CN112283092B - 一种无传感器式直线压缩机行程检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

一种无传感器式直线压缩机行程检测装置及检测方法，包括：驱动系统，用于生成驱动信号，并对驱动信号进行放大处理，包括信号发生器与功率放大器；执行系统，用于接收所述驱动系统的驱动信号，驱动压缩机活塞进行往复运动，并输出工作电流与感应电压信号，包括直线压缩机、电流传感器以及电压传感器；位移检测系统，用于接收所述执行系统输出的所述直线压缩机主线圈工作电流信号与所述直线压缩机感应线圈感应电压信号，并对信号进行计算处理，输出位移信号，包括位移检测器与位移显示器。本发明提高直线压缩机的行程检测精度，降低直线压缩机制造成本，推动直线压缩机在热泵空调系统中的应用。

Description

一种无传感器式直线压缩机行程检测装置及检测方法

技术领域

本发明属于机械自动化控制技术领域，特别涉及一种无传感器式直线压缩机行程检测装置及检测方法。

背景技术

压缩机是空调系统主要的耗能机构，因而提高压缩机的效能即可以相应的降低空调系统的能耗，从而增加电动汽车的行驶里程。

大量案例证明压缩空气系统具有很大的节能空间，且我国电机系统的效率较发达国家相比低20％左右，节能潜力可达20％-40％，有很大的提升空间。目前，我国汽车空调用压缩机主要以传统往复式压缩机为主，机械摩擦损失较高，效率低，与往复式压缩机相比，直线压缩机取消了曲柄连杆机构，由电机直接驱动自由活塞，减少摩擦损失，从而提高机械效率。

直线压缩机可以通过调节压缩机冲程以显着提高能效，可以实现无开/关循环损耗的容量调节，其冲程由最大排量和最小排量之间的距离定义。因此，直线压缩机的关键问题之一就是活塞位置检测。目前，直线压缩机的冲程控制普遍基于位置传感器测量的活塞位置，由于位置传感器通常价格昂贵，大大增加了直线压缩机的制造成本；且安装位置传感器需要额外的空间，尤其是在用于电子冷却应用的小型线性压缩机时，这将带来很大的技术挑战。因此，急需开发一种无传感器式直线压缩机行程检测装置及检测方法，以提高直线压缩机的行程检测精度，降低直线压缩机制造成本，推动直线压缩机在热泵空调系统中的应用。

发明内容

本发明提供一种无传感器式直线压缩机行程检测装置及检测方法，提高直线压缩机的行程检测精度，降低直线压缩机制造成本，推动直线压缩机在热泵空调系统中的应用。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种无传感器式直线压缩机行程检测装置，包括：

驱动系统，用于生成驱动信号，并对驱动信号进行放大处理，包括信号发生器与功率放大器；

执行系统，用于接收所述驱动系统的驱动信号，驱动压缩机活塞进行往复运动，并输出工作电流与感应电压信号，包括直线压缩机、电流传感器以及电压传感器；

位移检测系统，用于接收所述执行系统输出的所述直线压缩机主线圈工作电流信号与所述直线压缩机感应线圈感应电压信号，并对信号进行计算处理，输出位移信号，包括位移检测器与位移显示器。

进一步地，所述信号发生器用于根据初始设定位移信号X发出驱动频率信号f和驱动电压信号V1，所述驱动频率信号f以正弦波的形式输出，保证活塞具有适当的谐振运动以提高系统运行效率，所述驱动电压信号V1为交流电压，保证活塞能够进行往复运动。

进一步地，所述功率放大器用于接收所述信号发生器输出的驱动电压信号V1与驱动频率信号f，并将接收到的驱动电压信号V1增强放大至工作电压V2。

进一步地，所述直线压缩机采用移动磁铁式直线压缩机，包括压缩机壳体、主线圈、感应线圈、铁芯、移动磁铁、连接轴、支撑盘、活塞以及气缸，同时分别在主线圈与感应线圈上分别设有所述电流传感器与电压传感器。

