CN107918275A - 线性电机的行程计算方法与线性电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种线性电机的行程计算方法与线性电机。其中线性电机的行程计算方法包括：获取线性电机的外加电压、线圈的电流和线圈的电感；获取线圈的当前磁芯温度，并根据当前磁芯温度确定线性电机的修正电机系数和线圈的修正电阻；以及根据公式计算线性电机的行程X，其中U为线性电机的外加电压，I为线圈的电流，L为线圈的电感，α为线性电机的修正电机系数，R为线圈的修正电阻。本发明的方案，通过开发软件功能实时得到线圈的当前磁芯温度，没有增加复杂的传感器或其他结构，有效降低线性电机成本，并根据线圈的当前磁芯温度对电机系数和磁芯电阻进行及时的修正，提高行程计算的准确度以及线性电机的工作可靠性。

Description

线性电机的行程计算方法与线性电机

技术领域

本发明涉及电机驱动领域，特别是涉及一种线性电机的行程计算方法与线性电机。

背景技术

线性压缩机由本体部分和线性电机部分组成，本体部分包括外壳、气缸、气缸盖、活塞、弹簧、后弹簧挡板、前法兰和油泵等部件，线性电机部分包括线圈、内定子、外定子、动子、永磁体等部件。传统往复式压机固定压缩行程，精确控制运行频率。而线性压缩机则是控制压缩行程，而运行频率基本不变，因此线性电机对压缩活塞运行行程的精度要求较高，对行程的计算会直接影响线性压缩机的性能系数(Coefficient Of Performance，简称COP)。

线性电机在计算行程的过程中需要使用电机系数和磁芯电阻，但电机系数和磁芯电阻在线性电机的运行过程中会因温升原因缓慢变化，继而会导致行程计算累计偏差过大，影响控制，降低可靠性。因而行程计算已经是研究线性压缩机的难点。目前的线性压缩机往往采用以下几种方法来规避计算行程的难点：

第一种，以固定电机系数运行，除了正常的行程计算外，还通过实时监测功率、频率变化来修正运行行程，达到行程控制目的。该方法不能避免计算行程错误的问题，只能在发生错误之后，降低功率来避免错误行程继续过大。而当累计运行时间较长、运行负载过大时，偏差较大，风险大大增加。

第二种，给线性电机内接线圈或其他传感器，通过感生电动势获得活塞位置信息，感应动子运动行程，达到粗略测量行程的目的。该方法在高频运行的情况下精度受限，且对外需要增加1-2个电源接线柱，还需要在定子附近增加传感器线圈等。导致线性电机部分的材料成本上升10％-30％，且存在线圈漏电、接线柱漏氟等隐患。

发明内容

本发明的一个目的是提高线性电机行程计算的准确度。

本发明一个进一步的目的是在降低线性电机的成本的同时提高其工作可靠性。

特别地，本发明提供了一种线性电机的行程计算方法，其中线性电机包括具有磁芯的线圈，且行程计算方法包括：获取线性电机的外加电压、线圈的电流和线圈的电感；获取线圈的当前磁芯温度，并根据当前磁芯温度确定线性电机的修正电机系数和线圈的修正电阻；以及根据公式计算线性电机的行程X，其中U为线性电机的外加电压，I为线圈的电流，L为线圈的电感，α为线性电机的修正电机系数，R为线圈的修正电阻。

可选地，获取线圈的当前磁芯温度的步骤包括：获取线圈的初始磁芯温度、线性电机所在环境的当前温度、线性电机的当前运行功率以及线性电机的累计运行时间；以及根据公式T(t)＝T0+(Ta(t)-T0+k2(t)·P(t))×(1-e^-k1·t)计算线圈的当前磁芯温度T(t)，其中T0为线圈的初始磁芯温度，Ta(t)为线性电机所在环境的当前温度，P(t)为线性电机的当前运行功率，t为线性电机的累计运行时间，k1和k2(t)为预设参数。

