（化工过程机械专业论文）直线压缩机控制系统的开发.pdf

独创性声明 本人声明所星交的学位论文尾本人在导师指导下进行纳研究工作及取得的研究成果。 稻我所知，除 了文中特别加以标泣和致谢的地方外，沧文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包宙为 获得渐遥赶嫠一或其他教育机构的学位或证二陪而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任俺贡藏均已在论文中搏了骥确戆滋明； ：表示落意。 学位论文作街签名 仿 1 ；p 嘶 li 签字口期：m a ，年；月；日 学位论文版权使用授权书 本：喾倥论文佟者完全了解+ 建l 望盘鐾一有关傈鬣、饺翅学位论文静规定，耷投僳罄蒡自鲞窳鸯关 部门或视褐送交埝文的复印件和戳擞，允许论文被壹斓秘镄闳。率入授狡激鎏盘釜可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数掂库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文赭魏年协暇 签字同期：川年j 月；日 学位论文 乍者毕业焉去囱： 工觯位：甲郾弛二够剧 酬龇拍未枇。舫 签字日期：翟掘婷3 月7 网 电话： 邮编： o b - - - 舀d , 舻轳 l 卯 7 灏江大掌磺圭学位论文 摘要 摘要 隧卷纛缝瓿菠术黥不凝发震，在民曩纯方嚣，越来戆多采爨纛线压壤视馋为 制冷机鞫。与传统的旋转电机驱动的往复式压缩机不同，新型的意线压缩机采弼 直接驱动技术，利用直线电机驱动压缩机活塞在气缸内作往复宜线逐动。具有结 构简单、不需要曲柄连杆机构、机械效率高、易实现无油润滑等优点。如何对其 进行霄散合理的控制，是蠢线压缩枫民用化研究的重要方亟。本文在总结了晷内 癸对壹绞压臻祝控裁系绕磅究工终豹羹疆土，璇立了本文嚣磅究瓣撂；一是透过 对壹线压缩机的特性分析，找到切实可行的誊线压缩枫控铡系统的控制方案；二 是在分析系统控制方案和控制目标的基础上，开发套基于动圈型窟线压缩机的 电压控制系统。本文结合动力学、电磁学、电工电子学理论以及数据采集技术， 着重开展了以下几个方面的。l ： 乍： l 。运滔n e w m a r k 积分法，怼壹线压练橇翁祝城裁电磁系统求觞，劳孝厅电容、 活塞曹压和导通角对活塞运动静影响，提出了蠢线压缩枫静电压控制方案：以直 线电机餐代位移传感器，以电压作为控制对敷，采用可控硅调压技术，利用p i c 单片机控制可控硅的导通角，调节输入活塞线圈的电压，实现对活感的行程、余 隙和平衡位置的控制。 2 ，在理论诗舅鳆基疆+ 乏，这取了正负半岗可按建均弯导逶并虽过零塞动关龋 静输入逛匿渡形，开发了一套基于可控硅魅发技术黥p i c 单片税控铡系统，包括： 同步脉冲电路、人机接口电路、导通角显示电路、隔离电路、放大电路和触发电 路。实现了双向可控硅的可靠触发和对其导通角的控制。 3 将开发的电压控制系统与电磁动圈型直线压缩机样机述行联机实验，利用 a d 卡和诗算祝亲避行实验数据斡采集。从电路爵靠性、电容、导邋鳎对活塞行程 和平筑 曳嚣静影豌霆个方嚣避彳亍了实验磺究秘数据分毒厅。实验结祭与瑗论分析结 果基本致，为今后控制系统的研发工作奠定了基础。 关键遂：轰线压缩极，控制系统，电压控制，双肉可控硅，p i c 单片机，活塞行程 涟莲丈擘鞭士学垃论文 揍要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p r e s s o rt e c h n o l o g y ，m o r ea n dm o r el i n e a r c o m p r e s s o r sh a v eb e e nu s e di nd o m e s t i ca s p e c t s l i n e a rc o m p