CN1846061A - 线性马达控制器改进结构 - Google Patents
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Abstract
一种自由活塞气体压缩机，其具有汽缸，活塞，所述活塞可在所述汽缸内以交替的压缩和膨胀冲程做往复运动。往复式线性马达可驱动地连接到所述活塞。控制器被编程，以在包括至少一个当前压缩冲程时间或膨胀冲程时间的关系的基础上，控制或调整线性马达的功率输入，该关系表示在没有任何碰撞的情况下活塞的TDC位置。在优选实施例中，控制器获得反映压缩冲程时间和膨胀冲程时间之间的差值的测量结果，并且响应所获得的测量结果而调整功率输入。
Description
技术领域
本发明涉及到用来驱动压缩机的线性马达控制器，但是特别地，并不只是用来驱动制冷器压缩机。
背景技术
线性压缩机马达对移动线圈或移动磁铁基起作用，而在马达与活塞连接的时候，如当马达位于压缩机中时，由于和使用曲轴的较常规压缩机不同，冲程大小是不固定的，需要对冲程大小进行密切控制。在正被压缩的流体条件中施加超额马达功率可能会导致活塞与其所位于的汽缸盖发生碰撞。
在WO 00/79671号国际专利公开中，申请人公开了一种自由活塞压缩机的控制系统，该系统将马达功率限制为进入压缩机的制冷剂特性的函数。但是在某些自由活塞制冷系统中，检测实际的活塞碰撞，然后响应该碰撞减少马达功率可能是有用的。当由于任何原因出现超额马达功率时，这种策略完全可以用来避免压缩机损坏，或者该策略可以被用作保证高容积效率的一种方式。特别是涉及到后者时，可以通过某个功率来驱动压缩机，其中该功率被设置为正好小于引起活塞碰撞的功率，从而确保活塞在最小的顶端余隙容积的条件下运行。顶端余隙容积最小化使容积效率增加。
在WO 03/44365号国际专利公开中，我们讲述了一种系统，即当发生活塞碰撞时，对碰撞进行检测的系统。所描述的系统包括对半周期次数进行监控，半周期次数的迅速减小表示碰撞已经发生。随后线性马达输入功率的降低使压缩机在高容积效率和顶端余隙容积为零的状态下运行。
但是，WO 03/44365号国际专利公开中所描述的控制模式要求实际碰撞的发生，这对压缩机的长期性能是有害的。此外，在未发生碰撞的情况下，很难确定为确保有效运行而要将驱动电流降低的程度。为了降低碰撞的风险，可以做出过度保守的调整。
发明内容
本发明的目的是要提供控制器改进结构，该改进结构是要通过某种方式克服这些缺陷，或至少向行业提供有用的选择。
因此本发明一方面存在于自由活塞气体压缩机之中，该气体压缩机包括：
汽缸，
活塞，
所述活塞在所述汽缸内以交替的压缩和膨胀冲程做往复运动，
往复式线性马达，可驱动地连接到所述具有至少一个励磁绕组的活塞，以及
控制器，其被编程以进行下列操作：
基于包括当前压缩冲程时间或膨胀冲程时间中至少一个的关系，控制或调整线性马达的功率输入，该关系表示(直接或间接)在没有任何碰撞的情况下活塞的TDC位置。
这可以是，例如单一冲程和与其最接近的相邻冲程之间的差值，或者可以是若干个冲程的短期平均值，最大值，最小值或中值，该若干个冲程中的每一个都是第二冲程。
本发明另一方面存在于自由活塞气体压缩机之中，该气体压缩机包括：
汽缸，
活塞，
所述活塞在所述汽缸内以交替的压缩和膨胀冲程做往复运动，
往复式线性电动马达，可驱动地连接到所述具有至少一个励磁绕组的活塞，以及
控制工具，基于包括当前压缩冲程时间或膨胀冲程时间中至少一个的关系，控制或调整线性马达的功率输入，该关系表示(直接或间接)在没有任何碰撞的情况下活塞的TDC位置。
