施控制系统的元件。此外，功能可以被在多个分离的控制器封装中隔开或被集成在单个的控制器封装中。
现在参照图9，独立控制(standalone control)包括主控制环902，其以电冰箱的需求电力Pr维持输出Pc，除了频率降到预定阈值TL以下或在预定阈值TU以上的情况外。
独立控制在步骤904在压缩机开始工作时启动。控制算法能够在控制器初次加电时启动。过程前进到步骤906并从频率计算器112读取当前运行频率。控制然后前进到决策步骤908。
如果在步骤908控制确定频率f等于零(这表示压缩机没有运行)，则过程前进到步骤910。如果过程在步骤908确定频率f不等于0(这表示压缩机在运行)，则过程前进到步骤912。
如果压缩机前进到步骤910，则过程设置变量t作为当前时间。过程然后前进到步骤912。
在步骤912，过程设置输出值Pc等于电冰箱控制器需求电力Pr。这确保过程不影响比较器114的输出，除非频率f在后面的步骤916或919触发阈值控制。过程然后前进到步骤914。
在步骤914，过程从查找表格分别读取较高和较低阈值TU和TL，然后前进到步骤916。
在决策步骤916，过程确定频率f是否小于较低阈值TL。如果为真，过程前进到步骤918。如果为假，则过程前进到步骤919。
在决策步骤919，过程确定频率f是否大于较高阈值TU。如果为真，则过程前进到步骤920。如果为假，则过程通过环902前进回到步骤906。
如果在步骤916过程确定频率小于阈值，则过程前进到步骤918以确定压缩机是否已经运行了至少15秒钟。这确保不仅仅是因为压缩机仍然在工作的启动阶段所以压缩机运行在阈值频率以下。频率增加到较低阈值频率以上的稳态的时间将取决于特定的压缩机和制冷系统。值15秒仅是作为示例提供。所以，在步骤918过程确定当前时间是否大于变量t加15秒。如果为真，则这表示压缩机不处于启动阶段，所以控制前进到步骤922以调整输出值Pc。如果为假，则假定压缩机目前处于启动阶段，并且控制前进到步骤919。步骤919将不可避免地回答假并且控制将通过环902前进回到步骤906。控制将重复地循环直到频率达到较低阈值TL或时间大于t+15秒。控制将因此防止在压缩机的启动状态期间关断压缩机或将随后在仅仅短的延迟后获得相反的运行状态。当然，延迟时间(示例中为15秒)的选择有点任意并且应当取决于压缩机和被并入的制冷系统。
如果控制过程从步骤918前进到步骤922，则在步骤922过程设置输出Pc为零并且前进到步骤924。因为输出Pc为零，这将不可避免地是(或等于)提供给比较器114的最小值。因此，驱动占空比P将是零且电力将被从压缩机完全除去。
独立控制前进到步骤924并且在前进回到环的起始点之前等待。等待持续时间可以被预定并存储在控制过程中，或可以被从其它运行状态确定，或被从系统的最近历史性能确定。例如，如果在短的时间中重复地执行阈值控制160，则可以延长等待期间。例如阈值控制160可以记录持续时间，因为较低阈值最后被触发，并且在持续时间低于预定值的地方，可以增加等待持续时间(其可以是具有预设值的变量)。优选地，控制步骤将周期地重设持续时间变量。在示出的示例中，控制过程在步骤924等待预定的期间，比如是300秒。对于较低的阈值频率控制，这将象是约最小的有用期间。五分钟将给予电冰箱工作状态时间以增加小的剩余需求，其将容许压缩机在其下一个循环中对至少短的时段在阈值频率TL以上运行。
如果控制过程从步骤919前进到步骤920，这表示压缩机工作于较高阈值TU以上。在那种情况下，阈值控制设置输出值Pc为减小的值，例如作为当前主驱动占空比值P的分数。在示例中Pc是P/2。这将是到比较器114的其它输入(Pr、Pa和Pt)的最小值的一半。控制然后前进到步骤928。
在步骤928，控制过程设置报警变量为真。制冷控制器能够使用这个表示故障，或相反地试图并尽力诊断系统中的故障。制冷控制器可以在数据日志中记录此报警的触发用于以后分析(如果电冰箱发生故障，或是用户服务请求的对象)。控制然后前进到步骤929。