r e s s o ri sc h a r a c t e r i s t i c w i n li t sh i g he f f i c i e n c y , w i t h o u tc r a n k g u i d em e c h a n i s m e a s yt of u l f i l lo i l - l e s s l u b r i c a t i o na n dt h ep i s t o ni sd r i v e nb yt h el i n e a rm o t o rd i r e c t l y i no r d e rt of u r t h e rl i n e a r c o m p r e s s o rr e s e a r c hi nd o m e s t i ca r e a , i t si m p o r t a n tt of i n da n dd e v e l o pa k i n do f c o n t r o ls y s t e mf o rt h i st y p eo fc o m p r e s s o rt om a k ei tr u t m i n gr e l i a b l e 、城t hl o w e rp o w e r l o s s t h et h e s i se m p h a s e so nt h ec o n t r o ls c h e m ea n a l y z et od e s i g nac o n t r o ls y s t e ma n d r e a l i z ei tt ot h ee x p e r i m e n to f t h ep r o t o t y p el i n e a rc o m p r e s s o r i nt h et h e s i s ，t h el i n e a r c o m p r e s s o r c o n t r o ls y s t e mi ss t u d i e d + b a s e do n s u m m a r i z i n gt h el i t e r a t u r e s a b o u tl i n e a rc o m p r e s s o rc o n t r o ls y s t e ma n dm o d e l c a l c u l a t i n g ，t h ea u t h o ra d v a n c e sav o l t a g ec o n t r o ls y s t e m i nt h i ss y s t e m ，l i n e a rm o t o r i s u s e dt oi n s t e a do ft h ed i s p l a c e m e n ts e n s o ra n di n p u tv o l t a g ei st h ec o n t r o l l e dv a r i a b l e i n v o l t a g em o d u l a t i o nf i e l d ，t f i a c h a si t s a d v a n t a g e s s ou s i n gp i cs i n g l e - c h i p g e n e r a t e st r i g g e rp u l s et oc o n t r o lt h e t r i a cs ot h a tm a k ei tp o s s i b l et oc o n t r o lt h e p i s t o n sd i s p l a c e m e n t ，a v e r a g ep o s i t i o na n dt h ef l o wr a t eo ft h em a s