根据另一方面，本发明存在于自由活塞线性压缩机的控制方法之中，该方法包括：基于包括当前压缩冲程时间或膨胀冲程时间中至少一个的关系，控制或调整线性马达的功率输入，该关系表示(直接或间接)在没有任何碰撞的情况下活塞的TDC位置。
根据另一方面，本发明存在于自由活塞线性压缩机的控制方法之中，包括通过相对于其它已测量的时间，观测压缩冲程或膨胀冲程的时间，从而确定活塞TDC在给定的历史周期内位于顶点附近。
根据另一方面，本发明存在于自由活塞线性压缩机的控制方法之中，该方法包括：基于包括不依赖于膨胀冲程时间的压缩冲程时间的关系，控制线性马达的功率输入。
根据另一方面，本发明存在于自由活塞线性压缩机的控制方法之中，包括在以一定的分析为基础的满容量操作期间，控制线性马达的功率输入，其中该分析至少在大体上不变的操作条件下对膨胀冲程的时间起作用。
根据另一方面，本发明存在于自由活塞线性压缩机的控制方法之中，包括基于压缩冲程时间的函数或关系与预设阈值的比较，在满容量操作期间，控制线性马达的功率输入。
优选关系可基于作为满周期时间组成部分的压缩冲程和膨胀冲程的相对时间。压缩冲程的缩短与膨胀冲程的任何缩短无关，这表示活塞TDC通过移动更靠近顶点。膨胀冲程的延长与压缩冲程的任何延长无关，这也表示活塞TDC通过移动更靠近顶点。
该关系可以包括压缩或膨胀冲程时间之间的绝对比较或分级比较，或者一个压缩或膨胀冲程时间和整个周期时间之间的分级比较。
冲程时间可以是单一(例如最近)实例，或者可以是一组当前结果的平均值，中值，最大值或最小值。例如每个冲程时间都可以是先前的一组六个这类时间的平均值。
这样识别“压缩”或“膨胀”冲程通常不是必须的。而在某些结构中可能是有必要的，例如控制是在单独的膨胀冲程的情况中，就是有必要的，在该种情况中选择较长时间的交替冲程通常就足够了。
基于该关系的控制可以包括基于关系的连续或周期反馈控制，和/或以与该关系的数值输出有关的触发值为基础的间歇调整。反馈控制和关系可以是，例如简单或加权函数，模糊逻辑控制等等。触发值可以在，例如查询表中进行预先设置，或者可以由同时期事件历史来确定，例如后面所检测到的活塞与顶端之间的碰撞。触发值可以取决于压缩机的一个或多个独立运行条件。例如在制冷系统中，触发值可以最好地取决于抽吸端压力或温度。在触发值取决于一个或多个运行条件的情况中，触发值可以是运行条件的函数，或者可以来源于包括一列预设数据的查询表。
控制优选地包括保持关系的输出值在一侧接近但不超过预设触发值或阈值。该关系优选为膨胀冲程时间和压缩冲程时间中的一个与另一个相减。如果该关系涉及到压缩冲程时间减去膨胀冲程时间，那么控制就要试图保持输出值高于预设值(可以为负值)。如果该关系涉及到膨胀冲程时间减去压缩冲程时间，那么控制就要试图保持输出值高于预设值，其中该预设值通常不为负值。
控制包括对任何关系的评估，并且来源于线性马达的合适或经过调整的功率输入，该控制可以完全在软件，或电子逻辑硬件，或这两者的组合中执行。优选在微处理器上执行的软件中完全实现该控制。微处理器的相关输出可以是控制电源与线性马达连接的驱动输出。
对于本领域中技术人员来说，在不脱离附加权利要求中所定义的本发明的范围的前提下，可提出构造中的许多变化和广泛不同的本发明实施例和应用。这里的公开和说明完全是示例性的，并且倾向于具有任何限制性的意义。
附图说明
图1是线性压缩机的横截面图，
图2是可以实现本发明的自由活塞蒸汽压缩机以及相关的控制器的结构图，
图3示出根据本发明优选实施例的冲程控制器过程的流程图，
图4是在完整的压缩机周期中，电流与电压相对于时间的示例绘图。
图5是图3中的工艺所使用的阈值查询表的图表。
图6是执行这里所描述的控制的原型线性压缩机的最小顶端余隙(“间隙”)相对于蒸发温度(Tevap)的绘图。
具体实施方式
