CN1854519A - 直线压缩机控制器 - Google Patents

Abstract

通过包括算法(116)的控制器将自由活塞式直线压缩机(1)控制为获得高体积效率，其中算法(116)递增输入功率直到使用检测算法(117/118)检测到活塞－气缸盖碰撞，然后缩减功率输入，之后算法(116)再次递增输入功率。通过包括扰动算法(119)的控制器实现非损坏性低能碰撞，其中扰动算法(119)以周期性瞬时功率脉冲扰动输入功率斜坡，以确保在瞬时功率脉冲中引起活塞碰撞。

Description

直线压缩机控制器

技术领域

本发明涉及用于自由活塞式直线压缩机，具体地说但是并非只限于，制冷机压缩机的控制系统。该控制系统允许工作于活塞行程达到最大并且有意发生碰撞的高功率工作模式。

背景技术

直线压缩机以自由活塞为基础进行工作并且需要密切控制行程幅值，因为与使用曲柄轴的传统旋转压缩机不同，其行程幅值不固定。对流体被压缩的状态应用过量电机功率可能导致活塞与其往复运动于其中的气缸的气缸盖碰撞。

美国专利US6809434公开了一种用于自由活塞式压缩机的控制系统，其将电机功率限定为进入压缩机的制冷剂的某一特性的函数。然而，在直线压缩机中，如果能够检测实际活塞碰撞然后作为响应而减小电机功率将很有用。这种策略可以纯粹用于防止当过量电机功率因为某些原因而出现时压缩机损坏，或者可以用作通过逐渐增大功率直到碰撞发生然后在再次逐渐增大功率之前缩减功率确保高体积效率的方法。该工作模式下固有的周期性轻微活塞碰撞导致可忽略的损坏并且容易得到允许。

美国专利US6536326公开了一种使用振动检测器，如传声器检测直线压缩机中的活塞碰撞的系统。

美国专利US6812597公开了一种基于直线电机反电动势检测活塞碰撞并且因此不需要任何传感器及其相关成本的方法和系统。这使用了已经发现在活塞碰撞时会出现的周期突变。通过测量在电机定子绕组中感应的反电动势的过零点之间的时间可以获得往复运动周期和/或半周期。反电动势是电机电枢速度的函数并且因此是活塞速度的函数，过零点表示活塞在其往复运动循环中改变方向时的时刻。

当期望以最大功率和高体积效率运行压缩机时，因为在该工作模式中碰撞将规则地并且预期地发生并且伴随功率增大的连续碰撞将导致损坏，因此确保碰撞检测系统不漏过碰撞的开始就非常重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于自由活塞式直线压缩机的控制系统，其在消除活塞碰撞损坏的同时允许高功率工作。

因此，本发明的第一个方面包括一种控制自由活塞式直线压缩机的方法，包括下面步骤：

(a)逐渐增大压缩机的输入功率；

(b)通过施加周期性瞬时功率增大值而扰动步骤(a)的功率函数；

(c)监视活塞碰撞；

(d)当检测到活塞碰撞时立刻缩减所述输入功率；和

(e)连续重复步骤(a)至(d)。

本发明的另一个方面包括一种控制直线压缩机的方法，所述压缩机包括在气缸中往复运动并且由电动电机驱动的自由活塞，其中所述电机具有带有一个或多个激励绕组的定子和与所述活塞相连的电枢，该方法包括下面步骤：

(a)为所述定子绕组供应交变电流以使所述电枢和活塞往复运动，

(b)获得所述活塞的往复运动周期的指示性测量值，

(c)检测所述指示性测量值的任何突然减小，所述突然减小表示活塞与气缸盖发生碰撞，

(d)经过很多个往复运动周期逐渐增大所述定子绕组的功率输入，

(e)通过周期性瞬时功率增大值来扰动逐渐增大的定子功率，

(f)在检测到活塞周期中的任何突然减小时减小所述定子绕组的功率输入，和

(g)循环地重复步骤(d)至(f)。

本发明的另一个方面包括一种控制直线压缩机的方法，所述压缩机包括在气缸中往复运动并且由电动电机驱动的自由活塞，其中所述电机具有带有一个或多个激励绕组的定子和与所述活塞相连的电枢，该方法包括下面步骤：

