CN101627180A - 使驱动线性交流发电机的自由活塞斯特林发动机的发动机功率和交流发电机功率相等及维持发动机频率的电子控制器 - Google Patents

Abstract

一种包含在包括驱动线性交流发电机的自由活塞斯特林发动机的电力产生源的控制系统的反馈控制方法和电路。变数V_internal的瞬时值不断地由其它检测和计算参数得出并用于控制系统的负反馈控制回路以控制发动机活塞冲程，以使发动机产生的功率与由发动机传递到线性交流发电机的功率保持相等。V_internal为交流发电机绕组上的感生电压与在交流发电机绕组的等效集总电阻两端的电压的和。负反馈电流交流发电流控制回路具有输出，其与开关整流器的脉冲宽度调制器连接；以及具有反馈电路，其包括用于检测瞬时的交流发电机电流的电流传感器。

Description

使驱动线性交流发电机的自由活塞斯特林发动机的发动机功率和交流发电机功率相等及维持发动机频率的电子控制器

技术领域

本发明大体涉及一种驱动线性交流发电机以产生电能的自由活塞斯特林发动机，更具体地说，涉及一种闭循环、负反馈控制系统，其包括改进的控制回路以使发动机产生的机械功率与由发动机传递到线性交流发电机的功率保持相等。

背景技术

驱动线性交流发电机的自由活塞斯特林发动机(FPSE)为一种引人注目的电源，因为这种电源有效、紧凑和重量轻，而且可通过多种燃料供给的热能来发电。自由活塞斯特林发动机为闭循环及可逆的热机，其通过使有限体积的工作气体在较热的受热器和较冷的散热器之间移动来将热转换成功。由此引起的内部工作气体的交替的、循环的热胀冷缩提供了振荡压力波，其使适当地支在弹簧上的活塞以大体正弦形往复地振动。活塞用机械连接到永久磁铁环，其在线性交流发电机的绕组或线圈内往复地驱动，从而在绕组终端的两端感生电压。通常，发动机的活塞通过紧靠活塞后面的法兰直接地连接到轴对称地布置的磁铁阵列，例如布置成环状的磁铁，而发动机和交流发电机会整合入常见的气密地密封的机壳。

许多现有技术的所述类型电源包括将交流发电机输出端连接到电力负载的整流器电路以及还具有控制器，其为用于控制斯特林发动机和交流发电机的工作参数以及输出电参数的控制系统。自由活塞斯特林发动机的操作和其与线性交流发电机的连接业已在许多出版物，包括专利，诸如美国专利US6,871,495中揭示，其在此结合作为参考。

图1所示为现有技术电力产生源的简化示意图，其具有由自由活塞斯特林发动机驱动的线性交流发电机10并且将交流发电机的AC输出施加到负载12。所示的交流发电机为其等效的集总元件电路。该等效电路串联具有表示交流发电机绕组电感的电感L_alt的电感器14、表示交流发电机电阻的集总电阻R_ac和具有感生或反电动势V_g的AC电源16。电压V_g为通过自由活塞斯特林发动机往复驱动的磁铁在交流发电机绕组中感生的开路电压。

调谐电容器18通常与交流发电机绕组串联以便解调绕组电感。调谐电容器的电容这样选择以便在交流发电机和发动机的工作频率下，绕组的感抗和调谐电容器的容抗形成串联谐振电路。所述串联谐振电路展示出零阻抗或电阻性阻抗。结果，调谐电容器可提供单位或接近单位功率因数，其将从交流发电机传递到电力负载的功率最大化并且使电阻热损耗最小化。然而，所述调谐电容器体积大和昂贵，所以最好是能去除调谐电容器。同时，调谐电容器阻抗和串联电感器阻抗只在单一频率下相配。因此，通过调谐电容器，输出功率因数随发动机工作频率而改变。本发明的控制器可在很宽的频率范围内作补偿，以提供单位功率因数或稳频工作。

图1还示出，交流发电机的输出可连接到公用电力网20以及用于向电力网供电。如本领域技术人员所公知，该布置导致自由活塞斯特林发动机与电力网于相同频率下工作并且基本上同相。该同步操作的发生是因为发动机通过在往复的永久磁铁和交流发电机绕组之间的磁耦合与交流发电机耦合。往复磁铁的磁通与交流发电机电流所产生的磁通的耦合，使到交流发电机电流反射入发动机，作为作用于自由活塞斯特林发动机上的复合阻尼力。该些反射入发动机的力，作为质量力、弹簧力和阻尼力的合力作用在发动机的活塞上。结果，交流发电机电流产生的磁力作用在斯特林发动机的活塞上，使活塞以与具有两旋转磁场的旋转同步电动机保持同步的相同方式与交流发电机电流同步地工作。如果来自往复磁铁的磁场超前或迟延于来自交流发电机电流的磁场，会有磁力将它们拉在一起。在线性地往复的发动机和交流发电机中，结果是FPSE的往复活塞与电力网电压同步地工作，如果FPSE设计成在或很接近输电网频率下机械地谐振。

图2所示为类似图1所示的电力产生源，但具有通用的无源全波整流器22，其使用四个排成H桥路的二极管以提供直流输出。现有技术还会以全波开关整流器，也称为有源整流器，替换图2中的全波二极管整流器以及分离调谐电容器24。该种配置的实例可见于上文引用的US 6,871,495。