在步骤929，过程在前进回到步骤906之前等待。在步骤929的等待期间设置持续时间，在此持续时间中过程将保持输出值Pc在减小的值。在此持续时间后，在步骤912将值Pc重新设置为值Pr。在步骤929的持续时间，如同在步骤924的持续时间，可以被确定或被通过控制过程调整以解释历史行为。
图10示出作为控制子程序工作的等同过程。到此程度，包括等待时间的环被消除。此外，代替环回到过程的起始点的过程，过程的每个分支终止并返回控制到调用它的过程。因此，子程序是用于以短间隔执行而不是连续独立的过程。参照的变量是稳定的并且保持设置在子程序的迭代之间。
在步骤1000，过程的每个工作示例开始。子程序前进到步骤1020以确定时间是否小于时间变量t2，其是从过程的先前迭代传递的。将可以最近地在步骤1022设置变量t2或将如下描述的在步骤1024或1029将其增加。如果在控制子程序的先前迭代中在步骤1022设置变量t2，则当前时间将大于t2并且子程序将前进到步骤1022。否则，如果先前在步骤1024或步骤1029增加的时间小于300秒，则当前时间将小于t2并且子程序将从步骤1020前进而在步骤1021结束。
当程序前进到步骤1022时，过程从频率计算器112在当前运行频率f中读取并设置变量t2为当前时间。过程然后前进到决策步骤1008。
在步骤1008，根据频率f是否等于零，控制确定压缩机是否正在运行。如果为真，则控制前进到步骤1010并在前进到步骤1012之前设置变量t1等于当前时间。如果为假，过程直接前进到步骤1012。
在步骤1012，过程设置当前输出值Pc等于需求占空比Pr。过程然后前进到步骤1014以从控制表格在较高和较低阈值TU和TL中读取。
过程从步骤1014前进到步骤1016以确定频率是否小于较低阈值TL。如果为真，则过程前进到步骤1018。否则过程前进到步骤1019。
在步骤1019，过程确定频率是否大于较高阈值TU。如果为真，则过程前进到步骤1006。否则，过程前进而在步骤1004结束。如果压缩机在正常的环境范围中工作，则过程将通常前进而在步骤1004结束并且值Pc将跟随值Pr。
当过程从步骤1016前进到步骤1018时，这表示压缩机正工作于阈值频率TL以下。在那种情况下，在步骤1018，过程确定压缩机是否正工作在启动模式并且已经运行了小于预设的期间。例如，在示例过程中，如果当前时间不大于变量t1+15秒，则过程假定压缩机在启动模式中并前进而在步骤1005结束。否则，一旦假定压缩机现在已经以零以上的速度运行了至少15秒并且因此应当已经达到稳定的工作状态，则过程前进到步骤1007。可以根据控制被并入其中的制冷系统的细节改变启动持续时间，取决于预期的达到稳定运行状态的启动时间。
在步骤1007，控制过程设置输出值Pc为零，其将成为由比较器114确定的最小电力并使得控制输出P减小到零并且压缩机将停止。过程然后从步骤1024前进到步骤1007以设置变量t2等于当前时间加300秒。此值将传递到控制子程序的随后迭代并在步骤1020影响子程序的工作。实际上，在控制子程序在随后的尝试中正确地执行之前，这提供300秒的延迟。在此期间，控制过程改为前进而在步骤1021结束。表示的持续时间300秒是示例性的。如图9的实施例，根据子程序运行的最近历史可以调整延迟持续时间，或可以预确定延迟持续时间。过程然后前进而在步骤1031结束。
如果压缩机从步骤1019前进到步骤1006，这表示压缩机正运行于较高阈值TU以上。在那种情况，控制过程在步骤1006设置输出值Pc为减小的水平，例如为主控制值P的一半，使得Pc是控制值Pr、Pa、Pt的最小值的一半。由于步骤1029和1020的操作，此Pc值将持续延迟时间。在步骤1028，控制子程序将为与来自图9的控制的警报相同的目的设置警报。然后，前进到步骤1029，子程序设置变量t2等于当前时间加延迟时间(例如300秒)。再次，可以预定延迟时间，或根据运行状态或最近历史改变延迟时间。过程然后前进而在步骤1030结束。
期望图9和10的详细过程尤其清楚地表示为与图3到6的整个控制结构和策略集成，虽然这些控制策略和过程是优选的并且有益地工作，通过当频率将到较低阈值水平以下时从压缩机除去电力或当频率上升到较高阈值水平以上时减小到压缩机的电力或两者都实施，根据探测的谐振频率控制压缩机的基本原理可应用于广泛变化的控制系统和程序中。