(a)为所述定子绕组供应交变电流以使所述电枢和活塞往复运动，

(b)监视电机反电动势(back EMF)，

(c)检测所述电机反电动势的过零点(zero-crossings)，

(d)监视所述过零点附近反电动势波形的斜率，

(e)检测所述波形斜率中的不连续点，所述不连续点表示活塞与气缸盖发生碰撞，

(f)经过很多个往复运动周期逐渐增大所述定子绕组的功率输入，

(g)通过周期性瞬时功率增大值来扰动逐渐增大的定子功率，

(h)在检测到任一反电动势斜率不连续点时减小所述定子绕组的功率输入，和

(i)循环地重复步骤(d)至(f)。

本发明的另一个方面包括一种自由活塞式气体压缩机，其包括：

气缸，

活塞，所述活塞可以在所述气缸内部往复运动，

与所述活塞相连并且具有至少一个激励绕组的往复式直线电动电机，

用于获得所述活塞的往复运动周期的指示性测量值的装置，

用于设定所述电机的功率输入的装置，

用于控制所述功率设定装置以逐渐增大所述电机的功率输入的装置，

用于以瞬时功率增大值扰动所述逐渐增大的功率输入的装置，

用于检测所述往复运动周期中的任何突然减小的装置，所述减小表示活塞与气缸盖因为所述扰动信号而发生碰撞，和

用于对检测到往复运动周期中的任何突然减小作出响应而减小所述激励绕组的功率输入的装置。

本发明的另一个方面包括一种自由活塞式气体压缩机，其包括：

气缸，

活塞，所述活塞可以在所述气缸内部往复运动，

与所述活塞相连并且具有至少一个激励绕组的往复式直线电动电机，

用于监视电机反电动势的装置，

用于检测所述电机反电动势的过零点的装置，

用于监视所述过零点附近反电动势波形的斜率的装置，

用于检测所述波形斜率中的不连续点的装置，所述不连续点表示活塞与气缸盖发生碰撞，

用于设定所述电机的功率输入的装置，

用于控制所述功率设定装置以逐渐增大所述电机的功率输入的装置，

用于以瞬时功率增大值扰动所述逐渐增大的功率输入的装置，

用于检测所述不连续点的装置，所述不连续点表示活塞与气缸盖因为所述扰动信号而发生碰撞，和

用于对检测到任何反电动势斜率不连续点作出响应而减小所述激励绕组的功率输入的装置。

对于本发明所涉及领域的技术人员来说，他们可以提出本发明的很多结构变化和差别很大的实施例和应用，而不脱离所附权利要求书中所定义的本发明的范围。这里所公开的内容和说明仅仅是示例性的而绝非在某种意义上进行限制。

附图说明

现在参考附图说明本发明的一种首选形式，其中；

图1是根据本发明进行控制的直线压缩机的纵轴截面图，

图2以方块图形式显示了制冷机控制系统，

图3显示了使用电子换向装置的基本直线压缩机控制系统，其具有根据压缩机电机反电动势设定时间的开关算法，

图4显示了带有活塞碰撞避免措施的图3所示控制系统，

图5显示了为了压缩机的高功率工作而带有碰撞控制的图3所示控制系统，

图6显示了根据本发明包括压缩机输入功率扰动的图5所示控制系统，

图7显示了用于为压缩机绕组变换电流方向的电路，和

图8显示了表示压缩机功率输入的曲线图，显示了扰动斜坡函数高功率模式(和相应的活塞碰撞)以及相应的活塞膨胀和压缩半周期，和

图9显示了包括图3至图6中的全部控制特征的直线压缩机控制系统。

具体实施方式

本发明涉及控制由直线电动电机驱动的自由活塞式往复式压缩机。典型但非唯一的应用是用于制冷机中。

仅仅作为示例并且提供背景，图1中显示了可以按照本发明的方法进行控制的自由活塞式直线压缩机。

用于蒸汽压缩制冷系统的压缩机包括支承在外壳2内部的直线压缩机1。通常，外壳2被密闭密封并且包括进气口3和压缩气体出口4。未压缩的气体流入环绕压缩机1的外壳内部。这些未压缩的气体在吸入冲程中被吸入压缩机，并且在压缩冲程中在活塞顶14与阀板5之间被压缩并且通过排气阀6被排入压缩气体歧管7。压缩气体离开歧管7并且通过柔性管8到达外壳中的出口4。为了减小排气管8的刚度效应，优选的是，该管设置为横向于压缩机往复运动轴线的环形或螺旋形。压缩空间的气体吸入可以通过气缸盖、吸入歧管13和吸入阀29。