开关整流器为一种在现有技术中公知并在许多出版物中叙述的电路。其典型地具有H桥路结构，但是以可控的电子开关，通常为MOSFETs，替换图2中的二极管。有源整流器控制端与每一电子开关的控制极连接，并且通过接通一对对角地相对开关和切断另一对以及使被接通的该对和被切断的该对交变下使电子开关开(ON)及关(OFF)。完成开关的频率大大地高于FPSE和交流发电机的正弦频率。例如，电子开关可以10kHz或20kHz的速率转换，而FPSE和交流发电机则可以60Hz或120Hz工作。开关控制不但如上述般使电子开关ON和OFF，还会响应于调制输入信号而改变电子开关的工作循环。结果，开关整流器的开关控制基本上为脉冲宽度调制器，其包括高频振荡器以交替地开关对角地相对的开关对以及调制于高频下转换的开关状态ON和OFF的工作循环。结果，其是开关整流器的开关相位，该相位控制了通过H桥路的电流相对于交流发电机终端电压的相位。通过开关整流器的相位控制如调谐电容器般对相位产生了同样的效应，因此就可以去除调谐电容器。然而，由于通过开关整流器的相位控制不取决于随频率而定的谐振，开关整流器可在发动机工作频率的范围内保持要求的相位关系。脉冲宽度调制电路及函数可不单只用模拟电路实现，而且还可以和更重要的是可较佳地使用微处理器或微控制器和其它的由诸如软件编程的数字逻辑和处理电路以进行脉冲宽度调整函数。综上所述，由于开关整流器业已在现有技术课本中作出叙述，本文不会详述与开关电源、开关逆变器或开关电动机、开关整流器有关的技术资料。

驱动FPSE的能量从外部热源供应，诸如燃料燃烧、太阳能或放射性同位素能源，以将热能施加到发动机受热体(″热端″)。热能由发动机变换成机械工作能量，其驱动线性交流发电机以将机械能转换成电能。极理想的是，FPSE产生的机械功率完全相等于从FPSE传递到线性交流发电机的功率，其大部分最终会传递到负载。该平衡功率状态可避免重要的发动机工作问题。如果传递到交流发电机的功率超过FPSE产生的功率，发动机将会停转。如果传递到交流发电机的功率低于FPSE产生的功率，活塞冲程将会失控地增加以及可引起破坏性的内部碰撞，而且发动机温度会随着时间慢慢地上升。活塞冲程是活塞在其往复运动的上下限之间的移动距离。随时间而变的活塞运动可以具有活塞幅度X_P的相图来表示，并且有时可选择地用于描述活塞位移。活塞幅度X_P具有的量值为二分之一的活塞冲程，在描述工作质量方面时，两术语有时可交换地使用。

用于这种电力产生系统的燃料燃烧系统通常具有温度控制系统，其控制发动机的受热体的温度。结果，对于较长期的控制，从发动机传递到交流发电机的机械功率可以通过增加或减少对发动机头的热输入功率来调制，所述热输入功率可使发动机头的温度变更。不过，其控制不足，这至少有两个理由。首先，可达到的温度变化速率较慢，其极慢以致不能及时反应来防止发动机停转或活塞超冲程。其次，发动机效率极依赖受热体温度。发动机头的受热体温度越高，发动机效率越高。因此，调制热输入能量和温度不但太慢而且还降低发动机效率，因为其不会维持最高的可能输入头温度。所以，理想的是能提供一种控制发动机输出功率的方法，以便维持在发动机和交流发电机之间的功率传递平衡，但是理想的是以使FPSE的热端温度能保持在恒定的最大温度的方式进行，以便将发动机效率最大化。虽然本发明的实施例有利地包括可维持发动机材质可承受的恒定温度的燃料燃烧控制系统，但其独自一个并不是可用于控制发动机功率输出和活塞冲程及维持上述的功率平衡的可行选项。

图1还示出使用″卸载″电阻26，其作为另一现有技术的控制活塞冲程和维持在发动机和交流发电机之间的功率平衡的方式。电阻26为附加的负载，其可转入电路内或其电阻可改变以有效地消耗发动机产生的过量功率。不过，其明显不合需要，因为其只是单单消耗发动机产生的过量功率以便维持功率平衡，结果因浪费热能而使效率降低，因此造成燃料浪费。

现有技术业已公认，FPSE的输出功率可通过控制活塞冲程来控制，因为FPSE产生的功率大约与活塞冲程的平方成比例。然而，在交流发电机中感生的电压与冲程成比例，而大多数电力负载需要稳定、恒定的电压，诸如24vdc或28vdc或115vac。结果，设计一种控制系统为一个问题，这种系统可实现(1)使由FPSE传递到交流发电机的功率相等于电力负载要求的功率加上电损耗；以及(2)维持恒定的输出电压。问题在于，如果电力负载的电力要求降低和冲程减少来降低FPSE功率，则应生电压下降。相反地，如果以提高的电力要求使冲程增大以从FPSE提供更多功率，输出电压也会增加。所以理想的是，可在降低和排除由负载功率要求的变化所导致的电力负载的电压变化时，调制来自FPSE的功率以匹配电力负载功率，。

另外，本领域需要一种通过反馈控制系统来控制活塞冲程的方法，其可更快地从目标或要求的活塞冲程检测到导致活塞冲程改变的工作参数变化；并且可快速地响应检测的变化以致于实际的活塞冲程可维持在精确及接近目标活塞冲程的界限之内。

因此，本发明的目的和特征为提供一种改进的活塞冲程控制方法以便使发动机产生的机械功率与发动机传递给交流发电机的机械功率相等。

本发明的另一目的和特征为基于可更容易和更快地控制的工作参数来控制活塞冲程，藉此控制活塞冲程，从而在公差之内控制功率平衡。

本发明的再一目的和特征为结合活塞冲程控制和附加的电路和反馈控制回路以提供改进的电压调节，以致于FPSE可在很宽的活塞冲程范围内工作，以维持传递到交流发电机的发动机功率的平衡以及还可在很宽的负载功率消耗范围内提供恒定的良好调节的输出电压到电力负载。