s t h ec o n t r o l c i r c u i ti s c o m p o s e do fs y n c h r o n o u sp u l s ec i r c u i t ，d i s p l a yc i r c u i t ，t r i g g e rc i r c u i t ， a m p l i f i e rc i r c u i t ，o p t i c a li s o l a t o rc i r c u i t i nt h ee x p e r i m e n tr e s e a r c h ，u s i n gt h ed e s i g n e dc o n t r o ls y s t e mt om o d u l a t et h ew i r e i n p u tv o l t a g e a n a l y z i n gt h ei n f l u e n c eo ft h ec a p a c i t o r , h o wt h ev o l t a g ec h a n g e sd ot o t h ep i s t o nd i s p l a c e m e n ta n da v e r a g ep o s i t i o n a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n tr e s u l t s ，t h e i n f l u e n c eo f t h ef o u ra s p e c t st ot h es y s t e mi ss i m i l a rw i t ht h ec a l c u l a t i n gr e s u l t s k e yw o r d s ：l i n e a rc o m p r e s s o r ；c o n t r o ls y s t e m ；v o l t a g em o d u l a t i o n ；t r i a c ；p i c s i n g l e c h i p ；p i s t o nd i s p l a c e m e n t h 浙江大学硬士学位论文直线压缩规控制幕统的开发 第一章直线压缩机控制系统综述 。1 本课嚣麴磷究意义和邈的 节能与环保，无疑是新世纪羼工业领域中最鲜孵的两个主题。各种备样的新工 艺、新机器，都必须保证在这两个前提下提高生产率。随着我国签署蘩特利尔议 定书以及加入w t o 之后面对的国外高新产品的压力，原有的制冷介质氟利昂 ( c f c s ) ，及荚骜 弋品h c f c s 都将全嚣停止使用。如何提高电冰箱、空调等家矮制 冷袭备蕊女潦效益是裁冷雾交紧逡翡课题之一。 目前广泛使用的家用制冷压缩机大多数使用由旋转式电动机驱动的往篾式压缩 机( r m c ) ，如图1 1 “。所示。其缺点是必须有一套将电动机的旋转运动转变为活塞 往复直线运动的转换机构，使憋机结构复杂。由旋转电动机带动的往复式压缩机存 在的问题主要肖：总体体积庞大、传动效率低、噪声大、摩擦损失严重、寿命短。 对于家爰臻麓瓣全封闻式压绫辍，徐久功率只有l 届褥裂骞效裂矮( 宅效窭终为3 0 ) ，而在商用铡冷设备中，这个比例也仅寄1 3 1 2 “。阕此，活塞式锻冷压缩极 还有很大的改进潜力。 图1 1 传统的往复式压缩机缔梅示意图 1 一活塞2 一曲柄连杆3 一旋转电机 由于传统往复式压缩机技术成熟，性能提升空闯不犬；通过改善制冷工质的热 力毪缝遣赡以大堰提高裁冷祝豹畿滚效益，霆此透过敬善篷鳕巍懿毪齄来实理节蕤 显得更搬霹行。 为了改善腿缩机的性能，发达国家对新的制冷机胰开研究，目前已缀研制开发 出了新一代制冷压缩机直线压缩机( l m c ) 。矗线压缩机的制冷性能与制冷温度、 浙江大学硕士学位论文直线压缩机控制系统的开发 外界大气温度、工质工作压力、扫气容积及工作频率有关，系统在工作过程中是非 线性的。