本发明提供了由线性电动马达提供动力的自由活塞往复式压缩机的控制方法。
虽然在下文的说明中，本发明是参照圆柱状线性马达进行描述的，但是应当清楚的是，该方法对于通用的线性马达是同等适用的，并且特别地，还适用于平坦线性马达，参看例如，我们的国际专利申请PCT/NZ00/00201，该专利申请的内容结合在此作为参考。本领域中的技术人员不需要特别的努力就可以将这里所描述的控制策略应用到任何形式的线性马达驱动的自由活塞压缩机中。
图1所示的压缩机包括与往复式自由活塞压缩机连接的永磁线性马达。汽缸9是由压缩机外壳30内的汽缸弹簧14来支撑的。活塞11是由汽缸内腔和其弹簧13所形成的轴承通过弹簧底座25来径向支撑的。可以通过本领域已知的多种方法中的任何一种，来将轴承润滑，例如我们的共同未决国际专利申请PCT/NZ00/00202中所描述的气体轴承，或者国际专利公开WO00/26536中所描述的油轴承，其中这两个专利申请的内容结合在此作为参考。本发明同样适用于可供选择的往复系统。例如虽然在下文中是参照具有组合气体/机械弹簧系统的压缩机来进行描述，但是在本发明中可以完全使用气体弹簧系统。
活塞11在汽缸9内的往复运动通过吸气管12吸入气体，通过吸气端口26，通过吸气消声器20，以及通过阀板21上的吸气阀口24进入到压缩空间28内。压缩后的气体然后通过排气阀口23离开，在排气消声器19中保持静音，并且通过排气管18被排出来。气流流动通道可能会有很大的变化。例如在吸气端口通过活塞顶部的情况下，吸气路径可能会从活塞内部通过。
压缩机马达包括两部分定子5，6，和电枢22。使活塞11产生往复运动的力来自于电枢22(通过法兰盘7连接到活塞11上)中的两个环形径向磁化永磁体3，4的相互作用，以及空气间隙33中的磁场(由定子6和线圈1，2感应产生)。
图1中所示的具有两个线圈的压缩机马达型式，其具有在线圈1中流过的电流，该电流所产生的磁通量沿着定子6内侧轴向流动，向外径向通过末端定子齿32，穿过空气间隙33，然后进入背铁5。然后磁通量在径向向内流动穿过空气间隙33并且返回到定子6的中心齿34内之前，轴向流过一小段距离27。第二线圈所产生的磁通量径向流过中心齿34，轴向穿过空气间隙33一小段距离29，并且向外通过空气间隙33进入到末端齿35中。假设磁铁3的磁化具有与另一个磁铁4相反的极性，从齿32穿过空气间隙33的磁通量就会在径向磁化磁铁3，4上感应出轴向力。应当清楚的是，在磁铁的相反两侧上同样可能有另一组线圈来取代背铁5。
线圈1和2中的振荡电流没有必要是正弦形式，该电流在磁铁3，4上产生的振荡力在振荡频率接近机械系统的自然频率的条件下，引起了磁铁和定子的实际相对运动。该自然频率是由弹簧13，14的刚度，汽缸9和定子6的质量以及压缩空间28内气体的附加气体弹簧效应来确定的。磁铁3，4上的振荡力引起了定子部件上的反作用力。因此，定子6必须要通过粘合剂，收缩配件或夹具等等，与汽缸9刚性连接。背铁被夹持到或粘结到定子底座17上。定子底座17与汽缸9刚性连接。
控制策略
通过实验已经确定，当通过压缩机活塞—弹簧系统的自然频率驱动自由活塞压缩机时，压缩机就特别有效。但是除了慎重装备的任何金属弹簧之外，还有一种固有气体弹簧，该弹簧的有效弹簧常数是变化的。已经描述的电子整流永久磁铁马达是优选通过使用某些技术来控制的，该技术包括那些来源于申请人在例如，
WO00/79671号国际专利公开的电子整流永久磁铁马达中的经验的技术，该专利申请的内容结合在此作为参考。