发明内容

本发明为一种用于控制驱动线性交流发电机的自由活塞斯特林发动机的活塞冲程的控制器和方法，以便使发动机产生的机械功率与由发动机传递到线性交流发电机的功率保持相等。本发明具有反馈控制回路(称为V_internal控制回路)，其检测发动机和交流发电机的工作参数、计算工作参数的总和(称为V_internal)-其中至少一所述工作参数不能直接地检测、并且使用该总和作为控制回路的反馈信号，以便反馈控制回路将计算的总和送到该总和的目标值(V_{internal cmd})。一对可计算和总计的工作参数为交流发电机的感生或反电动势(称为V_g)以及横跨交流发电机的集总电阻的电压降(称为V_Rac)，两者皆为交流发电机的等效电路的元件的工作参数。另一对可计算和总计来计算V_internal的为终端电压V_T和横跨交流发电机绕组的电压降V_Lalt。V_internal反馈控制回路的输出通过产生电流指令输入I_cmd来控制交流发电机电流，所述电流指令输入被施加到电流控制反馈控制回路，其控制在交流发电机终端和储能电容器、电池或其它合适的电能存储器之间连接的开关整流器的脉冲宽度调制。往V_internal控制回路的目标输入V_{internal cmd}由一或多个额外的外部控制回路产生，其选择或挑选取决于本发明的应用，包括所要求的输出类型和设计者想怎样控制它。

附图说明

图1所示为用于提供AC电源输出的现有技术的交流发电机、交流发电机输出电路和负载的示意及方框图。

图2所示为用于提供DC电源输出的现有技术的交流发电机、交流发电机输出电路和负载的示意及方框图。

图3所示为本发明的实施例的示意及方框图。

图4所示为本发明的较佳实施例的负反馈控制系统转移函数的框图。

图5所示为图3的中间级电压控制电路50的示意图。

在叙述附图所示的本发明的较佳实施例时，为清楚起见，会采用特定的术语。不过，并不意味要将本发明限于所选的特定术语，应该明白，每一特定术语包括所有以类似方式工作达到类似目的技术等同物。例如，文中常常会使用连接或者类似术语。连接并不限于直接连接，而是要包括通过其它电路元件的被本领域的技术人员认为是等同物的连接。除此之外，所示的许多电路皆为进行公知的电子信号操作的类型。本领域的技术人员会明白，现有许多，将来可能有更多可选择的公认为等同物的电路，因为它们可提供相同的信号操作。

具体实施方式

本发明的装置为一种改进的驱动线性交流发电机的自由活塞斯特林发动机，而线性交流发电机的输出电流由开关整流器控制，其中的改进包括用于控制开关整流器的组合式负反馈控制回路。本发明的原理可通过反馈控制领域的技术人员熟悉的反馈控制回路图作最佳的说明。不过，如果首先能解释反馈控制回路图所表示的实际电路的实施例，就可更好地理解反馈控制回路图。本发明的说明书包括多种变数和参数，在本文结束时会将其搜集及作出限定。

图3所示为本发明的实施例的示意及方框图。图1和图2中的由自由活塞斯特林发动机驱动的交流发电机，如其等同物，其集总元件电路V_g、R_ac和L_alt具有终端电压V_T。电压V_g的瞬时值与瞬时的活塞速度成正比，而且它们通过用实验确定的比例常数相关联，该常数为开路线性交流发电机电动常数α。活塞速度与活塞冲程成正比。终端电压V_T低于V_g，其差额等于在阻抗R_ac和L_alt两端的压降。

交流发电机终端连接H桥式全波开关整流器32，其包括四个功率MOSFETs 34、36、38和40以及图中标示为有源整流器控制器的控制电路42。虽然图3未示出，有源整流器控制电路42包括闭循环、负反馈电流控制系统，其控制在控制电路42之内的脉冲宽度调制器。该脉冲宽度调制器以本领域技术人员公知及上文概述的方式控制四个MOSFETs 34、36、38和40的开关。正如下文中的更完整的叙述，电流控制回路可控地改变脉冲宽度调制器的工作循环。电流控制回路的反馈信号得自交流发电机电流传感器43，其将表示交流发电机电流的信号施加到在控制电路42之内的交流发电机电流控制电路。虽然不如全波有效，可选择地使用半波开关整流器。

在较佳的实施例中，开关整流器32的输出施加到储能电容器44。不过，可加入蓄电池取代电容器44或与其并联。也可使用其它类型的器件，如果它们可在静态条件下以诸如电荷的方式储存电能。目前已知的可用的两种最实用器件为电容器和电池。可以使用另外的器件，如果该器件可在电流通过下递增地增加储存的能量，在没有电流下又可保存其储存能量并且使能量可通过与其连接的负载以电流的形式再现。例如，这样一种器件可以是电动机/交流发电机，其具有与之连接的用于储存能量的飞轮。由于存在可用的备选能量储存器件，可使用术语″电能储存装置″来参照符合该些标准的器件，以便可选择地实现本发明。

标示为DC/DC电源的常规电压调节电路30，其输入跨接在储能电容器44的两端。电压调节电路30，以本领域技术人员公知的方式工作，在恒定电压下提供输出，不管在储能电容器44两端的中间级电压的变化。有多种常规电路可作为替换方案来取代调节电路30以提供具有多种不同特性的输出电能。例如，可代入逆变器45以便为有用负载提供AC输出，或者可代入电网连接电路47以将输出连接到输电网。另外，可以去除调节电路以提供较少调节的AC功率，诸如用于电池充电。

图3的电路额外具有与储能电容器44并联的功率卸载电路，其包括串联的瞬时卸载电阻器46和功率MOSFET 48。中间级电压控制电路50也可跨接在储能电容器44的两端以及检测穿过电容器的电压。中间级电压控制电路50的其中一个功能为当穿过电容器44的电压超过预定的、选择的过高水平，诸如95vdc时接通MOSFET 48，以便可以消耗由斯特林发动机传递的过剩能量，从而在穿过电容器44的中间级电压变得过度时防止斯特林发动机的超冲程和碰撞。如果电力负载突然移除，使消耗功率产生阶跃函数式下降时，所述的过度中间级电压就会出现。该功率卸载电路只在输出负载的阶跃函数变化之后的瞬变期间才需要，直至其余的控制电路适应该变化并达到稳态状况为止。

