CN1193502C - 直线电动机的频率控制 - Google Patents
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Abstract
一种用于电驱动的直线型冷冻剂压缩机(11)的电气式驱动器(10)，该压缩机具有一个特征谐振频率，包括一个传感器(22)，用于在压缩机(11)的冲程开始和/或终止时测量反电动势的幅值和极性。一个控制电路(12)，用于分析所测得的反电动势，以确定驱动器频率高于还是低于压缩机(11)的谐振频率；和将驱动器(10)的频率调节到或更为靠近压缩机(11)的谐振频率。
Description
技术领域
本发明涉及直线电动机，特别涉及直线型冷冻剂压缩机的直线电动机的频率控制。
背景技术
简言之，一个直线型冷冻剂压缩机包括一个安装在驱动冷冻剂压缩机活塞的两个弹簧之间的电枢。电枢由电气式驱动器往复驱动，并交替地压缩两个弹簧中的一个或另一个。
这种直线压缩机有一个自然的谐振频率，该频率为电枢的质量和弹簧张力的函数。由于活塞附着在电枢上，谐振频率将受到施加在活塞的荷载的影响。在多数应用中，该荷载不是恒定的，因而压缩机的谐振频率将不是恒定的。
为获得高效率，直线电动机应在谐振频率下进行驱动，这就是说，驱动器频率要尽可能靠近直线电动机压缩机的谐振频率。
在已有技术中，有一些试图使驱动器频率与压缩机谐振频率同步的各种方法。一种已有的方法测量压缩机高压侧和低压侧的压力，并根据这些压力测量值调节驱动器的频率。该方法的不足之处在于没有考虑直线电动机压缩机初始谐振频率内在的变化，这种变化是由制作加工而产生的。
另一种试图使驱动器频率与谐振频率同步的已有方法，对电流波形进行检测，并根据检测所得的波形调节驱动器频率。该方法的不足之处在于电流波形与电枢移动之间的关系，在压缩机所有的运行条件下不是固定的。
澳大利亚专利No.687,294描述了一种具有单侧电枢驱动器的直线型冷冻剂压缩机。电枢所产生的反电动势被用来调节电气式驱动器的频率。这可以在反电动势为零时向压缩机提供功率来实现，反电动势可以在没有向压缩机提供功率的向下冲程之后测量(即，只在向上冲程时对压缩机供电)。该已有的系统有一些不足之处。例如，压缩机和驱动器上的波纹电流非常高，与双侧驱动器相比较在向上的冲程提供的电流高达两倍。再有，由于仅在一个方向上提供功率，压缩机的效率不能最大化，同时由于压缩机的工作时间是恒定的和对频率进行了调节，在整个工作状况的范围内，效率不可能最大化。
发明内容
本发明的一个目的是要提供一种在一个频率下驱动一个直线电动机压缩机的方法，通过测量电动机电枢所产生的反电动势，使其频率靠近压缩机的谐振频率。
直线电动机，和任何其它电动机工作一样，产生正比于电枢移动速度的反电动势。在冲程的两端，电枢的速度为零，因此，直线电动机在冲程的两端所产生的反电动势也为零。
当在电枢移动方向的折返点产生零反电动势时-即在一个新周期的开始或驱动器波形的半个周期，可调节电气式驱动器的频率，使电枢移动方向的改变与驱动波形由一个极性变为另一极性的时间相同。
根据本发明的一个方面，提供了一种控制直线电动机驱动电路频率的方法，该电动机驱动一个具有特征谐振频率的直线型冷冻剂压缩机，所说的方法的步骤包括：在压缩机冲程的开始或终止时，测量电动机反电动势的幅值和极性；分析所测得的反电动势，以确定驱动器频率高于还是低于压缩机的谐振频率；和将驱动器的频率调节到或更为接近压缩机的谐振频率。
根据本发明的另一方面，提供了一种调节直线电动机驱动电路的的方法，该电动机驱动一个具有特定谐振频率的直线型冷冻剂压缩机，所说的方法包括：在压缩机冲程的开始或终止时，监测电动机反电动势的极性；分析所监测的反电动势和将驱动器的频率调节到或更为接近压缩机的谐振频率。
