CN1735749A - 活塞运动的控制系统 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于控制液体抽吸装置(1)中活塞(10)的运动的控制系统，该活塞(10)在液体抽吸装置(1)的框(5)中可移位，并且通过由电压(V)供电的电动机(2)进行驱动，该系统包括周期性地提供电压(V)给电动机(2)以运动活塞(10)的半导体电子装置(T)、阻性元件(Rb)、容性元件(Cy)、用以指示活塞(10)经过框(5)上的点(R)的活塞位置传感器(S)，在电压(V)应用到电动机(2)的每个周期通过阻性元件(Rb)对容性元件(Cy)进行充电，当活塞(10)经过该点(R)时，至少部分地对容性元件(Cy)进行放电。

Description

活塞运动的控制系统
本发明涉及液体抽吸装置，诸如，例如是线性压缩机，具体地，本发明涉及用于控制这种由直线电动机驱动的装置的系统和方法。
背景技术
直线电动机是一种传统概念，但是它只是最近才在电机的控制和启动领域作为成熟装置被采用。直线电动机取代旋转电动机具有许多优点，其中之一是电能的经济性，这是因为直线电动机是损耗较少的更直接的电能转换。特别是，在现在的冷却循环中已经很少使用线性压缩机，这是由于经常会遇到技术困难。
直线电动机和线性压缩机的结构可能不同；后者可能是单效或双效的，而电动机可包括工作线圈和磁体；并且该磁体可以是可运动的或静止的。
在所述的线性压缩机的情况下，人们已经选择了单效、固定的线圈和可运动的磁体。
线性型压缩机在现有技术中是公知的，并且由其中的活塞做振荡运动的机构构成，在大多数情况下，有一个弹性装置将汽缸和活塞相互连接在一起，所述弹性装置为这种运动赋予了谐振特性，所述运动的能量由直线位移电动机提供。如活塞启动的水泵或任意液体抽吸装置的等效物都可从本发明的目的中受益。
总之，为了防止活塞的运动超出所希望的幅度，超出所希望的幅度可能会对阀板产生损害，应控制所述活塞的运动。
在专利文献US5,704,711中描述了一种控制活塞运动的解决方案，其中，活塞冲程主要与施加在直线电动机上的电压电平成比例，所述直线电动机是固定磁体和可运动线圈类型的。在该解决方案中，用如下方法构成该机构，即，活塞冲程和活塞直径之间的比很大，这会导致在活塞的振荡运动过程中活塞达到的末端位置的变化(这是由于馈送电压和负载发生变化)，不会明显地干扰压缩机冷却的有效性和容量的特性。
在这种解决方案中，该机构具有用如下方法构成的排出阀，即，如果活塞超出了在其振荡运动中所希望的最大位移进程，例如当施加在电动机上的电压过大时，活塞就会接触该排出阀，并且该阀将允许活塞前进一点，这样防止撞击到阀头的板上。
在专利文献US4,602,174中描述了另一种公知的解决方案，其中，活塞的位移进程也主要与施加在直线电动机上的电压成比例，所述直线电动机是可运动磁体和固定线圈类型的。
在这种解决方案中，机构的设计不允许活塞前进越过确定的点；否则，活塞将会碰触到阀板。由于就效率而言要找到一种更优的设计，所以活塞的位移进程和活塞直径之间的比不是很大，这使得压缩机的工作更依赖于活塞位移进程的变化。作为一个例子，气体排出过程给出了非常小的进程选择，也就是大约总量的5％。
这种类型的压缩机产生的另一个影响是振荡运动中点的位移，从而活塞被移动远离排出阀。这是因为当活塞两侧的压力不同时通过活塞和弹簧形成了谐振机械系统的弹性变形。相对于振荡运动中点的偏离与排出和吸入之间的压力差成比例。
由于上面的原因，在这种情况下，必须要通过控制施加在直线电动机上的电压的装置来控制活塞位移的进程，该电压是由活塞位置信息重新馈送的，基本上根据与提供到电动机的电流和在电动机端子中感应的电压有关的信息估计的。在美国专利文献US5,342,176、US5,496,153、US5,450,521和US5,592,073中都描述了类似这种的解决办法。