由于空间的限制，中间级电压控制电路50在图5中独立地显示。电阻器R5和R6构成分压器，其将跨越储能电容器44(图3)的中间级电压V_DC Bus分割下降成接近3.3V。该下降电压然后用于两个地方。首先，该下降电压可用来控制过压保护功率卸载电路，其包括串联的瞬时卸载电阻器46和功率MOSFET 48。在下降的中间级电压大于约3.0V(相当于95Vdc的中间级电压)时，比较器49的输出由高变低。该信号然后被倒转，接通MOSFET 48和卸载电阻器46，其使储能电容器44(图3)放电，并且保护有功部份免于因过电压而受损。一旦比较器49的输出变低，其会持续为低，直到下降的中间级电压低于约2.7V(相当于85Vdc的中间级电压)。比较器的输出然后会变高以及MOSFET 48会关断。

回到图3，重要的是，中间级电压控制电路50还提供目标活塞冲程X_Pcmd给用于控制活塞冲程的闭循环、负反馈控制器52。该控制回路将会连同图4作进一步叙述，并且会从装在FPSE的传感器54接收反馈信号，其表示检测的活塞冲程X_Pfb。该传感器54可以是优选的活塞位置传感器，或是活塞速度传感器。现有技术业已揭示了所述的传感器。由中间级电压控制电路50提供的目标活塞冲程X_Pcmd得自分压器，其包括图5所示及上文所述的电阻器R5和R6。首先，其通过放大器/缓冲器51缓冲(而且可以过滤及调节，未示出)，并且送到发动机冲程控制器52(图3)的DSP或微处理器A/D输入。该中间级电压值可用来将X_pcmd调高或调低；如果中间级电压大于65Vdc则X_pcmd较低，如果中间级电压小于65Vdc则X_pcmd较高。

发动机冲程控制器52回路具有输出，其为交流发电机电流的目标瞬时值I_cmd，其作为指令输入施加到有源整流器控制器42中的电流控制回路。该电流控制回路在上文已作简短叙述，并且将会连同图4作更详细地叙述。

图4是闭循环、负反馈控制系统的框图，其可配备于图3和图5中的电路，当然也可配备于其它的硬件设备中。如控制系统领域的技术人员所公知，闭循环、负反馈控制系统具有正向回路和反馈回路。在正向回路中，指令输入施加到和点(或求和结点)。指令输入为一信号，其表示受控的工作输出可变参数的期望(目标)值。反馈回路具有用于测量该输出参数的实际值的传感器，其将表示该实际值的信号施加到求和结点。求和结点的输出提供误差信号，其表示在该受控参数的期望值和测量值之间的差。该误差信号施加到一或多个正向控制元件，每一元件由正向传递函数表示，所述函数为其输入和其输出有关的数学表达式。数学表达式有利地为拉普拉斯变换表达式，其可告诉本领域的工程师该控制系统的元件的工作特性，从而可知如何建构它们的硬件实施例。当然，本领域的技术人员通常知道有许多方式可实现控制系统中的每个元件，只要其执行由数学表达式所描述的传递函数。

控制系统领域的技术人员还公知的是，闭循环、负反馈控制系统不限于单一反馈回路、单一求和结点或单一正向控制元件。控制系统通常可包括多个反馈回路、求和结点、正向控制元件和其它元件。一般而言，控制回路会嵌套入其它控制回路之内。

控制系统领域的技术人员也会明白，所述控制系统可用模拟或数字电路和其组合来实现。控制系统框图所示的数学运算可理想地用任何种类的市售的微处理器、微控制器或其它计算电路来实现。如本领域现在所公知，模拟电路和数学运算可经济地用具有软件算法的软件编程数字电路来实现，所述软件算法可仿真模拟电路和执行数学运算。很多所述运算可以通过离散逻辑、可编程逻辑排列(PLA)、可编程门行列(PGA)或数字信号处理器(DSP)设备以及微处理器或微控制器来实现。因此，术语″控制电路″大体包括已知类型的可用来实现控制电路的模拟及数字逻辑控制设备。术语″控制电路″所指的是利用所述电路根据数学运算或算法来变换电子信号的电路设备。

现参照图4，图4所示的较佳实施例的多个控制回路的每一回路与其相关的求和结点由参考数字1至5示出。另外的求和结点6在回路3之内。所有嵌套的控制回路的最终输出会施加到脉冲宽度调制器60，其以前述的方式控制开关整流器62的开关的工作循环。沿着多个控制回路的正向元件横越框图顶部的正向回路信号大体表示开关整流器开关的工作循环。该工作循环控制交流发电机电流。多个控制回路的每一个皆响应于每一特定回路的反馈信号以及在其求和结点产生的作为结果的误差信号而可调节地控制该工作循环信号。正如连同图3所述，开关整流器62与由斯特林发动机66驱动的交流发电机64的绕组连接。开关整流器62的输出与诸如图3所示的输出电路68连接以及包括能量存储装置，可以包括调整器电路，并且最后与电力负载连接。