当根据WO00/79671号国际专利公开中的说明来控制线性马达时，压缩机输出功率可能会增加到某一程度，此时活塞的移动会引起与密封汽缸末端的阀板的碰撞。在我们的国际专利公开WO03/44365中，我们讲述了一种检测碰撞的系统。当碰撞发生时，观察到活塞的往复运动周期与过滤值或平滑值相比较有下降。活塞周期是由下死点和上死点之间的两个半周期所组成的，两个半周期是不对称的。只要发生活塞碰撞，虽然两部分半周期都会立即降低，但是离开顶点的半周期要比向顶点移动的半周期长。在本发明的优选实施例中，通过对半周期时段进行监控，监测出半周期时段内任何快速下降状态，从而提供了碰撞监测器，其中快速下降指示发生碰撞，输入功率响应碰撞而降低。
根据本发明，我们设计出一种用来确定活塞TDC对阀板接近度的系统。我们发现TDC相对于顶点的位置会对每个膨胀和压缩冲程时间产生影响。靠近顶点的TDC位置与远离顶点的TDC位置相比较，减少了压缩冲程的时间。靠近顶点的TDC位置与远离顶点的TDC位置相比较，增加了膨胀冲程的时间。我们已经认识到这可以用作冲程控制的基础，其中冲程控制在TDC位置保持与顶点接近的情况下(高输出操作时必须)，运行线性压缩机，碰撞的发生得到较大的降低。这对于活塞来说，在不需要接近度或绝对位置传感器的情况下就可以得到维持。该系统可以和WO 03/44365中所描述的碰撞检测器结合在一起，这两者都可以在软件中执行并共享输入数据。还可以包括其它碰撞检测系统，例如检测碰撞噪音的麦克风。
优选的冲程控制计算压缩冲程时间tC和膨胀冲程时间tE的时间差Δt，即
Δt＝tC-tE
虽然可以计算出每个周期的时间差，但是时间差可以是，例如单一冲程和与其最接近的相邻冲程之间的差值，或者可以是若干个冲程的短期平均值，最大值，最小值或中值，该若干个冲程中的每一个都是第二冲程。
以一定的时间间隔计算Δt，并且将Δt与从非易失性存储器中存储的查询表中读取的阈值作比较。查询表提供了不同的运行条件下的阈值，特别提供了压缩机吸气压力，其中在制冷系统中，压缩机吸气压力本质上是蒸发压力，并且与最容易测量的蒸发温度有关。
可以预定给定压缩机和制冷系统设计的查询表，并且依照设计将查询表预载到所有待用控制器中。或者通过校准程序产生每个压缩机的查询表，包括在多种运行条件下缓慢增加功率，以及通过下列方式形成阈值，即增加功率直到出现碰撞和通过使用例如，这里所描述的碰撞检测装置检测出碰撞为止，并且以碰撞之前即刻观察到的Δt作为阈值的基础。
作为查询表的一个选项，我们可以在压缩机的正常运行期间间歇地得到阈值。例如可以间歇地重复进行阈值推导程序。该程序可以包括在检测出碰撞之前稳定提高功率输入的同时，监测Δt，随后采用在碰撞发生之前即刻观察到的Δt作为控制阈值。
上文中所描述的控制模式是本发明申请人的优选实施例。但是，在不脱离本发明最广泛的方面的一般范围的前提下，可以执行其它的控制模式。可以得到的其它控制算法是利用所观察到的压缩冲程时间和/或膨胀冲程时间中的变化，从而控制压缩机的功率输入到某一程度，其中该程度的功率输入实现了不发生碰撞情况下的最大余隙。
第一附加实例可以利用压缩冲程时间与满周期时间的比较。
另一个实例将会是膨胀冲程时间与满周期时间的对照。
在每一种情况中，半周期时间和满周期时间可以分别是一个以上的这种半周期或满周期的平均时间。例如，前面所述的六个实例的平均值就可以是适当的。或者，可以从当前的一组实例(例如，前述的六个实例)中确定时间的最大时间，最小时间或中值时间，并且该最大时间，最小时间或中值时间可以用于以后的控制。
比较后的观察结果之间的计算关系可以经过相当大的改变。例如可以计算比率，例如压缩冲程时间与膨胀冲程时间的比率，或膨胀冲程时间与满周期时间的比率，而不是计算时间差。本领域中的技术人员也可以想到其它函数，其中这些函数在大体上不变的制冷系统条件下，满足对压缩冲程时间和/或膨胀冲程时间中的变化有反应的必要标准。