进一步地，所述压缩机壳体用于固定所述主线圈、所述铁芯、所述支撑盘以及所述气缸；所述主线圈缠绕在所述铁芯上，所述感应线圈缠绕在所述主线圈上，用于感应所述主线圈两端的电压；所述铁芯中部开槽，相邻铁芯交替布置，防止所述主线圈相互阻碍；所述移动磁铁排列成一排，布置在铁芯开槽中心；所述连接轴一端与所述移动磁铁通过螺栓相连，另一端与活塞刚性相连；所述支撑盘用于固定所述连接轴，防止所述活塞发生径向偏移；保持所述主线圈、所述铁芯、所述移动磁铁、所述连接轴、所述支撑盘、所述活塞以及所述气缸中心对齐。

进一步地，所述电流传感器与电压传感器以及位移传感器用于分别测量所述感应线圈电压V3与所述主线圈工作电流I1。

进一步地，所述位移检测器用于接收所述执行系统输出的所述主线圈工作电流信号I1和所述感应线圈感应电压V3，并对其进行算法求解，输出活塞位移信号S至所述位移显示器。

进一步地，所述算法满足以下关系：

所述主线圈电流为零时，所述主线圈和所述移动磁铁之间的磁链Φ随所述移动磁铁的轴向位置(x)变化可以表示为：

Φ＝f(x) (1)

因此，如果可以确定磁链，则也可以确定活塞位置。

感应线圈中通过磁链的变化而产生的电动势E_g由下式给出：

因此，感应线圈两端的电压V_g可以表示为：

其中，

是移动磁铁的运动在感应线圈中产生的磁链变化，

是主线圈中工作电流的变化使感应线圈中所产生的感应电压，M是主线圈和感应线圈之间的互感；V_g为感应线圈的感应电压V3，可以通过电压传感器测得，I为主线圈的工作电流I1，可以通过电流传感器测得。

磁通量Φ的值可以通过E_g的积分计算获得：

Φ＝∫E_gdt+C (5)

其中，C是常数。

公式(1)说明了Φ是关于位移x的函数，因此，可以使用E_g的积分来估计活塞行程S：

其中，k是位移系数。

进一步地，所述位移信号显示器用于接收所述位移信号检测器输出的活塞行程信号S，并将其显示在屏幕上与初始输入位移信号X进行对比。

上述一种无传感器式直线压缩机行程检测装置的检测方法，其特征是，包括以下步骤：

1)启动无传感器式直线压缩机行程检测装置，向驱动系统中输入初始位移信号X，驱动系统中的信号发生器根据初始位移信号X自动生成驱动指令，包括驱动频率信号f与驱动电压信号V1，驱动频率信号f以正弦波形式输出，保证活塞具有适当谐振运动以提高系统运行效率，驱动电压信号V1为交流电压，保证活塞能够进行往复运动；功率放大器将接收到的驱动电压信号V1放大至工作电压V2，驱动执行系统工作；

2)执行系统根据接收到的驱动信号，驱动直线压缩机、电流传感器以及电压传感器工作；工作电压V2使得主线圈两端存在电势差，从而产生工作电流I1，形成轴向推动力，驱动移动磁铁轴向运动，移动磁铁的轴向运动改变通过铁芯的磁通量，在主线圈中产生感应电压，而相邻铁芯的极性相反，且主线圈两端的工作电压为交流电压，因此，主线圈中的工作电流I1为交流电流，从而产生正反交替的轴向力，实现活塞的往复运动；

3)由于主线圈中的工作电流不断进行正反变化，因此，在感应线圈中产生感应电压V3，当直线压缩机稳定工作后，电流传感器与电压传感器分别记录主线圈中工作电流I1与感应线圈中感应电压V3，并将信号发送至位移检测系统；

4)位移检测系统将主线圈的工作电流信号I1与感应线圈的感应电压信号V3输入至位移检测器，位移检测器根据上述算法(公式(1)—(7))对活塞行程S进行求解，并将结果输出至位移显示器；