根据本发明的再一个方面，提供了一种可操作地分别耦合到四个金属氧化物半导体场效应晶体管的控制电路，用于在可控频率下成对地操作金属氧化物半导体场效应晶体管以实现电枢的往复移动，在每个方向上所述电枢的移动是由不同对的金属氧化物半导体场效应晶体管驱动的，其中可以操作所述控制电路，用以测量所述电枢的反电动势的幅值和极性；用以分析所测得的反电动势，以确定驱动器频率高于还是低于压缩机的谐振频率；和将驱动器的可控频率调节到或更为接近压缩机的谐振频率。
根据本发明的再一个方面，提供一种用于一个电驱动的直线压缩机的电气式驱动器，该压缩机具有一个往复式电枢和一个特征谐振频率，驱动器包括：正向和负向电流的输入线；第一和第二电源线，每根线为压缩机的一侧供电；第一金属氧化物半导体场效应晶体管，位于负向输入线和第一电源线之间；第二金属氧化物半导体场效应晶体管，位于负向输入线和第二电源线之间；第三金属氧化物半导体场效应晶体管，位于正向输入线和第二电源线之间；和第四金属氧化物半导体场效应晶体管，位于正向输入线和第一电源线之间；一个可操作地将驱动器的受控频率调节到或更为接近压缩机的谐振频率的控制电路，该控制电路耦合到四个金属氧化物半导体场效应晶体管，并且包括耦合到一微控制器的模拟-数字变换器，其中模拟-数字变换器可操作地检测电枢的反电动势，并且将检测的反电动势变换为能够由微控制器处理的数字数据，以顺次导通或截止金属氧化物半导体场效应晶体管，由此改变驱动器的受控频率，其中所述微控制器包括在所述控制电路中。
附图说明
图1为根据本发明的一个实施例的用于直线电动机压缩机的电气式驱动器的简图。
图2为图1所示电气式驱动器的四个MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)Q1，Q2，Q3和Q4中每一个的驱动信号波形图。
图3为图1所示电气式驱动器的MOSFET Q2，在驱动器频率低于直线压缩机谐振频率时的漏极电压波形图。
图4为MOSFET Q2的漏极电压波形图，并示出当驱动器频率高于直线压缩机谐振频率，在图1所示电气式驱动器冲程开始时所检测到的反电动势，还示出了在冲程终止检测到的反电动势。
图5为图1所示电气式驱动器的MOSFET Q1，在驱动器频率高于直线压缩机谐振频率时的漏极电压波形图。
图6为本发明驱动器的驱动电流的波形图，
图7为MOSFET Q2在驱动器频率等于压缩机谐振频率时漏极电压的波形图，和
图8为在操作的一个完整的同期中，压缩机电压相对于时间的波形图。
具体实施方式
图1所示的电气式驱动器10包括四个为直线型冷冻剂压缩机11的电动机提供功率的MOSFET Q1，Q2，Q3和Q4。MOSFET Q1，Q2，Q3和Q4由一个控制电路12分别通过线13，14，15和16进行控制。在这种情况下，使用一个微控制器作为控制电路12的主要部分。该微控制器具有一个模拟-数字(A/D)变换器，变换器可检测模拟电压，并将检测到的模拟电压变换为微控制器可进行处理的数字数据。
功率通过正输入线19和负输入线20供给驱动器10。连接在线17和控制电路12之间的线21包括一个传感电阻器22。
示于图2的MOSFET Q1，Q2，Q3和Q4，在由控制电路12所控制的一个频率下，依次为导通和关断。在图2中，一个高信号表示一个MOSFET导通，一个低信号表示一个MOSFET不导通(即关断)。功率由正输入线19和负输入线20通过两对MOSFET-Q4和Q2在一个方向，Q3和Q1在另一个方向-输入压缩机11的电动机。