因此，本发明在于控制器，其接收关于压缩机的操作的反馈并且提供驱动信号以与压缩机的瞬时固有频率一致地向线性电机施加电流。压缩机包括用于当压缩机的固有频率降到最低阈值以下时从压缩机除去电力的装置，或当固有频率上升到最低阈值以上时其减小到压缩机的电力，或都实施。这些装置可以包括在软件或硬件中实施的阈值控制算法。
控制器可以包括用于获取活塞的往复运动周期的指示性测量的装置，并且用于除去电力的装置可以包括比较器，用于将指示性测量与阈值比较。
往复运动周期的指示性测量可以是单个往复运动周期、最近系列往复运动周期的系列或子系列的平均、或压缩机的运行频率的当前评估的测量。
到控制器的反馈可以包括反EMF数据并且用于获得活塞的往复运动周期的指示性测量的装置可以从对反EMF数据的分析获得测量。
最低阈值、最高阈值、或两者可以是从存储器读取的预定阈值，或可以是根据当前状态通过计算至少部分地确定或改变的阈值。
压缩机可以没有润滑油。通过气膜轴承可以促进活塞在气缸中的滑动。
在通过静态气膜轴承促进活塞在气缸中的滑动的地方，压缩气体供给路径可以从使用中的包含由压缩机压缩的气体的存储池到静态气膜轴承延伸。
控制器可以接收需求输入并取决于需求输入在正常操作中向线性电机施加电流量。需求输入可以是需求水平输入或需求变化输入。
在压缩机的固有频率上升到最高阈值以上或降低到最小阈值以下的情况下或两种情况下，以及还在探测活塞与压缩机的盖或阀板的碰撞的情况下，控制器可以超驰(override)正常工作。
控制器可以基于对来自线性电机的反EMF数据的分析探测碰撞。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
39. 如权利要求38中所述的自由活塞气体压缩机，其中，所述控制器包括计算机，并且用于当所述压缩机的固有频率降到最低阈值以下时从所述压缩机除去电力的所述装置包括存储的由所述计算机执行的程序，运行时，所述程序使得所述计算机：
确定最高阈值，
监控所述压缩机的当前运行频率，
将所述当前运行频率与所述最高阈值比较，以及
当所述比较表示所述当前运行频率高于所述最高阈值时减小供给所述线性电机的电力。
40. 如权利要求39中所述的自由活塞气体压缩机，其中，运行时，通过从数据存储器读取阈值，所述程序使得所述计算机确定最高阈值。
41. 如权利要求39或40中任意一项所述的自由活塞气体压缩机，其中，运行时，通过获得所述活塞的所述往复运动周期的指示性测量，所述程序使得所述计算机监控当前运行频率。
42. 如权利要求41中所述的自由活塞气体压缩机，其中，所述控制器接收关于反EMF电压的数据，所述反EMF电压通过电机转子的运动在线性电机的绕组中产生，并且，运行时，通过分析所述反EMF数据，所述程序使得所述计算机获得所述活塞的往复运动周期的指示性测量。
43. 如权利要求39到42中任意一项所述的自由活塞气体压缩机，其中，来自所述控制器的驱动信号包括PWM信号，其具有由所述计算机的输出确定的占空比，并且，运行时，通过降低所述占空比，使所述计算机减小给所述线性电机的电力。

Claims (54)

1. 一种控制自由活塞线性压缩机的方法，包括步骤：
根据需求负载给所述压缩机通电以便所述压缩机根据系统工作状态以其固有频率往复运动，
监控所述压缩机往复运动的频率，以及
当所述往复运动的频率低于最低阈值时，停止给所述压缩机通电。
2. 如权利要求1中所述的方法，其中，所述方法包括，在每次启动所述压缩机时，给予所述压缩机时间以获得稳态运行状态，这在当所述往复运动的频率低于最低阈值时停止给所述压缩机通电之前实施。
3. 如权利要求1或2中所述的方法，其中，监控所述压缩机的所述往复运动的频率的步骤包括监控驱动所述压缩机的电整流的线性电机的往复运动周期。
4. 如权利要求1到3中任意一项所述的方法，其中，当所述往复运动的频率低于最低阈值时停止给所述压缩机通电的步骤包括：确定最低阈值频率、将当前往复运动的频率与所述确定的最低阈值比较、以及当所述当前频率低于最低阈值时停止给所述压缩机通电。