在文献PI 9907432-0中描述了用于控制活塞运动的另一种解决办法。根据其所描述的解决办法，预见一监视系统，用于监视活塞经过压缩机内一个确定参考点的时间。这样，当所述活塞超过参考点的滞留时间超过预先设定的值时，就立即在相应的运动过程中减小电压电平，这样避免了与阀板的碰撞。
进一步根据在文献JP11336661中所描述的另一种技术，通过计算活塞沿压缩机汽缸的离散点的数目来控制活塞的运动。在活塞过度运动的情况下，减小提供给对应电动机的平均电压的值，以减小所述活塞的运动幅度。
被采用来提供重新馈送给该电压控制器的另一种方法是观察活塞是否与阀板发生了碰撞。通过扩音器或加速度计来检测这种碰撞，该扩音器或加速度计产生一个指令用于减小提供到电动机的电压以及由此形成的活塞位移进程。
发明目的
本发明的目的是控制线性压缩机或任意液体抽吸装置(如活塞启动的水泵)中活塞位移的冲程，以允许即使在极限负载条件下，活塞也可以前进直到其机械位移进程的最末端，而不会使活塞与阀门系统发生碰撞。
本发明还有一个目的是即使存在供电网络的外部干扰的情况下，也可控制线性压缩机或任意液体抽吸装置中活塞的位移进程，以允许即使在过载条件下，活塞也可以前进直到其机械位移进程的最末端，而不会使活塞与阀门系统发生碰撞。
本发明的另一个目的是提供对线性压缩机或任何其它液体抽吸装置中活塞位移进程的控制，而不需要关于活塞振荡中点位移的信息。
进一步的目的是提供对线性压缩机或任意液体抽吸装置中振荡进程的幅度的控制，以允许对由压缩机提供的冷却能力进行控制。
本发明还有一个目的是得到一种满足本发明目的的控制系统，其容易以工业生产的规模实现，并且具有低的制造和替换的成本，并且要得到一种自馈送的系统，其不需要使用附加的外部电源，并仍然具有低的电能消耗。
发明内容
为了实现本发明的这些目的，预见了一种用于控制液体抽吸装置中活塞的运动的控制系统，该活塞在液体抽吸装置的框中可移位，并且通过由电压供电的电动机进行驱动。该系统包括半导体电子装置，所述半导体电子装置周期性地提供电压给电动机以用于驱动活塞、阻性元件、容性元件、用于指示活塞经过液体抽吸装置的框上的点的活塞位置传感器；在电压提供到电动机的每个周期通过阻性元件对容性元件进行充电，以及当活塞经过所述点时至少部分地对容性元件进行放电。
进一步根据本发明，通过控制液体抽吸装置中活塞的运动的方法实现了上述目的，该活塞在液体抽吸装置中可移位，并且通过由电压供电的电动机进行驱动。该方法包括以下步骤：通过阻性元件对容性元件进行充电；通过位置传感器监视活塞的运动；维持容性元件的充电电平，直到位置传感器检测到活塞经过压缩机框上的预定点为止；并且至少部分地对该容性元件进行放电。
进一步根据本发明的指导，通过液体抽吸装置实现了这些目的，该液体抽吸装置包括可在框内移位的活塞，通过由电压供电的电动机驱动该活塞。该装置包括一个电路，该电路具有半导体电子装置、阻性元件、容性元件、用于指示活塞经过压缩机框上的点的活塞位置传感器。阻性元件和容性元件连接到半导体电子装置，并对半导体电子装置的出口和入口进行重新馈送，通过阻性元件对容性元件进行充电，并当活塞经过所述点时至少部分地对容性元件进行放电。
附图说明
现在将参考附图中所表示的其中一个实施例来更详细地描述本发明，附图中：
图1示意性地示出了线性压缩机；
图2说明了活塞位移的曲线以及具有本发明的控制系统的直线电动机中电压的曲线；
图3说明了根据本发明的第一实施例，用于控制线性压缩机中活塞位置的控制系统；和
图4说明了根据本发明的第二实施例，用于控制线性压缩机中活塞位置的控制系统；
图5说明了由双向启动开关产生的信号的状态以及这些信号与包含电容器Cy的电路支路的电压的时间关系。
具体实施方式
如在图1中所看到的，线性压缩机1主要包括活塞10，其以振荡运动形式在框5内移动，以便压缩通过阀板11充进并排出的气体，阀板11包括充气阀13和排出阀12。