最外面的控制回路1根据负反馈控制原理来控制中间级电压V_DC Bus。其指令输入V_cmd为表示中间级电压V_DC Bus的期望值的信号。该电路可设计成容许手动选择V_cmd，或其数值最好可基于特定应用以及中间级电压V_DC Bus的期望值、设计值而在电路或软件中固定。根据上文的解释，该中间级电压控制回路1的反馈信号可得自DC电压控制电路50的电压检测电路(图3和图5)，其检测V_DC Bus以及将表示其的信号通过常数乘法器70施加到求和结点1。来自求和结点1的误差信号通过正向控制元件71被积分和放大(被乘)，正如其传递函数所示以及在反馈控制系统领域中所公知的那样。中间级电压控制回路1通过控制及维持总线电压V_DC Bus于可接受的范围之内而执行电压调节函数。中间级电压控制回路1的输出作为活塞冲程指令输入X_Pcmd施加到随后的活塞冲程控制回路2。活塞冲程控制中间级总线电压，因为活塞冲程控制发动机功率输出。如果V_DC Bus降低，原因会是电力负载的增大，其使从储能电容器排出的功率大于交流发电机供给的功率。结果，需要更多功率和更大冲程来提高及回复V_DC Bus电压。相反地，V_DC Bus的增大导致负载下降以及需要减小活塞冲程，以致于发动机提供较少功率给交流发电机。

第二负反馈控制回路2根据负反馈控制原理控制活塞冲程X_P。活塞冲程控制回路2的反馈回路具有活塞位置传感器72，其装在或连接到斯特林发动机以提供活塞位置信号。活塞位置传感器72相应于图3中的传感器54，而且可以是本领域公知的类型，其用于提供表示活塞的瞬时位置的信号。作为选择方案，可使用活塞速度传感器，其输出相对于时间来积分以获得活塞位置信号。由于活塞运动基本上为正弦式，活塞位置传感器72可提供大体正弦形的信号，其表示随时间而变的正弦形活塞位移。活塞位置传感器输出的幅度表示活塞线性振荡的幅度。在较佳的实施例中，传感器72的输出与常数K_fb，3相乘以及施加到尖峰检测器74。尖峰检测器74检测正弦位移信号的峰间值(即包络)，而所述正弦位移信号的峰间值表示活塞冲程的测量值X_Pfb。测量值X_Pfb作为反馈信号施加到求和结点2，连同目标冲程信号X_Pcmd以提供误差信号，其会施加到正向控制元件76。该正向控制元件76以本领域公知的方式积分和放大该误差信号。正向控制元件76的输出施加到正弦函数发生器78，其具有由来自正向控制元件76的信号调制的可调制幅度。正弦函数波发生器78的频率ω固定于或接近于斯特林发动机的谐振频率，在所示的实施例中，是斯特林发动机和交流发电机的计划工作频率。虽然该些运算可较佳地使用常规的程序设计算法以数字方式来执行，其作用是向下一负反馈控制回路的求和结点3施加正弦信号，其幅度与来自正向控制元件76的输出信号成比例。该正弦信号为电路参数V_internal的目标值V_{internal cmd}。该电路参数为本发明的重要部份并且将会在下文中重点详述。

第三负反馈控制回路具有求和结点3，其控制V_internal的瞬时值。在叙述其余的控制回路之后，下文将叙述V_internal和V_internal反馈控制回路的反馈回路的定义、工作和重要性。来自V_internal反馈控制回路的求和结点3的误差信号施加到正向控制元件80，其积分和放大误差信号以产生用于下一控制回路的正弦目标电流I_cmd。

第四负反馈控制回路控制交流发电机电流的瞬时值并且具有目标电流I_cmd所施加的求和结点4。该交流发电机电流控制回路的反馈回路具有电流传感器43，其相应于图3中的电流传感器82。来自电流传感器82的输出信号与K_fb，1相乘，并且作为表示瞬时的交流发电机电流I的正弦信号施加到求和结点4。来自交流发电机电流反馈控制回路的求和结点4的误差信号施加到正向控制元件81，其积分和放大所述误差信号。

包括求和结点5的第五控制回路为前馈回路。该前馈回路的操作为本领域技术人员所公知。图4所示的前馈回路并非本发明所必须的，但其可改进较佳实施例的工作以及为本领域公知的目的而使用。一般而言，前馈回路的公认用途为检测一或多种电路干扰、预期及预测受控变数的变化，并且在受控变数被干扰影响之前使用检测的信号来进行程序或操作改变。在图4所示的较佳实施例中，主要的前馈信号为感生的交流发电机电压V_g，而较不重要的为中间级电压V_DC Bus。V_g是通过将活塞位置传感器信号72微分以得出活塞速度并在元件90与电动常数α相乘而得出的，然后，其会施加到除法器92。V_DC Bus得自上文叙述的所述V_DC Bus传感器94以及用作中间级电压控制回路1的V_DC Bus反馈信号。其与K_fb，6相乘，并且施加到除法器92。除法器92的输出为将V_g除以[V_DC Bus x K_fb，6]。该被除数基本上表示工作循环。结果，该前馈回路检测作为V_g变化和V_DC Bus变化的干扰，并且改变工作循环，因而改变交流发电机电流，以在不等候负反馈电流控制回路4的响应下维持所述的V_g和V_DC Bus。通过除法器92的除法意味着V_g的增加会增加工作循环，因而增加了交流发电机电流，而V_DC Bus的增加会减少工作循环，因此减少了交流发电机电流。

来自前馈回路的求和结点5(或来自正向元件81，如果省略该前馈回路的话)的正弦输出在频率ω下提供控制信号，其施加到脉冲宽度调制器60，并且在高频速率下控制开关整流器62的开关的工作循环。开关整流器的开关的工作循环与每次开关时的正弦控制信号的瞬时值成比例。因此，正如开关整流器领域所公知的那样，开关整流器的高频开关的ON和OFF状态的工作循环在与来自求和结点5的正弦输出信号的瞬时值成比例的交流发电机工作频率ω的整个低频循环中不断地改变。更明确地说(参照图3)，在超过一半的低频ω循环中，一对对角地相对的开关36和40在ON时的工作循环从在正弦控制信号上的零交叉的50％改变为在正弦控制信号的峰值时的最大值。在下半个循环时，另一对对角地相对的开关34和38在ON时的工作循环从在正弦控制信号上的零交叉时处于50％变为在正弦控制信号的峰值时处于最大值。