可能的控制算法已经在上文中做出了简要的说明，其中该控制算法有效地提供了压缩冲程时间和膨胀冲程时间之间的关系。实验证明该联系提供了对制冷系统条件的合理自由度。本发明人在现实运行条件下只通过使用吸气压力的感测作为查询表索引，实现了有效控制。有效控制的实现还有望通过利用根据各个冲程与来自查询表的数值的比较，或相似的关系，例如压缩或膨胀冲程的函数与恒定数值的比较，仅对膨胀冲程和压缩冲程的其中之一进行监控。
我们认为这对于膨胀冲程时间可能特别有效，其中碰撞冲程时间中表现出的增加量要远大于压缩冲程时间中表现出的减少量。
在图2中以方块图的形式示出了优选控制器，反EMF检测被用来检测满周期的时间和每个冲程时间。EMF传感器602平行连接到马达绕组601上。EMF传感器602提供了穿过马达绕组的EMF的数字输出表示。EMF传感器602的数字化EMF输出被提供作为控制微处理器603的输入。安装在制冷剂蒸发器上的温度传感器提供了蒸发温度的输出信号指示。该信号被数字化，并且作为进一步的输入提供给控制微处理器603。控制微处理器603在数字化EMF和蒸发温度输入的基础上形成控制信号，并且将该控制信号提供给反向分流器(inverter bridge)604。反向分流器基于来自控制微处理器603的控制信号，转换马达绕组601的功率。本申请人的WO00/79671号专利公开中描述了控制微处理器603的一般控制程序。
为了实施本发明的优选实施例，并且执行WO 03/044365中所描述的碰撞检测，控制微处理器要执行冲程时间确定算法。冲程时间确定算法通过监控从EMF传感器602中接收的数字化EMF信号，确定每个压缩和膨胀冲程的时间。该算法确定冲程时间作为反EMF零交叉(back EMF zero crossings)之间的时间段。图4中图解了参照WO 00/79671中所描述的控制方法来运行的线性马达中的实例波形。一个波形表示马达绕组电压400。另一个波形表示马达电流402。图中图解了经过一个完整周期的波形，该周期包括膨胀冲程和压缩冲程。在该周期中，在每个半周期使马达通电一段控制时间ton。在膨胀冲程的开始处接通定子绕组电压。在施加电压的同时马达电流402增大。定子绕组电压在时间ton(ex)被除去。在电压恢复到零的情况下，电流402在时间ton(ex)和toff1(ex)之间衰减到零。在该衰减期间，衰减电流使定子绕组电压完全为负值。对于膨胀冲程的剩余部分，马达绕组EMF是电枢运动所感应产生的反EMF 404。当电枢在膨胀冲程结束时到达其距顶点最远的位置(被称为是下死点或BDC)时，EMF404衰减到零。零交叉toff2(ex)表示膨胀冲程结束以及压缩冲程开始的时刻。在压缩冲程开始的情况下，驱动电压422施加到马达绕组上，并且如电流曲线424所指示的，电流开始上升。在经过时间ton(comp)(图6中的点ton(comp))以后，驱动电压被除去。在驱动电压被除去的情况下，电流与在427所指示的一样开始下降，并且当在425时，使定子绕组电压完全为正值。一旦电流在toff1(comp)减少到零，EMF 406表示绕组上的感应反EMF。当电枢在接近其距顶点最近的位置(被称为是上死点或TDC)过程中速率降低时，感应反EMF 406下降到零。在TDC，电枢速率在反向转动之前瞬间为零，而反EMF零交叉出现在toff2(comp)。
在微处理器603中执行的冲程时间确定算法被编程以识别零交叉点toff2(ex)和toff2(comp)。在膨胀和压缩之间不区分的情况下，连续零交叉点之间的时段表示每个单一冲程时间，冲程时间在压缩冲程时间和膨胀冲程时间之间交替变化。冲程时间确定算法具有两个输出。一个输出表示零交叉事件的出现。另一个表示最近时期的冲程时间。