典型地，如弹簧4的弹性装置与活塞10联系在一起，使得活塞10可以在压缩机1的框5内进行谐振运动。
通过直线型电动机2引起活塞10的运动，而直线型电动机2依次由电压V来驱动的，应该控制该电压V以防止活塞10与板11发生碰撞。
尽管图中说明的是线性压缩机，但本发明的对象可适用于任意液体抽吸装置1，例如水泵。为了此目的，人们应该仅考虑这些装置之间在结构上的不同点。
在前面的技术中所用到的控制活塞10的运动的方法包括通过微控制电路监视活塞的运动时间。要监视的时间包括：(i)活塞10超过点R的滞留时间“to”，规定该点R是在其位移进程本身内的，并且该点接近活塞10可能的最大位移M进程的末端，(ii)整个周期的持续时间“tc”，(iii)与活塞10可能的最大位移M进程相对应的时间“tom”。如果时间“to”比所希望的时间“tod”短，则增加提供给电动机2的平均电压Vm，反之亦然。并且维持所希望的位移“P”用于提供确定的冷却能力(参见图2)。
点M非常接近阀板11，典型地，其间的距离为几十微米，而点R被定位成接近阀板11，典型地，其间的距离为从1到2毫米，该距离足以避免活塞10与所述板11发生碰撞。
根据本发明，并基于上面所说到的关于活塞10的动作的信息，人们可以用无源控制电路来代替微控制的控制系统，这样，由于各部件的低成本可减小制造成本，保持低的电消耗。
特别地，根据本发明，人们预见了重新馈送(或自馈送)电子电路30、40，其采用在由微控制器控制的其它系统中所应用的相同的方案来改变活塞10位移进程的幅度，但不需要监视所说到的时间。
这样，根据本发明，通过安装在压缩机1内部的某些类型的物理传感器S可以实现对活塞经过规定的物理点R的检测，物理传感器可以是接触式的、光学的或感应的或任何其它类型(在这种情况下，参见图3)。但是，通过对在电动机2的端子上出现的电压增加磁扰也可以实现这种检测，这种干扰是例如通过电动机磁电路的具体结构产生的。这就是图4中电路40所具有的结构这种情况。
根据本文中所描述的这两种优选的解决办法，位置传感器S可以包括图3和4中所说明的电路30、40，其分别包括通过直接接触的位置传感器Sp和通过感应传感器的位置传感器Ls，并且它们可以自动地实现控制，而不需要应用微控制电路。
通过tiristor半导体装置或者双向功率开关T来执行该控制系统和方法，它们周期性地将电压V提供给电动机L。通过位置传感器Sp、Ls来启动该开关T的触发电路G(门或入口G)，位置传感器发送信号，该信号产生触发所述开关T的角度，该信号使得滞后时间与电容器Cy的放电电平成比例。连接到电容器Cy的门电路G用更长或更短的时间发送电压信号给直线电动机2，用于调整所述线性压缩机1的冷却能力。
图5说明了提供给电动机2的电压V的波形和半导体装置T没有导通的一段时间，以及电流I的波形。
如可以在图1、3和4中看到的，根据本发明的指导，电容器Cy与半导体装置T相联系，使得它联系在半导体装置T的出口SG和入口G之间，并对出口SG和入口G进行重新馈送，并且也与开关S相联系，该开关S指示活塞经过点R。
图5说明了这种解决办法是如何干扰电动机Lm入口的电压电平V的。电容器Cy支路中的电压的升高(参见图5中的A段)是Cy和Cx的电容值以及电阻RB的值的函数。这样，可以对应于压缩机1改变了的结构调整电路30、40，使得可以适当地触发半导体电子装置T(参见图5中的A’段，其中半导体T导通)。
电容器Cy的放电速度是Cy、Cx的电容值和R、RT的电阻值的函数(参见图5中曲线中的B段)，应该用适当的方式对其进行设计，使得电子装置T的触发将以适当的方式发生。
如可以在图3中看到的，该运动控制系统的第一优选实施例包括电路30，该电路30包括由机电开关构成的位置传感器Sp，当活塞10经过点R时，通过活塞10直接驱动该机电开关，导致半导体电子装置T的工作方式的改变。