可选地，获取线圈的初始磁芯温度的步骤包括：获取对线圈施加的脉冲宽度调制电压；对脉冲宽度调制电压和线圈的电流进行滤波；根据滤波后的脉冲宽度调制电压和线圈的电流通过预设算法获得线圈的初始电阻；以及根据公式计算线圈的初始磁芯温度T0，其中R0为线圈的初始电阻，R1为线圈的磁芯温度为T1时的已知电阻，T为国标铜质线圈温度参数。

可选地，根据当前磁芯温度确定线圈的修正电阻的步骤包括：根据公式计算线圈的修正电阻R。

可选地，根据当前磁芯温度确定线性电机的修正电机系数的步骤包括：根据公式α＝α0·(1+k·Δt)计算线性电机的修正电机系数α，其中α0为线圈的磁芯温度为T2时的已知电机系数，k为预设常数，Δt为当前磁芯温度T(t)与T2的差值。

可选地，已知电机系数α0和预设常数k均通过预先获取的磁芯温度和电机系数的线性关系图得到。

可选地，在获取线圈的当前磁芯温度的步骤之前还包括：获取开启线性电机的触发信号。

可选地，在计算线性电机的行程X的步骤之后还包括：判断是否接收到线性电机的关机信号；以及若是，控制线性电机关机。

可选地，预设算法包括：移动平均算法或者差分算法。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种线性电机，其包括具有磁芯的线圈，且线性电机配置成利用上述任一种线性电机的行程计算方法计算行程。

本发明的线性电机的行程计算方法与线性电机，其中线性电机包括具有磁芯的线圈，通过获取线性电机的外加电压、线圈的电流和线圈的电感；获取线圈的当前磁芯温度，并根据当前磁芯温度确定线性电机的修正电机系数和线圈的修正电阻；以及根据公式计算线性电机的行程X，其中U为线性电机的外加电压，I为线圈的电流，L为线圈的电感，α为线性电机的修正电机系数，R为线圈的修正电阻，能够实时获取线圈的当前磁芯温度，并进而对电机系数和磁芯电阻进行及时的修正，提高行程计算的准确度。

进一步地，本发明的线性电机的行程计算方法与线性电机，获取线圈的当前磁芯温度的步骤包括：获取线圈的初始磁芯温度、线性电机所在环境的当前温度、线性电机的当前运行功率以及线性电机的累计运行时间；以及根据公式T(t)＝T0+(Ta(t)-T0+k2(t)·P(t))×(1-e^-k1·t)计算线圈的当前磁芯温度T(t)，其中T0为线圈的初始磁芯温度，Ta(t)为线性电机所在环境的当前温度，P(t)为线性电机的当前运行功率，t为线性电机的累计运行时间，k1和k2(t)为预设参数，通过软件功能的开发来实时计算得到线圈的当前磁芯温度，进而得到修正电机系数和修正电阻，并没有增加复杂的传感器或其他结构，在有效降低线性电机成本的同时保证行程计算准确，提高线性电机的工作可靠性。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本发明一个实施例的线性电机的行程计算方法的示意图；以及

图2是根据本发明一个实施例的线性电机的行程计算方法的详细流程图；

具体实施方式

本实施例首先提供了一种线性电机的行程计算方法，可以实时修正线性电机的电机系数和线圈的磁芯电阻，提高行程计算的准确度。图1是根据本发明一个实施例的线性电机的行程计算方法的示意图，本实施例的线性电机包括具有磁芯的线圈。如图1所示，本实施例的线性电机的行程计算方法依次执行以下步骤：