控制微处理器603执行算法以不断调整通电时间ton。图3中图解了该过程。该过程将下列量作为输入量，即冲程确定器的输出，蒸发器温度传感器的输出，以及压缩机命令指示器，Pcommand。Pcommand是以制冷器运行条件为基础，由微处理器在其它地方确定，或者在总制冷器控制器中确定。它在本质上是与压缩机传送的请求容量有关。在图示的实例中，Pcommand可以取四个数值的其中之一。数值“0”相当于压缩机的立即暂停。数值“1”相当于容量递减。数值“2”相当于使容量保持在现有水平，而数值“3”相当于容量递增。通过每半个周期中的通电时间ton中的相应增加或减少，来实现容量的改变。对于该控制来说，ton是可变的，其值是通电时间(毫秒)。
因此参照图3，优选方法包括在步骤302连续不断重复的循环开始。在每个循环的起点，该方法在步骤304等待零交叉事件，该事件要通过冲程测定算法306来指示。零交叉事件是作为导致ton控制循环连续执行的干扰，从而使得每半个周期执行一次循环。当零交叉事件由冲程测定器306来指示时，该方法在步骤308中从蒸发温度传感器310中获得蒸发温度的读数。然后进入到步骤312，从查询表314中读入Δt的阈值(Δtthreshold)。查询表314将Δt的阈值记录为蒸发温度的函数。图5中提供了图解“Δt的阈值相对于蒸发温度”的实例查询表的绘图。
在步骤316中，从冲程测定器306中获取最后的冲程时间，并且该时间被指定为可变tn。进入到步骤318，计算出Δt，以作为最近读取的冲程时间tn和前一个冲程时间tn-1之间的差值的绝对值。程序进入到判定步骤320，在该步骤中，步骤318中所计算的Δt与在步骤312从查询表314中读取的Δtthreshold作比较。
如果Δt大于Δtthreshold，该算法就要进入到步骤322。如果Δt大于阈值，这就表示压缩机的运行接近最大容量。因此在步骤322中，变量Pincrease被设置为“0”。然后算法进入到步骤324。
如果在步骤320中Δt不大于Δtthreshold，该算法就要进入到步骤326。如果Δt小于或等于阈值，这就表示压缩机的运行尚未具有最小的顶端余隙，并且还有较多的容量可以利用。因此变量Pincrease被设置为“1”。然后算法进入到步骤324。
在步骤324中，变量tn-1被设置为tn的数值。这是为了用在循环的下一次重复中。
然后算法进入到步骤326中，在该步骤中通电时间ton被调整。ton的调整是在两个变量Pcommand和Pincrease的基础上，从查找判定表中得到的。正如先前所讨论的，Pcommand输入表示被请求的压缩机运行变化。在算法中先前设置的Pincrease变量表示压缩机是否已在最大容量下运行，零表示没有额外容量。因此在Pincrease等于1的情况中有可利用的额外容量，并且ton的调整符合Pcommand所请求的调整。在我们优选的小容量，高运行频率的压缩机的情况中，如所指示的那样，我们将ton下调10μs，不做调整，或上调0.1μs。其中Pincrease等于零表示没有额外的容量可以利用，并且活塞可以横穿接近碰撞的位置。因此，ton的调整与Pcommand无关，并且无论何种情况下都会减少ton的时间，例如减少10μs。
在步骤326中已经对ton作出调整，算法在步骤327中返回到开始步骤302，并且重复循环。
显而易见，在操作中，在总控制器需要压缩机中的最大容量的情况中(例如，当将产品添加到制冷隔间中时)，Pcommand将会被固定地设定成3。这将导致ton逐步增加(每半周期增加0.1μs)，直到Δt大于蒸发温度传感器310所检测的蒸发温度Δtthreshold。一旦Δt大于阈值，ton将会被下调(每半周期下调10μs)，直到Δt不大于阈值。在以后的重复操作中，ton将被上调，直到Δt大于阈值，等等。随着传感器310所检测的蒸发温度发生变化和当该变化出现时，反馈控制观察到响应这些变化，ton在某一水平周围波动，在该水平时Δt大约与阈值相等。