在这个实施例中，为了通过对应的门触发半导体电子装置T，通过电阻Rb对电容器Cy进行充电直到电平Vb(晶体管T2的阈值电压)，并保持该状态，直到活塞10的位移进程到达点R为止，其中位置传感器Sp将闭合接触(参见图5中的Sp＝On)一段较短的时间，并将部分放电。在接下来的半个周期中，电容器Cy将以一些延迟使半导体电子装置T进入，如图2中所说明的可以从点23处电压曲线V的变型中推断得知(也可参见图3)。
电压V的零电平(或者电动机2的绕组Lm中充分低的电平，使得电动机不工作)的滞留时间将取决于位置传感器Sp的接触保持为闭合状态的时间以及Ri+Rt的值(例如，自动调温器)。应该这样设置Ri+Rt的值，使得当Rt为最大电阻值时，活塞10到达点M，电容Cy将在这样的电平下放电，在接下来的半个周期内将不再触发半导体电子装置T。
根据本发明的第二个优选实施例，并且如可以在图4所说明的系统40中看到的，通过传感器或感性元件Li实现传感器S。
在这个实施例中，传感器Li检测活塞10的经过(参见图5中的Li＝On)，使晶体管T2开始导通，至少部分地使电容器Cy放电，并用与本发明的第一个优选实施例相类似的方式来启动。
如可以在图3和4中看到的，电路30、40是自馈送的，因此，它们不需要使用外部馈送源，这减小了制造和维护的成本。
此外，晶体管T1闭合两个实施例中的电路，以便触发电子装置T，作为双向开关工作：现在对电容器Cy充电，现在对其放电。
由于这是自馈送电路30、40，作为一个优点，本发明带来了不需要使用外部的馈送源的可能性，此外导致了低的电消耗(在毫安培范围内)，并且此外使得能够在出现故障的情况下对其进行置换。
为了实现上面所描述的系统的应用，本发明还预见了一种用于控制线性压缩机1或任何其它的液体抽吸装置1中活塞10的运动的方法。该方法包括以下步骤：
-通过阻性元件Rb对容性元件Cy进行充电，
-通过位置传感器S监视活塞10的运动；
-维持容性元件Cy的充电电平，直到位置传感器S已经检测到活塞10经过点R为止，和
-至少部分地对容性元件Cy进行放电。
一旦完成放电步骤，就再次对容性元件Cy进行充电，如可在图5中看到的。
本发明还有一个目的是构成液体抽吸装置1，其具有用于控制活塞10运动的系统，用以防止活塞10撞击阀板11。
这样，根据本发明以及本发明的指导，可以避免活塞10与阀板11的碰撞。该中间状态将起到控制压缩机1的能力的作用。
本发明的系统和方法使得人们能够在每个周期更精确地估计活塞10的振荡幅度，使得电子控制能够反映以补偿冷却能力的变化(在压缩机中应用的情况下)，这种变化是很慢的变化，将活塞10振荡进程的平均幅度维持在所希望的值上，并等于P。该系统和方法也使得电子控制能够快速地反应以补偿在工作条件下由于馈送电压中的波动导致的形状的变化，并且应该在每个振荡周期都应用这些校正，以在活塞10经过物理参考点R之后在其路径的最后部分校正活塞10冲程的幅度。
本发明的系统和方法导致了快速反应的优点，在每个周期都进行校正，而不需要根据施加在电动机2上的电压和电流来进行估计，并且不会由于次要的变量而产生错误，所述次要的变量如温度、电动机2的结构和由于活塞10的表面8、9之间的平均压力差而导致产生的活塞振荡中间点的位移。
本发明使得人们能够实现对活塞10位移进程的有效控制，其独立于所需的冷却能力，从而人们可以防止活塞10撞击阀板11，即使在存在由商业电能网络中电压的自然波动而导致产生快速干扰的情况下也是如此。
尽管已描述了优选的实施例，但应该理解的是，本发明的范围涵盖了其它可能的变化，仅通过所附权利要求的内容对其进行了限定，其包括了可能的等效情况。

Claims (19)

1.一种控制系统，用于控制液体抽吸装置(1)中活塞(10)的运动，该活塞(10)在液体抽吸装置(1)的框(5)中可移位，并且通过由电压(V)供电的电动机(2)进行驱动，该系统包括：