根据工作状况的改变，如室温的变化，压缩机11导通(ON)的时间是变化的。导通的时间可以在周期的35％和75％之间变化。在线23中使用了一个热敏电阻24，用以确定，比方说制冷系统冷凝器的温度。线23将热敏电阻两端的电压降(这是对冷凝器温度的一个度量)施加于控制电路12，在其中将电压降变换为一个数字信号，并馈送给控制电路软件中的一个查阅表，以便对于提供特定的冷凝器温度和用于制冷系统预先-确定的工作参数的该系统，以确定合适的导通时间。例如，如果压缩机的谐振频率为50赫，工作周期为20微秒，导通时间应为12微秒和关断时间为8微秒。热敏电阻24可为一个电阻器，电位器或任何其它可测量工作状态中的变化的可变传感器。
首先将说明驱动器在其频率按照检测到的冲程终止反电动势进行调节的操作。刚刚在时间t1之前，MOSFET Q2和Q4导通，向线17提供正电势和向线18提供负电势。电流由正输入线19通过Q4经过线17流入压缩机11，并随后由线12经过Q2流入负输入线20。
在时间t1，驱动器中的电流为或接近其最大值，如图6所示。在时间t1，Q4关断，但Q2保持导通。由于压缩机11的电感和与压缩机电感相关联的惯性，电流将继续沿同一方向流动，但将会降低，如图6所示。电流将由压缩机11流入MOSFET Q2(Q2仍为导通)，并通过Q1内部的体型(body)二极管回到压缩机11。如图6所示，该电流将逐渐降低，直到储存在压缩机11电感中的全部能量消散于压缩机绕组和MOSFET Q1和Q2的阻抗。
在所有的能量消散以后，电流降为零(在时间t1a)。由时间t1a到t2，在压缩机11接线端上仅有的电压将是反电动势的结果(即由于电枢的移动)。如果压缩机谐振频率在时间段t1a到t2内低于驱动器的频率，电枢将如t1之前继续沿相同方向移动。这意味着由电枢所产生的反电动势与时间t1之前施加的电压具有相同的极性-即MOSFET Q1的漏极或线17上的电压将是正的，如图5所示。
当电枢放慢下来，该电压将朝着零下降并将在电枢停止时为零。在压缩机频率低于驱动器频率的情况下，这将在t2之后发生，从而电压为正。在压缩机频率高于驱动器频率的情况下，这将在t2之前发生，从而在线17上的电压为负。
线17上的电压通过电阻器22馈送给微控制器的A/D变换器。A/D变换器将该电压变换为一个馈送给控制电路12的微控制器的数字信号。微控制器12检验该信号，若其在时间t2为正，将降低驱动器的频率。如果数字信号在时间t2为负，微控制器将提高驱动器的频率。在两种情况下，微控制器改变驱动器的频率，从而在时间t2，该信号(它代表反电动势)将尽可能接近于零，保证驱动器频率接近压缩机的谐振频率。
在时间t3通过检测线18或Q2漏极，并将该信号送到微控制器，也可达到相同的结果。这示于图7。在这种情况下，两个频率非常接近，并且反电动势在时间t3接近于零。
驱动器的频率也可通过在冲程开始时检测反电动势予以调节。在时间t2，MOSFET Q1导通，MOSFET Q2关断，而MOSFET Q3和Q4保持关断。时间2表示新周期或半个周期的开始。
在这一周期中，压缩机11通过MOSFET Q3和Q1供电，线18或MOSFETQ2的漏极将具有正电位。如果压缩机谐振频率在时间t2高于驱动器频率，电枢沿新周期的方向移动。这意味着在Q2漏极正反电动势将产生正电位，如在图3中所能看到的。
如果压缩机的谐振频率在时间t2低于驱动器频率，电枢仍将沿先前周期的方向移动。因此，反电动势将在线18或Q2漏极上产生负电位，如图4所示。该信号通过电阻器22馈送给微控制器，并变换为数字信号。如同前述的情况，微控制器将调节驱动器的频率，从而在时间t2的Q2的漏极上的信号接近于零。在理论上，这将保证驱动器的频率接近压缩机的谐振频率，如图7所示。也可通过在时间t3检测Q1漏极的信号而达到同样的结果，如图5所示，其中压缩机的频率低于驱动器的频率。