其行程、压力比及活塞余隙、止点位置等需要由控制系统根据系统工作情 况进行在线调节。在文献“。中提到，对直线压缩机的模拟计算表明，可以通过改变活 塞行程来调节制冷量以及上止点位置。整个排气过程发生在上止点前大约l m m 处， 活塞位置在上止点变化0 1 m m 也将对排气流速产生很大的影响。因此为了保证直线 压缩机的正常运行，必须有一套良好的控制系统。 电磁振荡式直线压缩机是利用电磁力及机械共振原理驱动”。，动子在电磁力的作 用下推动活塞做往复振荡运动，并在控制电流和弹簧的作用下做谐振运动。当机 械系统的动子质量和弹簧刚度匹配较好，使整个直线压缩机系统的固有频率与激励 源的频率相吻合时，系统发生共振，能最有效、最大限度地利用电磁力。整个直线 压缩机系统的共振频率如果准确地设计在5 0 h z 时，可以方便地利用民用电，这样就 无需复杂的变频调压电路，大大降低系统的复杂性和成本。 本文针对永磁动圈型直线压缩机，对其机械系统和电磁系统进行了理论计算， 分析直线压缩机工作原理和运动特性，结合电磁理论、控制理论、电工电子理论， 开发了一套电压控制系统。根据与某厂签订的设计要求，目标是将设计的直线压缩 机控制系统应用到民用冰箱中，因此设计的输入电压频率为5 0 h z ，电压幅值为2 2 0 v 。 1 2 直线压缩机国内外研究现状 直线压缩机在国外的研究已经有几十年的历史，它最早是被应用于斯特林型和 脉管型微型低温制冷器的压力波发生器。由于其结构紧凑，体积小、重量轻，符合 微型低温制冷器的结构设计要求，克服了传统往复活塞式压缩机结构复杂、转速低、 排气不连续和需要润滑系统的缺点”。，成为航天和军事红外技术领域中微型低温制冷 器不可替代的关键设备。另外，该种类型的压缩机的活塞形成不受驱动系统的结构 限制，可以实现“自由”移动，使得通过控制系统可以在线调节扫气容积来直接实 现能量调节，从而达到节能的目的。 图1 ，2 是荷兰飞利浦公司开发的一种利用动圈型直线振动装置作为压缩机的驱 动器的斯特林型制冷机的构造。这种制冷机又被称为自由活塞型( f r e e p i s t o nt y p e ) 制冷机。由于线圈和活塞在机械上相连结，因此当线圈中流过交流电流，活塞就上 下运动，从而压缩工质输出压力波。美国宇航局及欧洲航天局从八十年代末至今发 射的十余颗卫星均采用了直线压缩机驱动的斯特林制冷机，它是提高卫星有效载荷 和延长卫星使用寿命的有效手段。从图1 2 中可以看出，活塞所受的驱动力方向始终 与其运动方向保持在同一条直线上，理论上活塞上没有侧向力的存在，这可以显著 地降低活塞的摩擦损失和损耗，从而延长压缩机的寿命。 目前，国外正在进行将直线压缩机技术推向民用的研究。美国、法国、日本、 浙江大学硬士学位论文直线压缩机控制系统鲍开发 德国等发达图象都在进行壹线压销梳研究疆。美莺芷在开发用于家爱苇l 冷枫鹣鸯线马 达制冷压缩机。这一项目由美国环保署发起并启动研发，美国环保署、美圊宇航局、 投资公司等相继投入资金推动谶步的研究。澳大利溉也已经有了直线压缩机产品。 图1 2 斯特栋制冷橇 美国s u n p o w e i 公司是一家专龇性的直线电机和巍线压缩机研究制造公司，在该 领域已经有二十多年的研究开发历史。它们开发的宜线压缩机的原型机，经过测试 表明，和传统的曲柄连杼式压缩机撩比其效率可以提离1 5 2 5 。“( 在气爨调节范 凌内交魂) ，袋簿戆压篦可这2 6 ：1 ”。攥美国琢凌璨势潜( e p a ) 统诗“：魏莱全美 现有的冰箱部换成由直线压缩枫驱动，每年将节省1 2 亿美元。韩国l g 公稍的研究 也取得了重大的进展。l g 将“l i n e a rc o m p r e s s o r ”( 感线压缩机) 称为“t h en e x t g e n e r a t i o nc o o l i n gc o m p r e s s o r ”( 下一代制冷压缩机) 。