-半导体电子装置(T)，该半导体电子装置(T)周期性地提供电压(V)给电动机(2)以驱动活塞(10)；
-阻性元件(Rb)；
-容性元件(Cy)；
-活塞位置传感器(S)，以指示活塞(10)经过液体抽吸装置(1)的框(5)上的点(R)；
-在电压(V)应用到电动机(2)的每个周期通过阻性元件(Rb)对容性元件(Cy)进行充电，当活塞(10)经过该点(R)时，至少部分地对容性元件(Cy)进行放电。
2.根据权利要求1的控制系统，其特征在于，半导体电子装置(T)通过电压(V)自馈送。
3.根据权利要求1或2的控制系统，其特征在于，半导体电子装置(T)包括一个启动入口(G)和一个出口(SG)、阻性元件(Rb)、容性元件(Cy)，所述容性元件与半导体电子装置(T)相连接并且重新馈送出口(SG)和入口(G)。
4.根据权利要求1、2或3的控制系统，其特征在于，另外的包括与入口(G)以及与容性元件(Cy)和阻性元件(Rb)连接的触发半导体电子装置(T1)。
5.根据权利要求1到4中任一个的控制系统，其特征在于，电子装置包括双向功率开关(T)。
6.根据权利要求1到5中任一个的控制系统，其特征在于，传感器(S)与装置(T)的入口(G)连接。
7.根据权利要求6的控制系统，其特征在于，通过半导体电子装置(T1)启动装置(T)。
8.根据权利要求7的控制系统，其特征在于，位置传感器(S)包括用于与活塞(10)接触的接触元件(Sp)。
9.根据权利要求8的控制系统，其特征在于，位置传感器(S)包括感性元件(Li)。
10.根据权利要求9的控制系统，其特征在于，感性元件(Li)与半导体装置(T2)连接。
11.一种控制液体抽吸装置(1)中活塞(10)的运动的方法，该活塞(10)在液体抽吸装置(1)的框(5)中可移位，并且通过由电压(V)供电的电动机(2)进行驱动，该方法的特征在于包括以下步骤：
-通过阻性元件(Rb)对容性元件(Cy)进行充电，
-通过位置传感器(Sp、Li)监视活塞(10)的运动，并且
-维持容性元件(Cy)的充电电平，直到位置传感器(Sp、Li)已经检测到活塞(10)经过框(5)上的预定点(R)为止，并且至少部分地对该容性元件(Cy)进行放电。
12.根据权利要求11的方法，其特征在于，在放电步骤之后，再次对容性元件(Cy)进行充电。
13.根据权利要求11或12的方法，其特征在于，在监视活塞(10)的运动的步骤中，启动接触元件(Sp)。
14.根据权利要求11或12的方法，其特征在于，在监视步骤中，启动感性元件(Li)。
15.一种液体抽吸装置(1)，包括可在框(5)内移位的活塞(10)，通过由电压(V)供电的电动机(2)驱动该活塞(10)，
该装置(1)的特征在于包括：
-电路(30、40)，该电路具有半导体电子装置(T)、阻性元件(Rb)、容性元件(Cy)和指示活塞(10)通过框(5)上的点(R)的活塞位置传感器(S)；
-该阻性元件(RB)和容性元件(Cy)，与半导体电子装置(T)连接，重新馈送半导体电子装置的出口和入口(G)；
-该容性元件(Cy)，通过阻性元件(Rb)对容性元件(Cy)进行充电，并当活塞(10)经过点(R)时至少部分地对其进行放电。
16.根据权利要求15的装置，其特征在于，电路(30、40)是自馈送的。
17.根据权利要求15或16的装置，其特征在于，电子装置包括双向功率开关(T)。
18.根据权利要求15、16或17的装置，其特征在于，位置传感器(S)包括用于与活塞(10)接触的接触元件(Sp)。
19.根据权利要求15、16或17的装置，其特征在于，位置传感器(S)包括感性元件(Li)。
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