5. 如权利要求1到4中任意一项所述的方法，其中，在由于运行频率降到所述最低阈值以下而停止给所述压缩机通电之后，所述方法包括步骤：
在延迟时间后重新开始给所述压缩机通电，其中所述延迟时间至少是300秒。
6. 如权利要求1到5中任意一项所述的方法，其中，监控所述压缩机的所述往复运动频率的所述步骤包括监控驱动所述压缩机的电整流的线性电机的反EMF电压。
7. 如权利要求6中所述的方法，其中，从电源电路给驱动所述压缩机的所述电整流的线性电机供电，所述电源电路包括至少一个电源开关用于向所述线性电机的绕组施加电流，所述线性电机被通电以便在所述压缩机冲程的尽头所述电源开关为关闭，并且监控驱动所述压缩机的电整流的线性电机的反EMF电压包括确定反EMF零相交之间的期间。
8. 如权利要求1到7中任意一项所述的方法，包括当所述往复运动的频率高于最高阈值时减小施加于所述压缩机的电力的步骤。
9. 如权利要求8中所述的方法，其中，当所述往复运动的频率高于最高阈值时减小施加于所述压缩机的电力的步骤包括：确定最高阈值频率、将当前往复运动频率与所述确定的阈值比较、以及当所述当前频率高于所述阈值时减小给所述压缩机的电力。
10. 如权利要求9中所述的方法，其中，在由于运行频率上升到最高阈值以上而减小施加于所述压缩机的电力之后，所述方法包括步骤：
在延迟时间后根据所述需求负载重新开始给所述压缩机通电，其中，所述延迟时间至少是300秒。
11. 一种控制自由活塞线性压缩机的方法，包括步骤：
根据需求负载给所述压缩机通电以便所述压缩机根据系统工作状态以其固有频率往复运动，
监控所述压缩机往复运动的频率，以及
当所述往复运动的频率高于最高阈值时，减小施加于所述压缩机的电力。
12. 如权利要求11中所述的方法，其中，监控所述压缩机的所述往复运动的频率的步骤包括监控驱动所述压缩机的电整流的线性电机的往复运动周期。
13. 如权利要求11或12所述的方法，其中，当所述往复运动的频率高于最高阈值时减小施加于所述压缩机的电力的步骤包括：确定最高阈值频率、将往当前复运动的频率与所述确定的阈值比较、以及当所述当前频率高于所述阈值时减小给所述压缩机的电力。
14. 如权利要求11到13中任意一项所述的方法，其中，在由于运行频率上升到最高阈值以上而减小施加于所述压缩机的电力之后，所述方法包括步骤：
在延迟时间后根据所述需求负载重新开始给所述压缩机通电，其中所述延迟时间至少是300秒。
15. 如权利要求11到14中任意一项所述的方法，其中，监控所述压缩机的所述往复运动频率的步骤包括监控驱动所述压缩机的电整流的线性电机的反EMF电压。
16. 如权利要求15中所述的方法，其中，从电源电路给驱动所述压缩机的所述电整流的线性电机供电，所述电源电路包括至少一个电源开关用于向所述线性电机的绕组施加电流，所述线性电机被通电以便在所述压缩机冲程的尽头所述电源开关为关闭，并且监控驱动所述压缩机的电整流的线性电机的反EMF电压包括确定反EMF零相交之间的期间。
17. 如权利要求11到16中任意一项所述的方法，包括当所述往复运动的频率低于最低阈值时停止给所述压缩机通电的步骤。
18. 如权利要求17中所述的方法，其中，所述方法包括，在每次启动所述压缩机时，给予所述压缩机时间以获得稳态运行状态，这在当所述往复运动的频率低于最低阈值时停止给所述压缩机通电之前实施。
19. 如权利要求17或18中任意一项所述的方法，其中，当所述往复运动的频率低于最低阈值时停止给所述压缩机通电的步骤包括：确定最低阈值频率、将当前往复运动频率与所述确定的最低阈值比较、以及当所述当前频率低于所述最低阈值时停止给所述压缩机通电。
20. 如权利要求17到19中任意一项所述的方法，其中，在由于运行频率降到所述最低阈值以下而停止给所述压缩机通电之后，所述方法包括步骤：
在延迟时间后重新开始给所述压缩机通电，其中所述延迟时间至少是300秒。
21. 一种自由活塞气体压缩机，包括：
气缸，
活塞，
所述活塞可在所述气缸中往复运动，
往复运动的线性电机，耦合到所述活塞并具有至少一个激励绕组，