据报道“他们开技的直线压 缩机应用在制冷机上使机器的能源效率最大提高了4 7 ，并将首先应用于他们公司 夔夫型刳冷祝上。其镪一些国家鞠公司，比如强本弱m a t s u s h i t a 公司、壤龚豹 e l e c t r o l u x 公司、巴谣的e m b r a c o 公弼逛聱在逶行琵嗣纛线压缩祝的磷究耪开发工作。 如图1 3 “怒韩国l g 公司开发的种直线压缩机的结构示意图。 这是一种活塞一电机一体化设计的特种压缩机。髓线压缩机的驱动电机采用新 型直线电机，与传统的旋转电机棚比，具有效率高、易控制等特点。它不存在将电 动枫熬旋转运潮转变惫涯塞直线往复运魂熬遗柄连抒祝稳霹秘壤转动系绕。譬翦使 瑶嚣有叁鑫活塞式帮电磁振动式辩癸。萁中按驱囊方式瓣不同，电磁振荡斌直线压 缩机又可分为电动式( 动圈型) 和电磁式( 动铁型) 两种。 3 浙江大学硕士学位论文直线压缩机控制寨统的开发 图1 3l 好童线压缩规结构示意图 星蠹鼹褒线蔗缩桩的磅究王络避行翡壤少，主要蹩攀麓萼l 迸豹一些技零茬空压 机上的应用。只有极个别、零星的研究。”i 5 , 1 6 ，且方案都不成熟，参考文献极少， 有关直线压缩机的电磁系统驱动力和热力系统动态特性的理论研究完全没宥开展。 只有王建生等”。1 “”对复合次级强线电机驱动的活塞式压缩机进行了比救深入的研 究，著试制原越机。另外，压缩祝豹固有频率是与动予矮量、弹簧剐度及缴是气体 歪力毒关豹，嵩受芬发生交纯露，瑟续毒趸匏霾有频率会发叟交纯，毽迄澈羧率不麓 改变，困就不能形成共振系统，无法充分利用电磁力，从而降低了整梳效率，无法 充分体现出礅线压缩机的长处。 1 。3 直线魇编机控制系统综述 交予壹线歪缝瓿不包据褥转旗转交为壹线运动愆熬辍，壹线压绩捉致遴鬻静压 缩枫兵有较少的阻力损耗，因此，蠢线压缩视在压缩效率方面优于通常的幽旋转电 机驱动的压缩机。直线压缩机的一个性能特点就是可以进行容量调节，活塞的行程 直接与驱动电聪成i f 比。当将随线压缩机用于冷冻机或者空调机时，通过改变施 加到直线压缩枫上的电匿，以改焱囊线压缩枫的压缩院秘活塞行程来控制焱统的制 冷量。 国内郎对瀛线压缩祝控制系统的研究很多，其中l g 电子、美匿s u n p o w e r 公司 和韩国s u m s u n g 公司在这方面进行了很多研究，撰写了大量的专利和文献资料。 总结起来，直线压缩机控制系统的控制变量主要有以下几个： 1 以活感证移( 冲程) 作为控制变量 枣予壹线穗缝掘采矮壹线毫辍蕊缓驱动，不存在藏聋鑫连舞辍鞫，翟魏滔鍪戆运 动行程不受驱劢系统静结掏影响，扫气容积( 郎活塞位移) 是可交斡。遮傻褥对壹 线压缩机排气爨和余隙的调节与已往普通的往复式活麓压缩机不同，可以通过调节 加在活塞线圈内的电流，控制活凑上激励力，改变活窳的行程和上下止点的位置， 4 浙江大学硕士学位论文直线压缩机控制系统的开发 从而实现对直线压缩机的控制，不会出现由于排气压力过高或过低所产生的对排气 系统的影响。大部分文献是以活塞位移作为控制变量的。 2 以活塞运动速度作为控制变量 检测活塞往复运动的速度，作为反馈变量，用反馈信号控制加载电流。 3 以活塞线圈内电流作为控制变量 检测活塞线圈内的工作电流，将检测值与参考值比较，调节驱动电流。 4 以活塞运动相位为控制变量 检测活塞线圈内电压与电流的相位信号，确定直线电机线圈内电流的通断时间 比例。 5 以气缸内外温度信号作为控制变量 以上五类控制变量在各种控制系统中均有介绍。对于不同的控制系统，或者选 择单一变量控制，或者选择多个变量同时控制。 选取了一定的控制变量后，就需要建立直线压缩机的控制系统。将控制变量作 为被测量，通过特定的控制方式将被测量信号输入控制单元，实现对直线压缩机的 电压控制、换向控制、模糊控制等。而所有这些控制系统的目的是为了保证直线压 缩机的正常工作，实现对活塞行程、压力比和排气量等运行参数的调节。 