本发明人已经检验了这里所描述的关于原型线性压缩机的算法，例如在我们的共同未决新西兰专利申请526361中所描述的算法。原型压缩机装备有接近度传感器，用来测量活塞在位于其上死点位置与顶点的接近度。对接近度传感器输出进行分析和监测，从而确定最接近的上死点位置，其中上死点位置是在请求最大容量(Pcommand＝3)的同时，在给定蒸发温度中的稳态运行周期范围内测量的。图5中绘出了八个蒸发温度下的顶端余隙计算结果。该图表明控制在不发生碰撞的情况下，实现了大约为0.2mm到0.25mm的一致的最小隙距。该隙距是通过利用与图5中图表一致的阈值来实现的。图5中图表的阈值是为0.2mm的预期隙距而选定的。
正如在先前提到的，碰撞检测器还可以在微处理器603中存储的软件中执行。碰撞检测器将会接收电气时间数据，并且在活塞与汽缸盖发生碰撞时，检测满周期时间的快速减小。碰撞检测器可以在不依赖图3中控制算法的情况下修改ton的数值，或者可以结合到控制算法之中。
虽然在本发明的优选实施例中，控制算法和冲程测定器的执行被描述为在控制微处理器603所执行的软件中进行，但是它们同样可以部分地或完全在分布到一个以上的模块内的外部逻辑中进行，或者可以在离散模拟电路中进行。本文中所描述的只是本发明的优选执行过程。本发明的另外的实施对于本领域中的技术人员来说，在不脱离本专利申请最广泛形式的预期范畴内的一般原理的前提下，是显而易见的。
Claims (21)
1.一种自由活塞气体压缩机，包括：
汽缸，
活塞，
所述活塞在所述汽缸内以交替的压缩和膨胀冲程做往复运动，
往复式线性电动马达，其可驱动地连接到所述活塞，具有至少一个励磁绕组，以及
控制器，其被编程以进行下列操作：
在包括至少一个当前压缩冲程时间或膨胀冲程时间的关系的基础上，控制或调整线性马达的功率输入，该关系表示(直接或间接)在没有任何碰撞的情况下活塞的TDC位置。
2.根据权利要求1所述的自由活塞气体压缩机，其中所述控制器被编程以执行下列步骤：
获得反映压缩冲程时间和膨胀冲程时间之间的差值的测量结果，
响应所获得的测量结果而调整对所述励磁绕组的功率输入。
3.根据权利要求2所述的自由活塞气体压缩机，其中所述控制器被编程以执行下列步骤：
获得一个或多个系统变量值，
在所述获得的系统变量的基础上，访问数据存储以从多个预先存储的阈值中选择一个预先存储的阈值，以及
响应所述获得的测量结果和所述检索到的阈值之间的比较调整对所述励磁绕组的功率输入。
4.根据权利要求3所述的自由活塞气体压缩机，其中所述压缩机包括吸气压力传感器，所述控制器接收来自所述压力传感器的输入，并且所述控制器从所述压力传感器输入获取所述系统变量值。
5.根据权利要求2到4中的任何一项所述的自由活塞气体压缩机，其中所述控制器包括反EMF检测器，并且被编程以执行下列步骤从而获得反映压缩冲程时间和膨胀冲程时间之间的差值的测量结果：
获得连续反EMF零交叉之间的时段的测量结果，连续反EMF零交叉之间的每个所述时段都表示单一的压缩或膨胀冲程的时间，以及
计算交替冲程之间时段的差值。
6.根据权利要求1到5中的任何一项所述的自由活塞气体压缩机，其中所述马达是电子整流永久磁铁DC马达。
7.根据权利要求1到6中的任何一项所述的自由活塞气体压缩机，其中所述压缩机还包括反EMF检测工具，用来在励磁绕组中没有励磁电流流过时，从所述至少一个励磁绕组中所感应的反EMF中取样，以及与所述反EMF检测工具的输出端连接的零交叉检测工具，还有用来确定来自所述零交叉检测工具的输出脉冲之间的时间间隔，从而确定所述活塞的每半个周期的时间的工具。