使用V_internal控制FPSE为本发明的主要部份。参照图3，V_internal被限定为电压V_g和交流发电机等效电路的集总电阻R_ac两端的电压V_Rac的总和。然而，由于跨越该些等效电路元件的电压不可独立地存取来作检测，它们的瞬时值一定要从其它的可存取和检测的数值来计算。参照图4，可基于开路感生电压V_g相等于活塞速度与电动常数α相乘的关系，从活塞位置传感器72计算V_g的值。如在元件84处所示，可微分活塞位置信号以得出活塞速度，然后再与电动常数α相乘，以提供表示V_g的信号。元件84所示的常数K_D，5为电动常数α。该表示Vg的信号施加到求和结点6。为了计算V_Rac，元件86将来自电流传感器82的检测电流信号乘以R_ac的值，其中K_P，5作为R_ac的值。计算的V_Rac值也施加到求和结点6。因此，求和结点6的输出为V_g+V_Rac的和，而且是V_internal控制回路3的”测量的”计算的V_internal瞬时值。该V_internal信号为控制V_internal的闭循环负反馈控制回路的反馈回路的输出。

现有许多可选择的使用得自系统的其它操作变量的信号来计算V_internal的方法。在上文所述的方法中，如元件84所示，可微分活塞位置信号以得出活塞速度以及与电动常数α相乘，以提供表示V_g的信号。作为备选方案，不用微分活塞位置信号来得出活塞速度，而是可使用活塞速度传感器，将其输出与电动常数α相乘来提供表示V_g的信号。为实现该方案，不用将位置传感器72的输出连接到元件84以及将结果施加到求和结点6，而是要将活塞速度传感器的输出施加到类似元件84的元件，以K表示该电动常数α但无需任何微分(没有拉普拉斯算子s)，并且使其输出施加到求和结点6。

电子领域的技术人员会明白，基尔霍夫第二定律(合计环绕闭循环的电压)的简单应用可示出，作为另一备选方案，可以通过检测电压V_T来计算该V_g，例如可用图3所示的电压检测电路88，并且减去跨越交流发电机电感L_alt的电压。不过，如本领域技术人员所知道的，加和减的数学运算为代数求和运算，它们是和是差要取决于采用的符号规约。对于应用该计算V_internal的备选方法而言，可省略元件84和86。取而代之，求和结点6的一个输入为自电压传感器88(图3)检测的交流发电机终端电压V_T。另一输入为通过在元件89(图3)相对于时间来微分来自电流传感器82(图3中的43)的电流信号以得出di/dt，将di/dt乘以交流发电机的电感L以及将结果作为第二输入的施加到求和结点6。

由于除了检测的交流发电机电流之外，还有可检测和可使用的备选系统操作变量来计算V_internal，术语″传感装置″用来概括地指定该些除了电流传感器之外的可用来等效地计算V_internal的备选传感器。上文所述的那些为活塞位置传感器、活塞速度传感器以及用于检测电压V_T的终端电压传感器。

本发明的最重要的方面为活塞冲程由V_internal控制而不是由V_g或一些其它的电路变数。由V_internal控制意味着负反馈控制回路3的反馈回路使用V_internal而不是V_g或一些其它电路变数的瞬时值作为其“测量的”反馈信号。其提供的优势为比其它反馈变数更紧密的控制(即在更精细的容许度之内)，现在叙述其原因。

在以下的论述中，应该记住，V_internal控制回路3和其后的回路以在斯特林发动机和交流发电机的整个低频循环中的瞬时值来工作。此外，还应记住，控制交流发电机电流的开关整流器以高频速率进行开关。因此，在发动机和交流发电机的每一低频循环期间，开关整流器约有80至400个开关循环，而每一高频开关循环的工作循环由在开关时来自求和结点5的正弦控制信号的瞬时值所确定。结果，该些负反馈控制回路能够以比发动机和交流发电机的低频工作频率快得多的速率作出响应和调节。调节可在低频循环的短的时间间隔内进行。

活塞冲程可通过暂时减小或增大交流发电机电流来调整，以便改变活塞冲程。其基于交流发电机电流与由交流发电机电流产生的磁场施加于活塞上的力的关系。明确地说，施加于活塞上的阻尼力与交流发电机电流成正比，而比例常数为电动常数α。暂时减小交流发电机电流导致较小的阻尼力，因此减小了活塞上的机械负载，使活塞冲程增大。暂时增大交流发电机电流导致施加于活塞的阻尼力较大，因此活塞上的机械负载较大，其使活塞冲程减小。在冲程改变之后，系统在较大或较小活塞冲程之间-因而在较大或较小功率输出之间达到新的平衡状态，而且自发动机的功率输出再次相等于由发动机传递到交流发电机的功率。然而，理想的是要令该些改变能以比发动机的工作频率快得多的速率来发生；即是在比发动机往复振荡周期短得多的时间间隔之内。

斯特林发动机的活塞跟随V_internal以及活塞冲程由交流发电机电流控制。V_interna1为V_g+V_Rac的和，而且该些电压为同相，因为V_g和电阻R_ac皆不包括电抗部分。不过，将跨越R_ac的电压V_Rac包含作为V_internal的部分使V_internal的变化可更快被检测出，从而使V_internal控制回路3可更快速(更早)地反应。

要解释自V_internal的控制使到可将活塞冲程较紧密地控制在V_{internal cmd}左右的更精细的范围内的原因，可首先比较自V_internal的控制与自V_g的控制。V_g的变化发生得较慢，因为V_g与活塞速度成比例，而活塞速度就因活塞、与活塞连接的磁铁和磁铁支承件以及在其上作用的弹簧的质量和惯性而慢慢地变化。由于振荡活塞的质量，需用一或两个发动机循环才使瞬时的活塞速度(在循环的相应点)有一点改变。因此，在几个PWM开关循环期间，V_g基本上不变。