为了更好的设计直线压缩机的控制系统，必须对目前控制系统的研究现状进行 分析。下面对国内外直线压缩机控制系统的专利和文献进行分类总结。 1 3 1 电压控制系统 直线压缩机活塞的行程与输入电压成正比，因此可以通过调节输入活塞线豳内 电压的有效值，调节活塞冲程的大小。冲程即为直线压缩机工作过程中活塞的振动 幅值，决定直线压缩机的压缩比，扫气容积和余隙。 1 s u n p o w e r 公司的控制方案 s u n p o w e r 公司针对永磁动圈型直线压缩机，采用类似调光器j 的装簧控制输入 电压( 专利u s5 5 9 2 0 7 3 “”) 。以活塞冲程作为控制变量，利用位置传感器的检测信 号作为负反馈，控制施加到直线压缩机活塞线圈上的冲程电压来改变压缩比，实现 气量调节。图1 4 “”是这种方法的电路框图。 图1 4 电路将会产生与正弦交流电压同步的触发脉冲，用来触发三端双向可控 硅。通过控制触发脉冲宽度，调节可控硅的触发时间，达到调节交流电压幅值的目 的。在电路元件的设计和选择上，采用集成的5 5 5 定时器( 如l m 5 5 5 ，m c 5 5 5 ，c a 5 5 5 ， n e 5 5 5 其基本功能都相同) ，控制触发脉冲宽度。触发脉冲发生器3 在a c 的每个过 零点产生一个触发脉冲，将其输入可变单触发脉冲发生电路5 ，可产生一系列方波脉 冲，其脉冲宽度由输入控制信号7 的大小决定。最后，由脉冲形成电路8 在每个方 波脉冲的下降沿产生一个可控硅导通角的触发脉冲。 浙江大学硕士学位论文直线压缩机控制袭统的开发 图1 4 可控硅控制电路 t o 1 _ r l a c g a t 放电路设计耪波形分辑，这耱方法掰截滚形正受串周跫对称戆。著将茭童接输 出，则此时输入压缩机线圈的电流波形已不是正弦波。在压缩机工作时，位置传感 器是由一个小的固定的铁氧体磁心和缠绕线圈组成。利用会移动的铝带插入传感器 的磁通路线减小高频感应，插入点大概在距t d c ( 上1 t 点) 4 m m 处。引入负反馈， 把位置後感嚣袋鬟的感应信号与蒙来的定位信号进行比骏，其结果用来调节可控硅 导遘蹙：懿袋活塞移动过程孛太黎近气越臻零，裂嚣饕遴大导逶囊，辫懿输入电压 功率2 。 2 l g 公司的控制方案 l g 公司撮比的控制方案( 专利u s2 0 0 3 0 1 7 7 7 7 “) 是利用两个温鹰传感器测 量压缩机内外的温度信号，将其输入微处理器，产生一个控制驱动电路单元通断豹 控毒l 信号，遮郝分数功麓是决定怒蠢将交滚电压与囊线压缀辊鏊臻接逶。篱= 懿分 则是掇据冲稳控制要求，检测活塞在运动过程中的电流和电压信号，将獒输入冲程 计算单元，根据工作电流、电压与活塞冲程的函数关系，计算实际工况的冲程值： 将结果输入徽处理器，与目标工况的冲程值进行比较，产生触发双向可控醚的触发 脉冲；如粜冲程值超过目标值则增大可控硅导通角，降低输入电压有效缎，减小线 强蠹工佟魂浚，耀爱，鲡采挣程壤小予霹蠡毽刘减小导邋受，撬裹稳入电压鸯效燕， 增大线圈肉工俘电流。 3 s u m s u n g 公司的控制方案 s u m s a n g ( 三星) 公司根撼蕊自行设计的线圈励磁直线压缩机，通过控制通 入励磁线圈内的电流，改变磁场，从而改变活塞所受的电磁力，实现控制活塞行程 窝余貔调节熬秘熬( 专裂u s2 0 0 4 0 0 4 2 9 0 4 “) 。调节过疆中，通过选择不溯豹疑磁 线圈，改变邋电窀滚；当嚣要遂一步精确控鞠匿缡飘瓣气量对，通过改变羧入电压 控制输入功率。该设计中，直线压缩机在结构上由定子( 励磁线圈) 和动子( 活塞) 两部分组成，定子上缠绕有线圈，动子上装有磁铁。当定子线圈中通入交流电时， 6 浙江大学硕士学位论文直线压缩机控制系统的开发 产生交变磁场，动予上的磁铁在交变磁场中受到电磁力的作用，带动动子进行往复 直线运动，完成压缩循环。 