步骤S102，获取线性电机的外加电压、线圈的电流和线圈的电感；

步骤S104，获取线圈的当前磁芯温度，并根据当前磁芯温度确定线性电机的修正电机系数和线圈的修正电阻；

步骤S106，根据公式计算线性电机的行程X。

在以上步骤中，步骤S106中的U为线性电机的外加电压，I为线圈的电流，L为线圈的电感，α为线性电机的修正电机系数，R为线圈的修正电阻。

由于在线性电机的运行过程中，线性电机的外加电压U、线圈的电流I可以通过各种电压计、电流计直接获取，线圈的电感L随着运行过程中的温度变化只会有极小的漂移，可以忽略不计认为不变，因而只有因温度改变而变化的线性电机的修正电机系数α和线圈的修正电阻R需要及时修正，以保证计算处的行程X是准确的。

在一种具体的实施例中，步骤S104中获取线圈的当前磁芯温度的步骤可以包括：获取线圈的初始磁芯温度、线性电机所在环境的当前温度、线性电机的当前运行功率以及线性电机的累计运行时间；以及根据公式T(t)＝T0+(Ta(t)-T0+k2(t)·P(t))×(1-e^-k1·t)计算线圈的当前磁芯温度T(t)，其中T0为线圈的初始磁芯温度，Ta(t)为线性电机所在环境的当前温度，P(t)为线性电机的当前运行功率，t为线性电机的累计运行时间，k1和k2(t)为预设参数。

进一步地，获取线圈的初始磁芯温度的步骤可以包括：获取对线圈施加的脉冲宽度调制电压；对脉冲宽度调制电压和线圈的电流进行滤波；根据滤波后的脉冲宽度调制电压和线圈的电流通过预设算法获得线圈的初始电阻；以及根据公式计算线圈的初始磁芯温度T0，其中R0为线圈的初始电阻，R1为线圈的磁芯温度为T1时的已知电阻，T为国标铜质线圈温度参数。

步骤S104中根据当前磁芯温度确定线圈的修正电阻的步骤可以包括：根据公式计算线圈的修正电阻R。步骤S104中根据当前磁芯温度确定线性电机的修正电机系数的步骤可以包括：根据公式α＝α0·(1+k·Δt)计算线性电机的修正电机系数α，其中α0为线圈的磁芯温度为T2时的已知电机系数，k为预设常数，Δt为当前磁芯温度T(t)与T2的差值。

其中，已知电机系数α0和预设常数k均可以通过预先获取的磁芯温度和电机系数的线性关系图得到。具体地，可以在不同的环境温度下，对处于其中的保持关机状态的线性电机进行测试，检测其在不同环境温度下的电机系数。由于线性电机处于关机状态，可以认为环境温度即磁芯温度，因而可以得到磁芯温度和电机系数的线性关系图。由于在测试过程中已经获得多个不同磁芯温度下的电机系数，则电机系数α0可以为上述获得的电机系数中任意其中之一，而T2则是对应的磁芯温度。例如，若α0为磁芯温度为0℃时的电机系数，即T2为0℃，则Δt为当前磁芯温度T(t)与T2的差值，即Δt等于T(t)。上述磁芯温度为0℃仅为例举，而并非对本发明的限定，在其他一些实施例中，α0可以为磁芯温度为其他磁芯温度时的电机系数。需要说明的是，电机系数为与线性电机本身有关的一个系数，在其他条件相同时，因线性电机不同而不同。

本实施例的线性电机的行程计算方法，能够实时获取线圈的当前磁芯温度，并进而对电机系数和磁芯电阻进行及时的修正，提高行程计算的准确度，避免计算得到的行程偏差过大，影响线性电机的工作可靠性。

在一些可选实施例中，可以通过对上述步骤的进一步优化和配置使得线性电机实现更高的技术效果，以下结合对本实施例的一个可选执行流程的介绍对本实施例的线性电机的行程计算方法进行详细说明，该实施例仅为对执行流程的举例说明，在具体实施时，可以根据具体实施需求，对部分步骤的执行顺序、运行条件进行修改。图2是根据本发明一个实施例的线性电机的行程计算方法的详细流程图。该线性电机的行程计算方法包括以下步骤：