一般地说，图中所示直线压缩机1具有通过主弹簧相连的气缸部分和活塞部分。气缸部分包括气缸外壳10、气缸盖11、阀板5和气缸12。远离气缸盖11的气缸部分的端部18相对于气缸部分安装有主弹簧。主弹簧可以形成为如图1所示的卷簧19和板簧20的组合。活塞部分包括带有侧壁24和活塞顶14的中空活塞22。

压缩机电动电机与压缩机结构整体形成。气缸部分包括电机定子15。共同作用的直线电机电枢17通过杆26和支承体30与活塞相连。直线电机电枢17包括永磁材料(例如，铁氧体或钕)构成的本体，所述本体被磁化为提供一个或多个其朝向横向于气缸套内部活塞往复运动轴线的磁极。远离活塞22的电枢支承30的端部32与主弹簧相连。

直线压缩机1在多个悬挂弹簧上安装在外壳2内部以将其与外壳隔离。在使用中，直线压缩机气缸部分将会振动，但是因为与气缸部分相比活塞部分非常轻，因此与活塞部分与气缸部分之间的相对往复运动相比气缸部分的振动很小。

假如振动频率接近机械系统的固有频率，定子绕组33中的交变电流(不一定为正弦)在电枢磁体17上产生振动力以赋予电枢和定子充分的相对运动。该固有频率由弹簧19的刚度和气缸10与定子15的质量决定。

但是，除了弹簧19之外，还存在固有的气体弹簧，在制冷压缩机的情况下所述气体弹簧的有效弹簧常数随着蒸发器或冷凝器压力(和温度)的变化而变化。在美国专利US6809434中已经说明了考虑到这一点而设定定子绕组电流并因此设定活塞力的控制系统，其内容在此被引作参考。美国专利US6809434还说明了一种用于基于频率和蒸发器温度限制最大电机功率以使活塞/气缸盖碰撞达到最少的系统。

优选但是并非必须的是，本发明的控制系统与美国专利US6809434中所公开的控制系统协同工作。

为了给本发明中的直线压缩机控制系统提供背景，在图2中显示一种基本的制冷机控制系统。包括蒸发器102和压缩机103的制冷机101由使用中通过产生信号104的控制器设定为工作于期望的柜内温度。这导致压缩机103工作直到温度传感器105所监视的制冷机柜内温度表示已经达到期望的温度设定并且驱动控制放大器107的误差信号106降到给定阈值之下。在该时刻，压缩机103被切断。当柜内温度超过预定阈值时，误差信号106的量值超过预定值并且压缩机再次被开启。这是用于制冷机中的传统非线性反馈系统。

本发明的控制系统属于参考图2所述的传统环路系统。它接受放大器107的输出信号作为输入并且控制压缩机103，在本发明中压缩机103将是自由活塞式直线压缩机。

本发明的控制系统与图3中的基本电机控制系统协同工作并且，尽管并非必须但是优选的是与图4所示系统协同工作。参考图3，直线压缩机103A可以是已经参考图1所述的类型，其具有定子绕组，所述定子绕组由电源开关电路107所供应的交变电压供电，其中电源开关电路107可以为图7所示桥式电路的形式，所述电路使用切换装置411和412以使通过压缩机定子绕组33的极性相反的电流换向。定子绕组的另一端与同样跨接在直流电源上的两个串联电容器的连接点相连。可以用使用四个切换装置的全桥代替图7中所示的“半”桥。优选的是，控制系统被设计为控制电源开关电路107工作的编程微处理器。电源开关电路107于是由控制系统微处理器执行的开关算法(switching algorithm)108进行控制。微处理器被编程为执行各种功能或者使用后面将要说明的表，出于解释的目的，所述微处理器被表示为图3至图5所示方块图中的方块。