5)随后将检测的活塞位移信号S与初始输入位移信号X进行对比：

case1：若两者值的误差不超过±0.5mm，则系统继续保持运行，不进行信号的调整；

case2：若两者值的误差超过±0.5mm，则系统调整驱动频率f和电压V1信号，重复上述步骤，直至检测位移信号S满足需求。

与现有技术相比，本发明提供的一种无传感器式直线压缩机行程检测装置及检测方法有如下优点：

1.本发明通过算法计算活塞行程，取消了传感器组件，简化了直线压缩机结构，有效降低了直线压缩机的设计难度与生产使用成本。

2.本发明通过闭环检测对活塞行程进行实时校准，有效提高了活塞行程的控制精度与直线压缩机的运行安全性。

附图说明

图1是本发明无传感器式直线压缩机行程检测装置总体结构框图；

图2(a)、2(b)是本发明主线圈与感应线圈结构原理图；

图3是本发明直线压缩机结构原理图；

图4是本发明检测系统运行流程图；

图1、2中：I为电流传感器，V为电压传感器，X为输入活塞行程，f为驱动频率，V1为初始电压(驱动电压信号)，V2为放大后的工作电压，I1为工作电流，V3为感应线圈电压；

图2(a)、3中：压缩机壳体1、主线圈2、感应线圈3、铁芯4、移动磁铁5、连接轴6、支撑盘7、活塞8、气缸9、电流传感器10以及电压传感器11。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1，示出了本发明一个实施例的检测装置总体结构框图，一种无传感器式直线压缩机行程检测装置，包括驱动系统、执行系统以及位移检测系统。如图2(a)、2(b)、3、4，示出了本发明实施例的执行系统结构原理图以及系统运行流程图。

具体的，驱动系统包括信号发生器与功率放大器，用于生成驱动信号，并对驱动信号进行放大处理。驱动系统根据手动输入的初始活塞8行程X，利用信号发生器生成驱动频率信号f和驱动电压信号V1，驱动频率信号f以正弦波的形式输出，保证活塞8具有适当的谐振运动以提高系统运行效率，驱动电压信号V1为交流电压，保证活塞8能够进行往复运动；随后利用功率放大器将接收到的驱动电压信号V1增强放大至工作电压V2，并将放大后的工作电压信号V2和驱动频率信号f发送至执行系统。

具体的，执行系统包括直线压缩机、电流传感器10以及电压传感器11，用于接收驱动系统输出的驱动频率信号f与工作电压信号V2，驱动直线压缩机活塞8进行往复运动，并输出工作电流I1与感应电压信号V3。直线压缩机接收工作电压V2，使得主线圈2两端存在电势差，从而产生工作电流I1，形成轴向推动力，驱动移动磁铁5轴向运动，移动磁铁5的轴向运动改变通过铁芯4的磁通量，在主线圈2中产生感应电压，而相邻铁芯4的极性相反，且主线圈2两端的工作电压为交流电压，因此，主线圈2中的工作电流I1为交流电流，从而产生正反交替的轴向力，实现活塞8的往复运动；

由于主线圈2中的工作电流不断进行正反变化，因此，在感应线圈3中产生感应电压V3，当直线压缩机稳定工作后，电流传感器10与电压传感器11分别记录主线圈2中的工作电流I1与感应线圈3中的感应电压V3，并将信号发送给位移检测系统；

具体的，位移检测系统包括位移检测器与位移显示器，用于接收执行系统输出的主线圈2的工作电流信号I1与感应线圈3的感应电压信号V3，并对信号进行算法求解，输出活塞8位移信号S与初始出入位移信号X进行对比。位移检测器利用算法对所接收主线圈2工作电流信号I1和所述感应线圈感3应电压V3进行求解，输出活塞8位移信号S至位移显示器；算法如下：

主线圈2电流为零时，主线圈2和移动磁铁5之间的磁链Φ随移动磁铁5的轴向位置(x)变化可以表示为：

Φ＝f(x) (1)