不过，交流发电机电流的任何改变将会立刻反映在跨越交流发电机电阻R_ac的电压V_Rac的变化中。结果，由于V_internal＝V_g+V_Rac，交流发电机电流的任何改变将会立刻反映在V_internal的变化中，即使V_g在一或两个发动机循环期间保持不变。检测交流发电机电流的改变很重要，因为交流发电机电流控制着活塞冲程。跨越电阻R_ac的电压V_Rac的变化足以由控制回路在极小部份的发动机工作频率周期之内读出和响应。这与控制回路要求一或两个发动机工作周期才足以读出和反应V_g所发生的变化成对照。由于V_internal为V_g与V_Rac的和，使用V_internal控制电流从而冲程，可使负反馈控制回路能响应在高频开关速率下发生的改变，而不会限于响应在低频发动机工作频率下发生的变化。结果，本发明可对交流发电机电流的微细变化作较快的响应，因此使活塞冲程的控制可在更精细和更紧密的范围之内。V_internal控制回路可以数仟Hz的速率响应。

以V_interna1的变化控制交流发电机电流的变化的方式可参见图3所示的交流发电机等效电路。根据基尔霍夫第二定律，环绕由V_g、R_ac和V_internal构成的线路的电压总和必须为零。结果，V_internal减小意味着通过R_ac的电流增大，因为Vg在开关整流器的高频开关周期的期间基本上不变。相反地，V_internal增大意味着通过R_aa的电流减小。V_internal控制回路3和电流控制回路4可在高频速率下响应。因此，包含该两个反馈控制回路的电路能够响应在小部分的发动机低频周期期间发生的小的递增量，从而保持对活塞冲程和功率平衡的紧密控制。

K常数的代表值

图4所示的本发明可配备于具有不同K常数值的不同电路中。不过，作为范例，以下的表给出了一组代表值：

K_1，4＝6.3

K_P，4＝0.05

K_1，3＝126

K_P，3＝0.1

K_1，2＝739

K_P，2＝0.2

K_1，1＝860

K_P，1＝8.55

K_D，5＝15

K_fb，6＝1

K_fb，1＝1

K_P，5＝1.7

K_D，5＝15

K_fb，3＝1

K_fb，4＝1

参数定义

α线性交流发电机电动常数，其使开路交流发电机电压和活塞速度相关联，并且使交流发电机电流和活塞上的力相关联

$\mathrm{\α}=\frac{v(\mathrm{alternator}-\mathrm{voltage})\left[\mathrm{volts}\right]}{V(\mathrm{piston}-\mathrm{velocity})[\mathrm{meters}/\sec ]}=\frac{\mathrm{force}\left[\mathrm{newtons}\right]}{\mathrm{current}\left[\mathrm{amps}\right]}$

由于交流发电机绕组的内部阻抗，实际的终端电压为流经交流发电机的电流的函数。由于活塞冲程与活塞速度成比例，电压在固定频率下与冲程成比例。

V_cmd           跨越储能电容器的目标电压V_DC Bus。

V_DC Bus        跨越储能电容器或电池的DC电压。

X_Pcmd          目标活塞冲程。

X_Pfb(t)        随时间而变的瞬时活塞位置。

X_Pfb           反馈活塞冲程/幅度信号。其与瞬时活塞位置X_Pfb(t)的峰到峰或零到峰(幅度)成比例。

V_g             在交流发电机绕组上感生的瞬时开路电压(反电动势电压)。

V_Rac           跨越交流发电机的集总电阻的瞬时电压。

V_Lalt          跨越交流发电机电感的瞬时电压。

V_T             交流发电机终端电压。

V_{internal cmd}  目标的V_internal

V_internal      V_g+V_Rac的瞬时总和。

I_cmd           瞬时的目标交流发电机电流

I              交流发电机电流

s              标明微分用的拉普拉斯算子

1/s            标明积分用的拉普拉斯算子

虽然已详述了本发明的某些较佳的实施例，但应该明白，在不背离本发明的精神或所附权利要求的范围下，可以采取许多不同的修改。

Claims (16)

1.一种电力产生源，其包括自由活塞斯特林发动机，所述自由活塞斯特林发动机包括驱动线性交流发电机的动力活塞，所述交流发电机具有交流发电机绕组，所述电力产生源包括：

(a)开关整流器，其使交流发电机绕组与电能存储器连接以及包括用于控制整流器开关工作循环的脉冲宽度调制器；

(b)负反馈控制回路，其控制交流发电机电流并具有与求和结点连接的指令输入端以及与脉冲宽度调制器连接以控制开关整流器的运行工作循环的输出，电流控制回路具有反馈电路，所述反馈电路包括电流传感器，所述电流传感器与交流发电机绕组连接，以检测瞬时的交流发电机电流以及将电流反馈信号施加到电流反馈控制回路的求和结点；以及

(c)控制电压V_internal的负反馈控制回路，所述电压V_internal为交流发电机绕组上的感生电压与跨越交流发电机绕组的集总电阻的电压的和，V_internal控制回路具有施加到求和结点的指令输入端以及反馈电路，所述反馈电路包括作为输入端连接到计算电路的传感器装置，所述电流传感器还作为输入端连接到计算电路，所述计算电路计算表示V_internal的信号并且将所述信号施加到V_internal控制回路的求和结点的反馈输入端，V_internal控制回路的输出端作为指令输入连接到电流反馈控制回路。