压缩机活塞的往复运动及其频率或周期由运动检测器109检测，在首选实施例中，所述运动检测器109包括监视往复式压缩机电枢在压缩机定子绕组中感应的反电动势并且检测反电动势信号的过零点的过程。提供控制电源开关电路107的微处理器输出信号的开关算法108具有根据反电动势过零点信号110中的逻辑跃迁产生的切换(开关)时间。这确保往复式压缩机达到最大电源效率。压缩机输入功率可以通过控制电源开关电路107施加于定子绕组上的电流量或电流持续时间来控制。还可以使用电源开关的脉宽调制。

图4显示了通过美国专利US6809434中所公开的控制技术改进的图3所示基本压缩机控制系统，该系统通过基于活塞频率和蒸发器温度设定最大功率使正常工作中的活塞/气缸碰撞减到最少。来自蒸发器温度传感器的输出111被应用于一路微处理器输入并且活塞频率由频率程序112测定，所述频率程序记录反电动势信号110中过零点之间的时间。测定的频率和测量的蒸发器温度被用于从最大功率查询表113中选择最大功率，所述查询表为比较器程序114设定最大许用功率Pt。比较器程序114从制冷机总控制器接受表示所需功率(Pr)的需求量作为第二个输入值106。比较器程序114被开关算法108用于控制切换电流量或持续时间。比较器程序114提供输出值115，所述输出值115为制冷机所需功率Pr和最大功率表113所许用功率Pt中的最小值。

只使用参考图4所述的控制思想将导致直线压缩机103A(当运行时)工作于在正常工作中没有活塞碰撞或者使活塞碰撞减到最少的状态。然而，如美国专利US6812597中所公开的那样，直线压缩机103A可以运行于“最大功率模式”，其中可以比采用图4所示控制系统获得更高的功率，但是不可避免会存在一些活塞碰撞。本发明的控制系统有助于该模式，现在将进行说明。

参考图5，其中使用了为比较器程序114提供另一路输入的功率算法116。功率算法116通过为比较器程序114提供连续增大的值而缓慢递增压缩机输入功率，这导致开关算法108提高电源开关电路107的电流量或者，优选的是导通时间。每隔n个活塞往复运动循环将功率增大至Pa+R，其中Pa是碰撞分析器(参见下面)所允许的许用功率并且R是定义递增速率的功率增量。实际上，通常n＝1。该递增连续进行直到检测到活塞碰撞。优选的是，碰撞检测过程117通过分析压缩机绕组中感应的反电动势来判定，并且所采用的技术可以是美国专利US6812597或US10/880389中所公开的技术，其中美国专利US6812597寻找活塞周期中的突然减小(如下面所述，图8(a)和图8(b)显示了活塞半周期与时间的曲线图)，而美国专利US10/880389寻找反电动势信号类似物的斜率上的不连续点。

在检测到碰撞之后，功率算法116将减量输入比较器程序114以实现功率减小。功率算法116然后再次缓慢递增压缩机输入功率直到检测到另一个碰撞并且重复该过程。

为了使检测到增大峰值活塞位移所产生的第一次碰撞(由于在增大功率下的继续碰撞可能导致损坏)的可能性达到最大，每隔m个循环由扰动算法119(参见图6)在很短的时间上以功率增大值(Rb)对功率算法116提供的有效功率斜坡信号进行周期性扰动。m的典型值可能为100。在一个实施例中，这是通过每隔1秒将电源开关电路107的导通时间增大100μs来实现的(参见图8(c))。决定于所采用的碰撞检测系统，可以使用更小的导通时间增大量，例如50μs。这相当于图8(c)中所示斜坡信号的脉冲函数扰动Rb的周期性应用，尽管应该认识到，该图是电源开关电路107的导通时间曲线图，而非其功率曲线图。如果压缩机功率几乎产生导致活塞与气缸阀盖发生碰撞的峰值活塞位移，每隔m个循环，功率在一个周期内，也就是在一个往复运动内，增大至Pa+Rp以至引起碰撞。该低能碰撞被检测到并且压缩机输入功率立刻降低S*Rp，其中s通常可能为20，因此使得确定的减量为扰动脉冲功率的20倍。斜坡函数继续再次逐渐增大压缩机功率。