因此，如果可以确定磁链，则也可以确定活塞8位置。

感应线圈3中通过磁链的变化而产生的电动势E_g由下式给出：

因此，感应线圈3两端的电压V_g可以表示为：

其中，

是移动磁铁5的运动在感应线圈中产生的磁链变化，

是主线圈2中工作电流的变化使感应线圈3中所产生的感应电压，M是主线圈2和感应线圈3之间的互感；V_g为感应线圈3的感应电压V3，可以通过电压传感器11测得，I为主线圈2的工作电流I1，可以通过电流传感器10测得。

磁通量Φ的值可以通过E_g的积分计算获得：

Φ＝∫E_gdt+C (5)

其中，C是常数。

公式(1)说明了Φ是关于位移x的函数，因此，可以使用E_g的积分来估计活塞8行程S：

其中，k是位移系数。

位移信号显示器接收位移信号检测器输出的活塞8行程信号S，并将其显示在屏幕上与初始输入位移信号X进行对比：case1：若两者值的误差不超过±0.5mm，则系统继续保持运行，不进行信号的调整；case2：若两者值的误差超过±0.5mm，则系统调整驱动频率f和电压V1信号，重复上述步骤，直至检测位移信号S满足需求。

直线压缩机采用移动磁铁式直线压缩机，包括压缩机壳体1、主线圈2、感应线圈3、铁芯4、移动磁铁5、连接轴6、支撑盘7、活塞8以及气缸9，同时分别将电流传感器10与电压传感器11设置在主线圈2与感应线圈3上。压缩机壳体1用于固定主线圈2、铁芯4、支撑盘7以及气缸9；主线圈2缠绕在铁芯4上，感应线圈3缠绕在主线圈2上，用于感应主线圈2两端的电压；铁芯4中部开槽，相邻铁芯4交替布置，防止主线圈2相互阻碍；移动磁铁5排列成一排，布置在铁芯4开槽中心；连接轴6一端与移动磁铁5通过螺栓相连，另一端与活塞8刚性相连；支撑盘7用于固定连接轴6，防止活塞8发生径向偏移；保持主线圈2、铁芯4、移动磁铁5、连接轴6、支撑盘7、活塞8以及气缸9中心对齐。

以上是对本发明的较佳实施进行的具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (2)

1.一种无传感器式直线压缩机行程检测装置，其特征是，包括：

驱动系统，用于生成驱动信号，并对驱动信号进行放大处理，包括信号发生器与功率放大器；

执行系统，用于接收所述驱动系统的驱动信号，驱动压缩机活塞进行往复运动，并输出工作电流与感应电压信号，包括直线压缩机、电流传感器以及电压传感器；

所述直线压缩机采用移动磁铁式直线压缩机，包括压缩机壳体、主线圈、感应线圈、铁芯、移动磁铁、连接轴、支撑盘、活塞以及气缸，同时在主线圈与感应线圈上分别设有所述电流传感器与电压传感器；

位移检测系统，用于接收所述执行系统输出的所述直线压缩机主线圈工作电流信号与所述直线压缩机感应线圈感应电压信号，并对信号进行计算处理，输出位移信号，包括位移检测器与位移显示器；

所述信号发生器用于根据初始设定位移信号X发出驱动频率信号f和驱动电压信号V1，所述驱动频率信号f以正弦波的形式输出，保证活塞具有适当的谐振运动以提高系统运行效率，所述驱动电压信号V1为交流电压，保证活塞能够进行往复运动；

所述功率放大器用于接收所述信号发生器输出的驱动电压信号V1与驱动频率信号f，并将接收到的驱动电压信号V1增强放大至工作电压V2；

所述压缩机壳体用于固定所述主线圈、所述铁芯、所述支撑盘以及所述气缸；所述主线圈缠绕在所述铁芯上，所述感应线圈缠绕在所述主线圈上，用于感应所述主线圈两端的电压；所述铁芯中部开槽，相邻铁芯交替布置，防止所述主线圈相互阻碍；所述移动磁铁排列成一排，布置在铁芯开槽中心；所述连接轴一端与所述移动磁铁通过螺栓相连，另一端与活塞刚性相连；所述支撑盘用于固定所述连接轴，防止所述活塞发生径向偏移；保持所述主线圈、所述铁芯、所述移动磁铁、所述连接轴、所述支撑盘、所述活塞以及所述气缸中心对齐；