2.根据权利要求1所述的电力产生源，其特征在于：

(a)传感器装置为活塞位置传感器或活塞速度传感器；以及

(b)计算电路进一步包括：

(i)乘法电路，其产生表示瞬时活塞速度乘以交流发电机电机常数的信号以提供表示交流发电机绕组上的瞬时感生电压的乘积信号并且将乘积信号施加到计算电路求和结点；以及

(ii)与电流传感器连接的乘法电路，该电路用于将瞬时交流发电机电流乘以表示交流发电机绕组的等效集总电阻的数值以提供表示跨越交流发电机绕组的集总电阻的电压降的信号并且将电压降信号施加到计算电路求和结点；

其中计算电路求和结点的输出以V_internal表示。

3.根据权利要求2所述的电力产生源，其特征在于：所述传感器装置包括瞬时活塞位置传感器，其与微分电路连接，求出瞬时活塞位置的微分以计算活塞速度。

4.根据权利要求2所述的电力产生源，其特征在于：所述传感器装置包括活塞速度传感器。

5.根据权利要求1所述的电力产生源，其特征在于：所述计算电路包括：

(a)所述传感器装置为与交流发电机绕组连接以检测绕组终端电压V_T并且将表示终端电压的信号施加到求和结点的电压传感器；以及

(b)微分电路和乘法电路，其与电流传感器连接，以计算交流发电机电流相对于时间的变化率以及将该变化率乘以绕组电感以提供表示跨越交流发电机绕组的集总电感的电压降的信号并且将绕组电感电压降信号施加到求和结点；

其中求和结点计算在终端电压信号和表示V_internal的绕组电感电压降信号之间的差。

6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的电力产生源，其特征在于：把数学运算电路包括在数字计算电路之内。

7.根据权利要求1或2或5所述的电力产生源，其特征在于：连接正弦函数发生器电路以施加指令输入到V_internal反馈控制回路，所述指令输入为正弦形并且具有与自由活塞斯特林发动机的谐振频率大体相同的频率。

8.根据权利要求7所述的电力产生源，其特征在于：所述电力产生源进一步包括控制活塞冲程的负反馈控制回路，活塞冲程控制回路包括作为其输出端与V_internal反馈控制回路的求和结点连接的所述正弦函数发生器以向V_internal反馈控制回路提供指令输入，活塞冲程控制回路具有反馈回路，其包括连接成向活塞冲程控制回路的求和结点施加活塞冲程信号的活塞冲程传感器。

9.根据权利要求7所述的电力产生源，其特征在于：所述电力产生源进一步包括控制跨越储能电容器或电池的电压的负反馈控制回路，电压控制回路具有反馈回路，其包括与电容器或电池连接的电压传感器，并且具有与电压控制回路的求和结点连接的输出端。

10.根据权利要求9所述的电力产生源，其特征在于：所述电力产生源具有DC/DC电压调节器，其输入端跨接在电容器或电池的两端以向负载提供恒定的直流电压。

11.一种改进的用于控制包括自由活塞斯特林发动机的电力产生源的反馈控制方法，所述自由活塞斯特林发动机包括驱动线性交流发电机的动力活塞，所述交流发电机具有交流发电机绕组，其特征在于，所述改进包括：连续地检测和计算V_internal的瞬时值，其中V_internal为交流发电机绕组上的感生电压与跨越交流发电机绕组的等效集总电阻的电压的和。

12.一种电力产生源的反馈控制方法，所述电力产生源包括自由活塞斯特林发动机，所述自由活塞斯特林发动机包括驱动线性交流发电机的动力活塞，所述交流发电机具有交流发电机绕组，其特征在于，所述方法包括通过以下步骤控制活塞的冲程：

(a)在斯特林发动机的工作频率下产生正弦地改变的目标V_internal输入信号，所述输入信号具有由活塞冲程反馈控制回路产生的振幅；

(b)连续地检测所述电力产生源的至少两个工作参数和根据所述工作参数计算V_internal的瞬时值，其中V_internal为交流发电机绕组上的感生电压与跨越交流发电机绕组的集总电阻的电压的和；以及

(c)将检测及计算的V_internal值送到V_internal的目标值。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于：将检测及计算的V_internal值送到V_internal的目标值的步骤进一步包括以下的步骤：

(a)从反馈控制回路产生电流指令信号，所述反馈控制回路将目标V_internal输入信号作为其指令输入以及将计算的V_internal瞬时值信号作为其反馈信号；

(b)检测瞬时的交流发电机电流；以及

(c)根据电流反馈控制回路的输出对将交流发电机绕组连接到储能电容器或电池的开关整流器的工作循环进行脉冲宽度调制，所述电流反馈控制回路将检测的瞬时交流发电机电流作为其反馈信号以及将电流指令信号作为其指令输入。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于：检测及计算瞬时的V_internal值的步骤进一步包括以下的步骤：

(a)检测瞬时的交流发电机电流以及将检测的交流发电机电流信号乘以表示交流发电机绕组的等效集总电阻的常数以提供表示跨越交流发电机绕组的集总电阻的电压降的信号；

(b)检测瞬时的活塞位置以及求出检测的瞬时活塞位置信号的微分以计算活塞速度；以及

(c)合计检测的信号以获得表示V_internal的信号。

15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于：检测及计算瞬时的V_internal值的步骤进一步包括以下的步骤：

(a)检测瞬时的交流发电机电流以及将检测的交流发电机电流信号乘以表示交流发电机绕组的等效集总电阻的常数以提供表示跨越交流发电机绕组的集总电阻的电压降的信号；

(b)检测瞬时的活塞速度以提供活塞速度信号；以及

(c)合计检测的信号以获得表示V_internal的信号。

16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于：检测及计算瞬时的V_internal值的步骤进一步包括以下的步骤：

(a)检测在交流发电机绕组两端的终端电压以提供交流发电机终端电压信号；

(b)检测瞬时的交流发电机电流，微分检测的电流以计算交流发电机电流相对于时间的变化率以及将变化率乘以绕组电感以提供表示跨越交流发电机绕组的集总电感的电压降的信号；以及

(c)计算信号之间的差，其以V_internal表示。

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