步骤S202，获取线性电机的外加电压、线圈的电流和线圈的电感；

步骤S204，获取对线圈施加的脉冲宽度调制电压；

步骤S206，对脉冲宽度调制电压和线圈的电流进行滤波；

步骤S208，根据滤波后的脉冲宽度调制电压和线圈的电流通过预设算法获得线圈的初始电阻；

步骤S210，根据公式计算线圈的初始磁芯温度T0；

步骤S212，获取线性电机所在环境的当前温度、线性电机的当前运行功率以及线性电机的累计运行时间；

步骤S214，根据公式T(t)＝T0+(Ta(t)-T0+k2(t)·P(t))×(1-e^-k1·t)计算线圈的当前磁芯温度T(t)；

步骤S216，根据公式计算线圈的修正电阻R；

步骤S218，根据公式α＝α0·(1+k·Δt)计算线性电机的修正电机系数α；

步骤S220，根据公式计算线性电机的行程X。

在以上步骤中，步骤S204中获取对线圈施加的脉冲宽度调制(Pulse WidthModulation，简称PWM)电压。软件在每个PWM周期内，对电流和电压实时采样，然后执行步骤S206，对脉冲宽度调制电压和线圈的电流进行滤波，使得后续得到的初始电阻的值更加准确。步骤S208中的预设算法可以包括：移动平均算法或者差分算法。

步骤S210中的公式R0为线圈的初始电阻，R1为线圈的磁芯温度为T1时的已知电阻，T为国标铜质线圈温度参数。R1可以预先在线性电机处于关机状态，线圈的磁芯温度为T1时直接测量得到。此外，T为国标铜质线圈温度参数，也是已知的参数。

步骤S212中线性电机所在环境的当前温度、线性电机的当前运行功率以及线性电机的累计运行时间均可以直接测量或记录得到。

对于线性电机本体，净热量的积累会导致温度变化，即ΔQ＝Q1-Q2，其中Q1为产热量，Q2为散热量。从整个热能系统角度观察，稳态后的热能系统，产热量与散热量趋向于平衡状态，即ΔQ趋近于0。非稳态的热能系统中，ΔQ变化，产热量主要来源于输入功率、机械摩擦等，散热量的主要来源为冷媒循环焓差值的变化等，而作用到线性电机本体上，该值会体现在线性电机与冷媒气体共振频率参数f上。即输入功率与线性电机的机体固有共振频率可以在一定程度上反映产热量与散热量关系，需要额外参数修正，即步骤S214的公式T(t)＝T0+(Ta(t)-T0+k2(t)·P(t))×(1-e^-k1·t)中的预设参数k1和k2(t)。

另一方面，在稳定功率和稳定环境中，热能系统由非稳态进入稳态过程，其ΔQ渐渐变小，最终达到产热量与散热量平衡，即ΔQ趋近于0。发明人经过大量实验发现，该状态符合e指数变化趋势，即ΔQ∝(1-e^-k1·t)，在该式中，k1反映稳定功率和稳定环境下，热能系统由非稳态进入稳态过程的时间延迟，只与热能系统有关，可以在稳定功率稳定环境下实际测得。对于非稳态，e指数函数需要增加与运行功率P和工况相关的零状态起始数值，修正公式为Tt＝T0+(Ta-T0+k2·P)·(1-e^-k1·t)。其中k2反映因运行功率P或频率波动导致温升曲线快速偏离变化原曲线，使后续温升曲线快速同步到基于当前功率和频率下新的温升曲线。线性电机动态运行过程中，修正上一公式后得到步骤S214中的公式T(t)＝T0+(Ta(t)-T0+k2(t)·P(t))×(1-e^-k1·t)。需要说明的是，根据实际热能系统和线性电机所在系统的承载冷媒种类，可以直接得到预设参数k1和k2(t)。其中T0为线圈的初始磁芯温度，Ta(t)为线性电机所在环境的当前温度，P(t)为线性电机的当前运行功率，t为线性电机的累计运行时间，k1和k2(t)为预设参数。