8.根据权利要求7所述的自由活塞气体压缩机，其中所述控制器被编程以计算所述活塞运行的两个连续的半周期的时间差值，并且在所述计算出的时间差值的基础上，控制或调整线性马达的功率输入。
9.一种自由活塞气体压缩机，包括：
汽缸，
活塞，
所述活塞在所述汽缸内以交替的压缩和膨胀冲程做往复运动，
往复式线性电动马达，可驱动地连接到所述活塞，具有至少一个励磁绕组，以及
控制工具，用来在包括至少一个当前压缩冲程时间或膨胀冲程时间的关系的基础上，控制或调整线性马达的功率输入，该关系表示(直接或间接)在没有任何碰撞的情况下活塞的TDC位置。
10.根据权利要求9所述的自由活塞气体压缩机，其中所述控制工具包括：
用来获得压缩冲程时间和膨胀冲程时间之间的差值的测量结果的工具，
用来响应所获得的测量结果而调整对所述励磁绕组的功率输入的工具。
11.根据权利要求10所述的自由活塞气体压缩机，其中所述控制工具包括：
用来获得一个或多个系统变量值的工具，
用来在所述获得的系统变量的基础上，访问数据存储器以从多个预先存储的阈值中选择一个预先存储的阈值的工具，以及
用来响应所述获得的测量结果和所述检索到的阈值之间的比较而调整对所述励磁绕组的功率输入的工具。
12.根据权利要求11所述的自由活塞气体压缩机，其中所述压缩机包括吸气压力传感器，所述控制工具从所述压力传感器中接收输入，并且所述控制工具从所述压力传感器输入获取所述系统变量值。
13.根据权利要求10到12中的任何一项所述的自由活塞气体压缩机，其中所述控制工具包括反EMF检测器，并且用来获得反映压缩冲程时间和膨胀冲程时间之间的差值的测量结果的所述工具包括：
用来获得连续反EMF零交叉之间的时段的测量结果的工具，连续反EMF零交叉之间的每个所述时段都表示单一的压缩或膨胀冲程的时间，以及
用来计算交替冲程之间时段差值的工具。
14.根据权利要求9到13中的任何一项所述的自由活塞气体压缩机，其中所述马达是电子整流永久磁铁DC马达。
15.根据权利要求9到14中的任何一项所述的自由活塞气体压缩机，其中所述压缩机还包括反EMF检测工具，用来在励磁绕组中没有励磁电流流过时，从所述至少一个励磁绕组中所感应的反EMF中取样，以及与所述反EMF检测工具的输出端连接的零交叉检测工具，还有用来确定来自所述零交叉检测工具的输出脉冲之间的时间间隔，从而确定所述活塞的每半个周期时间的工具。
16.根据权利要求15所述的自由活塞气体压缩机，其中用来获得测量结果的所述工具包括用来计算所述活塞运行的两个连续的半周期的时间差值的工具。
17.一种自由活塞线性压缩机的控制方法，其包括：以包括至少一个当前压缩冲程时间或膨胀冲程时间的关系为基础，控制或调整线性马达的功率输入，该关系表示(直接或间接)在没有任何碰撞的情况下活塞的TDC位置。
18.一种自由活塞线性压缩机的控制方法，其包括：通过相对于其它已测量的时间，观测压缩冲程或膨胀冲程的时间，从而确定活塞TDC在给定的历史周期内位于顶点附近。
19.一种自由活塞线性压缩机的控制方法，其包括：以包括不依赖于膨胀冲程时间的压缩冲程时间的关系为基础，控制线性马达的功率输入。
20.一种自由活塞线性压缩机的控制方法，其包括：在以一定的分析为基础的满容量操作期间，控制线性马达的功率输入，其中该分析至少在大体上不变的操作条件下对膨胀冲程的时间起作用。
21.一种自由活塞线性压缩机的控制方法，其包括：在以压缩冲程时间的函数或关系与预设阈值的比较为基础的满容量操作期间，控制线性马达的功率输入。
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