所述电流传感器与电压传感器用于分别测量所述感应电压信号V3与所述工作电流信号I1；

所述位移检测器用于接收所述执行系统输出的所述工作电流信号I1和所述感应电压信号V3，并对其进行算法求解，输出活塞位移信号S至所述位移显示器；

所述算法满足以下关系：

所述主线圈工作电流为零时，所述主线圈和所述移动磁铁之间的磁链Φ随所述移动磁铁的轴向位置(x)变化可以表示为：

Φ＝f(x) (1)

因此，如果可以确定磁链，则也可以确定活塞位置；

感应线圈中通过磁链的变化而产生的电动势E_g由下式给出：

因此，感应线圈两端的电压V_g可以表示为：

其中，

是移动磁铁的运动在感应线圈中产生的磁链变化，

是主线圈中工作电流的变化使感应线圈中所产生的感应电压，M是主线圈和感应线圈之间的互感；V_g为感应线圈的感应电压信号V3，可以通过电压传感器测得，I为主线圈的工作电流信号I1，可以通过电流传感器测得；

磁通量Φ的值可以通过E_g的积分计算获得：

Φ＝∫E_gdt+C (5)

其中，C是常数；

公式(1)说明了Φ是关于位移x的函数，因此，可以使用E_g的积分来估计活塞位移信号S：

其中，k是位移系数；

所述位移显示器用于接收所述位移检测器输出的活塞位移信号S，并将其显示在屏幕上与初始设定位移信号X进行对比。

2.根据权利要求1所述的一种无传感器式直线压缩机行程检测装置的检测方法，其特征是，包括以下步骤：

1)启动无传感器式直线压缩机行程检测装置，向驱动系统中输入初始设定位移信号X，驱动系统中的信号发生器根据初始设定位移信号X自动生成驱动指令，包括驱动频率信号f与驱动电压信号V1，驱动频率信号f以正弦波形式输出，保证活塞具有适当谐振运动以提高系统运行效率，驱动电压信号V1为交流电压，保证活塞能够进行往复运动；功率放大器将接收到的驱动电压信号V1放大至工作电压V2，驱动执行系统工作；

2)执行系统根据接收到的驱动信号，驱动直线压缩机、电流传感器以及电压传感器工作；工作电压V2使得主线圈两端存在电势差，从而产生工作电流信号I1，形成轴向推动力，驱动移动磁铁轴向运动，移动磁铁的轴向运动改变通过铁芯的磁通量，在主线圈中产生感应电压，而相邻铁芯的极性相反，且主线圈两端的工作电压为交流电压，因此，主线圈中的工作电流信号I1为交流电流，从而产生正反交替的轴向力，实现活塞的往复运动；

3)由于主线圈中的工作电流不断进行正反变化，因此，在感应线圈中产生感应电压信号V3，当直线压缩机稳定工作后，电流传感器与电压传感器分别记录主线圈中工作电流信号I1与感应线圈中感应电压信号V3，并将信号发送至位移检测系统；

4)位移检测系统将主线圈的工作电流信号I1与感应线圈的感应电压信号V3输入至位移检测器，位移检测器根据所述算法对活塞位移信号S进行求解，并将结果输出至位移显示器；

5)随后将检测的活塞位移信号S与初始设定位移信号X进行对比：

若两者值的误差不超过±0.5mm，则系统继续保持运行，不进行信号的调整；

若两者值的误差超过±0.5mm，则系统调整驱动频率信号f和驱动电压信号V1，重复上述步骤，直至检测活塞位移信号S满足需求。

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