控制器，接收关于压缩机的工作的反馈、提供驱动信号，所述驱动信号用于与压缩机的瞬时固有频率一致地向所述线性电机施加电流，
所述控制器包括用于当压缩机的固有频率降低到最低阈值以下时从所述压缩机除去电力的装置。
22. 如权利要求21中所述的自由活塞气体压缩机，其中，所述控制器包括计算机，并且当压缩机的固有频率降到最低阈值以下时用于从所述压缩机除去电力的所述装置包括存储的由所述计算机执行的程序，运行时，所述程序使得所述计算机：
确定最低阈值，
监控所述压缩机的当前运行频率，
将所述当前运行频率与所述最低阈值比较，以及
当所述比较表示所述当前运行频率低于所述最低阈值时使得从所述线性电机除去电力。
23. 如权利要求22中所述的自由活塞气体压缩机，其中，运行时，通过从数据存储器读取阈值，所述程序使得所述计算机确定最低阈值。
24. 如权利要求22或23中任意一项所述的自由活塞气体压缩机，其中，运行时，通过获得所述活塞的所述往复运动周期的指示性测量，所述程序使得所述计算机监控所述当前运行频率。
25. 如权利要求24中所述的自由活塞气体压缩机，其中，所述控制器接收关于反EMF电压的数据，所述反EMF电压通过电机转子的运动在所述线性电机的绕组中产生，并且，运行时，通过分析所述反EMF数据，所述程序使得所述计算机获得所述活塞的所述往复运动周期的指示性测量。
26. 如权利要求22到25中任意一项所述的自由活塞气体压缩机，其中，来自所述控制器的驱动信号包括PWM信号，其具有由所述计算机的输出确定的占空比，并且，运行时，通过调整所述占空比为零，所述计算机从所述线性电机除去电力。
27. 如权利要求22到26中任意一项所述的自由活塞气体压缩机，其中，运行时，所述程序使得所述计算机在每次启动所述压缩机时给予所述压缩机时间以在当所述往复运动频率低于最低阈值时停止给所述压缩机通电之前获得稳态运行状态。
28. 如权利要求22到27中任意一项所述的自由活塞气体压缩机，其中，运行时，所述程序使得所述计算机在由于所述运行频率降到所述最低阈值以下而停止给所述压缩机通电之后，在延迟时间之后重新开始给所述压缩机通电，其中，所述延迟时间至少为300秒。
29. 如权利要求22到28中任意一项所述的自由活塞气体压缩机，其中，运行时，在所述当前运行频率高于最高阈值时，所述程序使得所述计算机减小施加于所述电机的电力。
30. 如权利要求29中所述的自由活塞气体压缩机，其中，运行时，在由于所述运行频率上升到最高阈值以上而减小施加于所述压缩机的电力之后，所述程序使得所述计算机在延迟时间后根据需求负载开始给所述压缩机通电，其中所述延迟时间至少为300秒。
31. 如权利要求21到30中任意一项所述的压缩机，其中，所述控制器包括用于获得所述活塞的所述往复运动周期的指示性测量的装置，
并且用于除去电力的所述装置包括比较器，将所述指示性测量与所述阈值比较。
32. 如权利要求31所述的压缩机，其中，到所述控制器的所述反馈包括反EMF数据，并且用于获得所述活塞的所述往复运动周期的指示性测量的所述装置从对所述反EMF数据的分析获得所述测量。
33. 如权利要求21到32中任意一项所述的压缩机，其中，所述压缩机没有油润滑，并且所述活塞在所述气缸中的滑动由气膜轴承促进。
34. 如权利要求33所述的压缩机，其中，所述活塞在所述气缸中的所述滑动由静态气膜轴承促进，其中压缩气体供给路径从使用中的包含由所述压缩机压缩的气体的贮存器到所述静态气膜轴承延伸。
35. 如权利要求21到34中任意一项所述的压缩机，其中，所述控制器接收需求输入并且取决于所述需求输入在正常工作中向所述线性电机施加电流量。
36. 如权利要求35所述的压缩机，其中，在所述压缩机的所述固有频率上升到最高阈值以上、或降低到最低阈值以下、或两者都发生的情况下，以及在探测到活塞与所述压缩机的盖或阀板碰撞的情况下，所述控制器超驰正常工作。
37. 如权利要求36所述的压缩机，其中，所述控制器基于对所述反EMF数据的分析探测碰撞。
38. 一种自由活塞气体压缩机，包括：
气缸，
活塞，
所述活塞可在所述气缸中往复运动，
往复运动的线性电机，耦合到所述活塞并具有至少一个激励绕组，