步骤S214根据公式T(t)＝T0+(Ta(t)-T0+k2(t)·P(t))×(1-e^-k1·t)计算得到线圈的当前磁芯温度T(t)后，可以代入步骤S216中的公式以计算得到线圈的修正电阻R。

步骤S218中的α0为线圈的磁芯温度为T2时的已知电机系数，k为预设常数，Δt为当前磁芯温度T(t)与T2的差值。其中，已知电机系数α0和预设常数k均可以通过预先获取的磁芯温度和电机系数的线性关系图得到。具体地，可以在不同的环境温度下，对处于其中的保持关机状态的线性电机进行测试，检测其在不同环境温度下的电机系数。由于线性电机处于关机状态，可以认为环境温度即磁芯温度，因而可以得到磁芯温度和电机系数的线性关系图。由于在测试过程中已经获得多个不同磁芯温度下的电机系数，则电机系数α0可以为上述获得的电机系数中任意其中之一，而T2则是对应的磁芯温度。例如，若α0为磁芯温度为0℃时的电机系数，即T2为0℃，则Δt为当前磁芯温度T(t)与T2的差值，即Δt等于T(t)。上述磁芯温度为0℃仅为例举，而并非对本发明的限定，在其他一些实施例中，α0可以为磁芯温度为其他磁芯温度时的电机系数。需要说明的是，电机系数为与线性电机本身有关的一个系数，在其他条件相同时，因线性电机不同而不同。

步骤S220中的U为线性电机的外加电压，I为线圈的电流，L为线圈的电感，α为线性电机的修正电机系数，R为线圈的修正电阻。线性电机通过控制行程来达到控制排气量的目的，因而对行程计算的精度要求较高。具体地，推导步骤S220中公式的步骤如下：

根据基尔霍夫电压定律(Kirchhoff laws)，在任何一个闭合回路中，各元件上的电压降的代数和等于电动势的代数和。因此，电机在任意时刻，都有以下平衡公式：其中E为反电动势，可以用修正电机系数α和运送速率V表示为α·V，将其带入上述平衡公式，并根据行程X为运送速率V对时间t的积分，可以得到步骤S220中公式

需要说明的是，在获取线圈的当前磁芯温度的步骤之前还可以包括：获取开启线性电机的触发信号。在计算线性电机的行程X的步骤之后还可以包括：判断是否接收到线性电机的关机信号；以及若是，控制线性电机关机。

发明人经过多次实验发现，采用本实施例的线性电机的行程计算方法，在稳定状态下，线性电机所在环境的当前温度为23℃，线性电机累计运行时间约2小时的情况下，计算得到的线圈的当前磁芯温度T(t)与内置的精密温度传感器获得的实际温度的最大误差为3℃。在波动状态下，线性电机所在环境的当前温度为23℃，线性电机累计运行时间约2小时的情况下，计算得到的线圈的当前磁芯温度T(t)与内置的精密温度传感器获得的实际温度的最大误差为4℃。此外，在波动状态下，计算得到的当前磁芯温度T(t)的计算温度曲线能很快跟随到传感器测得的实际温度曲线，与实际温度偏差可以忽略不计。

因此可知，采用本实施例的线性电机的行程计算方法能够保证计算出的当前磁芯温度T(t)的准确度，进而根据当前磁芯温度T(t)得到的修正电阻R和修正电机系数α也更精确，因而能够计算出正确的行程，提高线性电机的工作可靠性。此外，本实施例通过软件功能的开发来实时计算得到线圈的当前磁芯温度，进而得到修正电机系数和修正电阻，并没有增加复杂的传感器或其他结构，还有效降低了线性电机的整体成本。