由前面的叙述可以看清，优选实施例为一个谐振型直线电动机提供了一个对称的驱动器，该电动机设置了空载时间，电动机绕组在空载时间过程中被卸荷(unload)，从而电动机的反电动势能以被监测。
复合的压缩机电压示于图8，其中：
TD-空载时间-没有在压缩机上施加电压，从而可以观测反电动势
ToN-工作时间-压缩机由驱动器供电
T-半周期时间＝TON+2TD
f＝频率＝1/2T
f＝若反电动势在时间T靠近零时的压缩机的谐振频率
对驱动器频率进行调节，使电动机的反电动势在驱动器极性由一侧变化到另一侧时接近零-这就是说，在同一时间，电枢的移动靠近零-这意味着在驱动器的波形由一侧改变到另一侧的同一时间附近，电枢正在改变方向，即驱动器频率接近压缩机谐振频率。
如上所述，反电动势的幅值代表为操作频率“脱离”谐振频率的程度。在控制电路采取校正作用之前，控制电路可以提供有小量值的反电动势。
例如，在改变驱动频率之前，一个正或负300毫瓦的偏离是可以接受的。这意味着，300毫瓦幅值被用作一个阈值。
应该理解，上面所描述的和在图中所示出的波形为压缩机驱动波形，在不脱离本发明的范围的情况下，在电气式驱动器中，可以在各不同的位置上对其进行监测。
本发明的频率控制系统可应用于驱动直线型冷冻剂压缩机的直线电动机。
Claims (8)
1.一种控制直线电动机驱动电路的频率的方法，该电动机用于驱动一个直线型冷冻剂压缩机，压缩机具有特征谐振频率，所说的方法的步骤包括：在压缩机冲程的开始和/或终止时，测量电动机反电动势的幅值和极性；分析所测得的反电动势，以确定驱动器频率高于还是低于压缩机的谐振频率；和将驱动器的频率调节到或更为接近压缩机的谐振频率。
2.一种调节直线电动机驱动电路的方法，该电动机用于驱动一个直线型冷冻剂压缩机，压缩机具有特征谐振频率，所说的方法包括：在压缩机冲程的开始和/或终止时，监测电动机反电动势的极性；分析所监测的反电动势和将驱动器的频率调节到或更为接近压缩机的谐振频率。
3.一种用于一个电驱动的直线压缩机的电气式驱动器，该压缩机具有一个往复式电枢和一个特征谐振频率，驱动器包括：
正向和负向电流的输入线；
第一和第二电源线，每根线为压缩机的一侧供电；
第一金属氧化物半导体场效应晶体管，位于负向输入线和第一电源线之间；
第二金属氧化物半导体场效应晶体管，位于负向输入线和第二电源线之间；
第三金属氧化物半导体场效应晶体管，位于正向输入线和第二电源线之间；和
第四金属氧化物半导体场效应晶体管，位于正向输入线和第一电源线之间；
一个可操作地将驱动器的受控频率调节到或更为接近压缩机的谐振频率的控制电路，该控制电路耦合到四个金属氧化物半导体场效应晶体管，并且包括耦合到一微控制器的模拟-数字变换器，其中模拟-数字变换器可操作地检测电枢的反电动势，并且将检测的反电动势变换为能够由微控制器处理的数字数据，以顺次导通或截止金属氧化物半导体场效应晶体管，由此改变驱动器的受控频率，其中所述微控制器包括在所述控制电路中。
4.根据权利要求3所述的电气式驱动器，其中所述控制电路在电枢冲程的终止测量反电动势。
5.根据权利要求3所述的电气式驱动器，其中所述控制电路在电枢冲程的开始测量反电动势。
6.根据权利要求3所述的电气式驱动器，其中所述模拟-数字变换器根据由在一个电源线和控制电路之间连接的检测线传输的模拟电压信号进行操作以产生一个代表反电动势的数字信号，并由控制电路的微控制器进行分析。
7.根据权利要求3所述的电气式驱动器，其中反电动势由所述控制电路在空载时间期间测量。
8.根据权利要求3所述的电气式驱动器，其中所述模拟-数字变换器进一步可操作地检测反电动势的幅值和方向。
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