当在确定可以避免增大功率下的继续碰撞的情况下需要低能非损坏性活塞碰撞时，使用所述的扰动技术，直线压缩机可以工作于最大功率和体积效率。

期望但是并非必须的是，所述的高功率控制方法与其中采用参考图4所述的碰撞避免方法进行正常工作的控制方法相结合。使用这两种技术的控制系统示于图9中。这里，比较器程序114接受三个输入Pr、Pt和Pa。在图9所示系统中，来自功率算法116的输入Pa可以通过两个碰撞检测过程117和118之一或两者缩减。如前所述，过程117寻找周期变化并且过程118寻找反电动势斜率变化。

采用这种全面的控制系统，压缩机的工作可以概括为下面所示表I和表II。

情况	状况	说明	输出
				A	正常运行	输出功率为下面所列中的最小值：1-制冷机所需的功率(Pr)2-碰撞表的许用功率(Pt)或3-碰撞检测器的许用功率(Pa)	Pr
B	碰撞避免	如果Pr＞Pt，那么功率被保持在Pt。这里Pt是运行频率和蒸发压力(或温度，由于蒸发温度与压力密切相关)的函数	Pt
				C1C2	碰撞反应经常碰撞	如果检测到碰撞，那么将功率减小大约Rp如果在过去的p个循环中已经有超过一次碰撞，那么将功率减小n*Rp	Pt-Rp或Pr-RpPt-nRp或Pr-nRp
C3	最近没有碰撞	如果在过去的q个循环中没有碰撞，那么将功率增大ΔP(这可以继续直到功率达到其初始值(Pt))	Pt-nRp+ΔP或Pr-nRp+ΔP
				D	安全网(仅仅出现于“碰撞检测算法”没有检测到严重碰撞)	如果任何时候反电动势斜率(S)超过参考值(Sr)，那么将功率减小至最小值(Pmin)	Pmin

定义：

Pr、Pa、PtRpnpPmin

通过改变换向时间设定的功率水平减小功率水平的功率步幅功率变化的倍数，通常n＝1在增大功率之前必须没有碰撞的循环数，通常p＝1000000预先设定的最小功率，通常大约为20W

表I-以避免碰撞为目标的压缩机正常运行的逻辑

情况	状况	说明	输出
				A	正常运行	输出功率为制冷机所需功率(Pr)与碰撞分析器许用功率(Pa)中的最小值	Pr
BB1B2B3	高功率碰撞反应经常碰撞最近没有碰撞	如果Pr＞Pa，那么每隔n个循环将功率增大至Pa+R。在m个循环之后，如果碰撞将要发生，在一个周期内将功率增大至Pa+Rp以产生轻微碰撞如果检测到碰撞，那么将功率减小大约s*Rp如果在过去的p个循环中已经有超过一次碰撞，那么将R减小δR(这可以继续直到R成为很大的负数)如果在过去的q个循环中没有碰撞，那么将R增大ΔR(这可以继续直到R达到其初始值)	Pa+R或Pa+RpPa-s*RpPa+R-δRPa+R+ΔR
				C	安全网(仅仅出现于“碰撞检测算法”没有检测到严重碰撞)	如果任何时候反电动势斜率(S)超过参考值(Sr)，那么将功率减小至最小值(Pmin)	Pmin

定义：

Pr、PaRRpmspqPmin

通过改变换向时间设定的功率水平定义“递增速率”的功率增量当泵运行在其最大行程附近时扰动功率水平以迫使轻微碰撞的功率步幅各次扰动之间的循环数，通常m＝100在碰撞之后确定功率缩减的倍数，通常s＝20在增大R之前必须没有碰撞的循环数，通常p＝1000000在碰撞计数中的循环数，通常q＝10000预先设定的最小功率，通常大约为20W

表II-存在固有低能碰撞的高功率运行的逻辑

优选的是，碰撞检测算法是由美国专利US6812597中所述发现活塞周期的突然减小而衍生的算法。现在将说明由该方法所衍生的改进技术。

振动活塞22的周期由分别位于下止点与上止点之间的两个半周期构成，但是没有一个连续或者甚至交替的半周期是对称的。活塞背离气缸盖(阀板5)运动的半周期膨胀冲程比活塞朝向气缸盖运动的半周期压缩冲程更长。此外，因为直线压缩机经常在连续的循环中以不同的周期运行(如果排气阀开始泄漏这将更明显)，因此将时间段分成奇数循环和偶数循环将很有用。于是，在活塞碰撞检测的首选方法中，存储和监视四个时间段：偶数循环的压缩和膨胀以及奇数循环的压缩和膨胀。优选的是，在该方法中假定两个较短的半周期(压缩冲程)中任一个的突变表示活塞碰撞。在图8(b)中显示了典型的偶数短周期，而图8(a)显示了典型的偶数膨胀冲程半周期。