控制器，接收关于所述压缩机的工作的反馈、提供驱动信号，所述驱动信号用于与压缩机的瞬时固有频率一致地向所述线性电机施加电流，
所述控制器包括用于当所述压缩机的固有频率上升到最高阈值以上时减小给所述压缩机的电力的装置。
39. 如权利要求38中所述的自由活塞气体压缩机，其中，所述控制器包括计算机，并且用于当所述压缩机的固有频率降到最低阈值以下时从所述压缩机除去电力的所述装置包括存储的由所述计算机执行的程序，运行时，所述程序使得所述计算机：
确定最高阈值，
监控所述压缩机的当前运行频率，
将所述当前运行频率与所述最低阈值比较，以及
当所述比较表示所述当前运行频率高于所述最高阈值时减小供给所述线性电机的电力。
40. 如权利要求39中所述的自由活塞气体压缩机，其中，运行时，通过从数据存储器读取阈值，所述程序使得所述计算机确定最高阈值。
41. 如权利要求39或40中任意一项所述的自由活塞气体压缩机，其中，运行时，通过获得所述活塞的所述往复运动周期的指示性测量，所述程序使得所述计算机监控当前运行频率。
42. 如权利要求41中所述的自由活塞气体压缩机，其中，所述控制器接收关于反EMF电压的数据，所述反EMF电压通过电机转子的运动在线性电机的绕组中产生，并且，运行时，通过分析所述反EMF数据，所述程序使得所述计算机获得所述活塞的往复运动周期的指示性测量。
43. 如权利要求39到42中任意一项所述的自由活塞气体压缩机，其中，来自所述控制器的驱动信号包括PWM信号，其具有由所述计算机的输出确定的占空比，并且，运行时，通过降低所述占空比，使所述计算机减小给所述线性电机的电力。
44. 如权利要求39到43中任意一项所述的自由活塞气体压缩机，其中，运行时，所述程序使得所述计算机在由于所述运行频率上升到最高阈值以上而减小施加于所述压缩机的电力之后，在延迟时间之后根据需求负载重新开始给所述压缩机通电，其中，所述延迟时间至少为300秒。
45. 如权利要求39到44中任意一项所述的自由活塞气体压缩机，其中，运行时，在所述当前运行频率低于最低阈值时，所述程序使得所述计算机从所述电机除去电力。
46. 如权利要求45中所述的自由活塞气体压缩机，其中，运行时，所述程序使得所述计算机在每次启动所述压缩机时给予所述压缩机时间以在当所述往复运动频率低于最低阈值时停止给所述压缩机通电之前获得稳态运行状态。
47.如权利要求45或46中所述的自由活塞气体压缩机，其中，运行时，在由于所述运行频率降低到最低阈值以下而停止给所述压缩机通电之后，所述程序使得所述计算机在延迟时间后重新开始给所述压缩机通电，其中所述延迟时间至少为300秒。
48. 如权利要求38中所述的压缩机，其中，所述控制器包括用于获得所述活塞的所述往复运动周期的指示性测量的装置，
并且用于除去电力的所述装置包括比较器，将所述指示性测量与所述阈值比较。
49. 如权利要求48所述的压缩机，其中，到所述控制器的所述反馈包括反EMF数据，并且用于获得所述活塞的所述往复运动周期的指示性测量的所述装置从对所述反EMF数据的分析获得所述测量。
50. 如权利要求38到49中任意一项所述的压缩机，其中，所述压缩机没有油润滑，并且所述活塞在所述气缸中的滑动由气膜轴承促进。
51. 如权利要求50所述的压缩机，其中，所述活塞在所述气缸中的所述滑动由静态气膜轴承促进，其中压缩气体供给路径从使用中的包含由所述压缩机压缩的气体的贮存器到所述静态气膜轴承延伸。
52. 如权利要求38到51中任意一项所述的压缩机，其中，所述控制器接收需求输入并且取决于所述需求输入在正常工作中向所述线性电机施加电流量。
53. 如权利要求52中所述的压缩机，其中，在所述压缩机的所述固有频率上升到最高阈值以上、或降低到最低阈值以下、或两者都发生的情况下，以及在探测到所述活塞与所述压缩机的盖或阀板碰撞的情况下，所述控制器超驰正常工作。
54. 如权利要求53中所述的压缩机，其中，所述控制器基于对所述反EMF数据的分析探测碰撞。
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