本实施例还提供了一种线性电机，其包括具有磁芯的线圈，且线性电机配置成利用上述任一种线性电机的行程计算方法计算行程。本实施例的线性电机采用上述任一种线性电机的行程计算方法计算行程，能够实时获取线圈的当前磁芯温度，并进而对电机系数和磁芯电阻进行及时的修正，提高行程计算的准确度。此外，本实施例的线性电机采用上述任一种线性电机的行程计算方法计算行程，仅通过软件功能的开发来实时计算得到线圈的当前磁芯温度，进而得到修正电机系数和修正电阻，并没有增加复杂的传感器或其他结构，在有效降低线性电机成本的同时保证行程计算准确，提高线性电机的工作可靠性。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种线性电机的行程计算方法，其中所述线性电机包括具有磁芯的线圈，且所述行程计算方法包括：

获取所述线性电机的外加电压、所述线圈的电流和所述线圈的电感；

获取所述线圈的当前磁芯温度，并根据所述当前磁芯温度确定所述线性电机的修正电机系数和所述线圈的修正电阻；以及

根据公式计算所述线性电机的行程X，其中U为所述线性电机的外加电压，I为所述线圈的电流，L为所述线圈的电感，α为所述线性电机的修正电机系数，R为所述线圈的修正电阻。

2.根据权利要求1所述的线性电机的行程计算方法，其中获取所述线圈的当前磁芯温度的步骤包括：

获取所述线圈的初始磁芯温度、所述线性电机所在环境的当前温度、所述线性电机的当前运行功率以及所述线性电机的累计运行时间；以及

根据公式T(t)＝T0+(Ta(t)-T0+k2(t)·P(t))×(1-e^-k1·t)计算所述线圈的当前磁芯温度T(t)，其中T0为所述线圈的初始磁芯温度，Ta(t)为所述线性电机所在环境的当前温度，P(t)为所述线性电机的当前运行功率，t为所述线性电机的累计运行时间，k1和k2(t)为预设参数。

3.根据权利要求2所述的线性电机的行程计算方法，其中获取所述线圈的初始磁芯温度的步骤包括：

获取对所述线圈施加的脉冲宽度调制电压；

对所述脉冲宽度调制电压和所述线圈的电流进行滤波；

根据滤波后的所述脉冲宽度调制电压和所述线圈的电流通过预设算法获得所述线圈的初始电阻；以及

根据公式计算所述线圈的初始磁芯温度T0，其中R0为所述线圈的初始电阻，R1为所述线圈的磁芯温度为T1时的已知电阻，T为国标铜质线圈温度参数。

4.根据权利要求3所述的线性电机的行程计算方法，其中根据所述当前磁芯温度确定所述线圈的修正电阻的步骤包括：

根据公式计算所述线圈的修正电阻R。

5.根据权利要求4所述的线性电机的行程计算方法，其中根据所述当前磁芯温度确定所述线性电机的修正电机系数的步骤包括：

根据公式α＝α0·(1+k·Δt)计算所述线性电机的修正电机系数α，其中α0为所述线圈的磁芯温度为T2时的已知电机系数，k为预设常数，Δt为所述当前磁芯温度T(t)与T2的差值。

6.根据权利要求5所述的线性电机的行程计算方法，其中，

所述已知电机系数α0和所述预设常数k均通过预先获取的磁芯温度和电机系数的线性关系图得到。

7.根据权利要求1所述的线性电机的行程计算方法，其中在获取所述线圈的当前磁芯温度的步骤之前还包括：

获取开启所述线性电机的触发信号。

8.根据权利要求1所述的线性电机的行程计算方法，其中在计算所述线性电机的行程X的步骤之后还包括：

判断是否接收到所述线性电机的关机信号；以及

若是，控制所述线性电机关机。

9.根据权利要求3所述的线性电机的行程计算方法，其中，

所述预设算法包括：移动平均算法或者差分算法。

10.一种线性电机，其包括具有磁芯的线圈，且所述线性电机配置成利用权利要求1至9任一项所述的线性电机的行程计算方法计算行程。