用于首选碰撞检测算法117中的过程是存储上述四个半周期的来自检测器109的反电动势过零点时间间隔作为指数加权平均(ewma)，为奇数和偶数循环的第一和第二半周期中的每个半周期提供平滑或滤波值。优选的是，采用加权使用无限脉冲响应(IIR)，使得输出的半周期时间最新估计为最后值的1/8加先前估计值的7/8。将这些估计值与检测到的最近相应半周期的周期连续比较，并且监视这些比较结果用以监视突然减小。如果差值超过一定量“A”，算法117就指示碰撞。临界差值“A”的值可能为20微秒。可以使用其它阈值，特别是当扰动脉冲能量不同于100μs导通时间所产生的能量时。

当检测到碰撞时，减小电源开关电路107的导通时间(例如，参见图8(c)中所示跃迁D)以停止进一步碰撞。在一个实施例中，导通周期被减小51.2μs以产生先前提到的s*Rp减量。一旦碰撞停止，就允许电源开关电路107的导通时间经过一段时间缓慢增大至其先前值(参见图8(c)中斜坡函数R)。用于获得适当工作的时间段的数值为大约1小时。当然，可以通过控制电流量或者通过脉宽调制实现功率控制以实现与上述相同的效果。

这是表II中的高功率模式。作为选择，导通时间将保持减小直到系统变量显著变化。在美国专利US6809434中的系统被用作主电流控制算法的一个实施例中，可以通过预定最大电流中的变化监视这种系统变化。在这种情况下，它将响应于频率或蒸发器温度的变化。在首选实施例中，该算法与提供监视作用的碰撞检测算法的组合提供了超过现有技术的改进的体积效率。

Claims (12)

1、一种控制自由活塞式直线压缩机的方法，其特征在于：

(a)逐渐增大压缩机的输入功率；

(b)通过施加周期性瞬时功率增大值(Rb)而扰动步骤(a)的功率函数；

(c)监视活塞碰撞；

(d)当检测到活塞碰撞时立刻缩减所述输入功率；和

(e)连续重复步骤(a)至(d)。

2、一种控制直线压缩机(1)的方法，所述压缩机包括在气缸(12)中往复运动并且由电动电机驱动的自由活塞(22)，其中所述电机具有带有一个或多个激励绕组(33)的定子(15)和与所述活塞相连的电枢(17)，所述方法包括下面步骤：

(a)为所述定子绕组供应交变电流以使所述电枢和活塞往复运动，

(b)获得所述活塞的往复运动周期的指示性测量值，

(c)检测所述指示性测量值的任何突然减小，所述突然减小表示活塞与气缸盖发生碰撞，

(d)经过很多个往复运动周期逐渐增大所述定子绕组的功率输入，其特征在于：

(e)通过周期性瞬时功率增大值(Rb)来扰动逐渐增大的定子功率，

(f)在检测到活塞周期中的任何突然减小时减小所述定子绕组的功率输入，和

(g)循环地重复步骤(d)至(f)。

3、一种控制直线压缩机(1)的方法，所述压缩机包括在气缸(12)中往复运动并且由电动电机驱动的自由活塞(22)，其中所述电机具有带有一个或多个激励绕组(33)的定子(15)和与所述活塞相连的电枢(17)，所述方法包括下面步骤：

(a)为所述定子绕组供应交变电流以使所述电枢和活塞往复运动，

(b)监视电机反电动势，

(c)检测所述电机反电动势的过零点，

(d)监视所述过零点附近反电动势波形的斜率，

(e)检测所述波形斜率中的不连续点，所述不连续点表示活塞与气缸盖发生碰撞，

(f)经过很多个往复运动周期逐渐增大所述定子绕组的功率输入，其特征在于：

(g)通过周期性瞬时功率增大值(Rb)来扰动逐渐增大的定子功率，

(h)在检测到任一反电动势斜率不连续点时减小所述定子绕组的功率输入，和

(i)循环地重复步骤(d)至(f)。

4、一种自由活塞式气体压缩机，包括：

气缸(12)，

活塞(22)，所述活塞(22)可以在所述气缸(12)内部往复运动，

往复式直线电动电机，其与所述活塞相连并且具有至少一个激励绕组(33)，

用于获得所述活塞的往复运动周期的指示性测量值的装置(109)，

用于设定所述电机的功率输入的装置(107)，

用于控制所述功率设定装置以逐渐增大所述电机的功率输入的装置(116)，其特征在于还包括：

用于以瞬时功率增大值扰动所述逐渐增大的功率输入的装置(119)，

用于检测往复运动周期中所述指示性测量值的任何突然减小的装置(117)，所述减小表示活塞与气缸盖因为所述扰动信号而发生碰撞，和

用于对检测到往复运动周期中的任何突然减小作出响应而减小所述激励绕组的功率输入的装置(116)。

5、根据权利要求4所述的自由活塞式气体压缩机，其中所述电机是电子换向式永磁直流电机。

6、根据权利要求4和5中任一所述的自由活塞式气体压缩机，其中所述用于获得往复运动周期的指示性测量值的装置包括反电动势检测装置(98)、过零点检测装置和计时装置(112)，其中所述反电动势检测装置用于在激励电流没有流动时对所述至少一个激励绕组(33)中感应的反电动势进行采样，所述过零点检测装置与所述反电动势检测装置的输出相连，所述计时装置测定过零点之间的时间间隔以由此测定所述活塞往复运动的每个半周期的时间。

7、根据权利要求4至6中任一所述的自由活塞式气体压缩机，其中所述用于检测往复运动周期中的任何突然减小的装置包括平均装置、比较装置和判断装置，其中所述平均装置提供交替往复运动半周期的时间的平均值，所述比较装置比较最近测量的往复运动半周期与相应半周期的时间的所述平均值以提供差值，所述判断装置对预定周期判断所述差值是否超过预定阈值。

8、根据权利要求4至7中任一所述的自由活塞式气体压缩机，其中所述功率设定装置是电源开关装置(107)并且所述控制装置(116)通过控制所述往复运动周期内所述电源开关装置的导通时间来确定电机的功率输入。

9、根据权利要求8所述的自由活塞式气体压缩机，其中所述扰动装置(119)导致所述控制装置(116)按照与多个往复运动周期相等的周期间隔以预定的瞬时量增大所述电源开关装置的导通时间。

10、一种制冷机，其包括根据权利要求6至9中任一所述的自由活塞式气体压缩机和蒸发器(102)，其中所述压缩机包括与所述计时装置相连的往复运动频率测定装置(112)和检测蒸发器温度的温度传感器(97)，其中最大压缩机输入功率作为频率和蒸发器温度的函数确定。

11、根据权利要求10所述的制冷机，其包括用于监视过零点附近反电动势波形斜率的装置(118)、用于检测所述波形斜率中的不连续点的装置和用于减小所述激励绕组功率的装置(116)，所述不连续点表示活塞与气缸盖发生碰撞，并且所述用于减小所述激励绕组功率的装置(116)还响应于任何反电动势斜率不连续点的检测。

12、一种自由活塞式气体压缩机，其包括：

气缸(12)，

活塞(22)，所述活塞(22)可以在所述气缸(12)内部往复运动，

往复式直线电动电机，其与所述活塞相连并且具有至少一个激励绕组(33)，

用于监视电机反电动势的装置(98)，

用于检测所述电机反电动势的过零点的装置(99)，

用于监视所述过零点附近反电动势波形的斜率的装置(118)，

用于检测所述波形斜率中的不连续点的装置(118)，所述不连续点表示活塞与气缸盖发生碰撞，

用于设定所述电机的功率输入的装置(107)，

用于控制所述功率设定装置以逐渐增大所述电机的功率输入的装置(116)，其特征在于还包括：

用于以瞬时功率增大值扰动所述逐渐增大的功率输入的装置(119)，

用于检测所述不连续点的装置，所述不连续点表示活塞与气缸盖因为所述扰动信号而发生碰撞，和

用于对检测到任何反电动势斜率不连续点作出响应而减小所述激励绕组的功率输入的装置(116)。

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