该系统的控制原理如图1 5 m ：所示： 1 图1 5 电流控制系统原理图 图中，1 为定予线圈绕组，2 为相位控制器，3 为交流电源，4 为控制器，5 a 和 5 b 分别为两组线圈的抽头，6 为开关控制器件。以冰箱中的直线压缩机运动为例， 当冰箱超载，即放入冰箱内的食物比冰箱设定的温度高时，温度传感器采集超载信 号( 图中未画出) ，送入控制器4 ，由控制器产生控制信号，控制开关器件6 与线圈 抽头5 a 相连，减小定子线圈的阻抗，增大输入电流。当需要进+ 步精确控制压缩机 排气量时，利用温度传感器采集的信号，由控制器4 产生脉冲信号，触发相位控制 器2 ，实现输入电压波形的截取( 如图1 6 “) ，使得在输入阻抗相同的情况下，实 现精确的电流控制。另外，该例中开关6 在一对线圈抽头5 a 和5 b 中切换，也可以 根据实际情况，增加抽头数量，实现多级调节。 v o 、 二。 图1 6 电压截取波形 滚江大学联士学经论文 壹拽援维撬控镬系统麴开笸 4 电感传感器控制方案 专利e p1 , 4 9 6 ，2 5 5 3 中的控制方案，如图1 7 所示。用测量的活塞位置信号控制 电压驱动功率。活塞的一端上连有铁芯4 a ，2 a 謦雎2 b 分别为电感传感器，用来测量 铁芯避缝线皱斡时阕，其藏瑷楚将铁芯切割磁力线褥裂能电压信号转换为时阕售号， 隧瑟判赣热载静电压是否舍攥。 露1 7 工作原理熏 3 2 换囱控裁系统 这类控制系统是通过检测活塞的位置和速度，来决定加载电压的换向时间，保 证安全换向，使活塞在气缸内作往复运动，不会剃电流方向与运动方向相反，产生 运动阻力。 l ，速爱开关控裁方案 这楚一种以活塞运动遴浚 乍为控翻变量懿羧潮方案，主要应溺予磁疆直线奄枫 瞳“，解决了如何实现电压换向，才能使效率箍商。工作原理如图1 8 所示。 霞1 8 速度控裁开关控制方式原理图 c 1 ，c 2 为硅钢片叠成绱磁轭，其土绕有融磁线蠲l l ，王2 ，振予r 与磁辍的单 边间隙为6 。当开关k 1 ，k 2 交替闭合时，l l ，l 2 交替通电励磁，产生方向交变的 电磁力，使振子r 上下往复振动。开关k 1 ，k 2 的开合由触发信号q 1 ，0 2 通过驱 动电路g 1 ，g 2 来控制。不同与已往甩自由激振器产生触发信号，现在q l ，q 2 的 磋丌省 溪莲大学磺士学位论文 蠢线疆缝税茬铡系统懿哥整 换向是由振子速度来控制，且换向点选在振子遵魔近零而不是零点。实现方法是在 振子的非轴伸端固定一永磁体，在附近定子上固定- n 速线圈( 如图1 9 ) ，当振子 运动时，线圈中就能感应出与速度成正比的电愿信号。此电压信号邋过控制电路来 产生融发信号，这至g 速控换囱鹣效采。 紧 图1 9 样机结构圈 2 复合次级直线电机控制方案 这种控制方式是一种针对用复合次级驱动的您线压缩机”2 “，通过检测活塞位置 控制两缝霹控硅鲍逶叛，其攘囱控裁果溪了“延瓣通电”鲍方式。阉l 。l o ”是单套 绕缝电税供电线路交。当敝蠢可控硅t v 4 、w 5 、w 6 处予断开获悉，双商可控硅 t v i 、w 2 、n ，3 被触发导邋时，活塞向左边运行；t v 、t v 2 、t v 3 处于断开状态， t v 4 、w 5 、t v 6 被触发导遇时，活塞向右边逡行。晶闸管反复通断，活塞作往复运 动。晶闸管的通断由信号检测电路、触发电路控制。 a8e 图1 1 0 单套绕组供电线路图 浙江大学硕士学位论文直线压缩机控制蒸统的开发 为确保电机逛源黪安全接囱，采蠲“延时逶电”涣蠢方式，郎一缓可控疆断电 后延时一定时间，另一组可控硅掰触发导通。这样既可以保证安全换向，同时合理 的延时时间可以大大降低换向时电机产生的启动电流冲击。位置检测示慧图见图 1 1 1 “。图中k l 、k 2 、k 3 、k 4 为位置传感器。 当活塞自发运行至襄l 所在豹鬣嚣融，k l 发出颧媳信号，i v l 、b ，2 、w 3 褥不 委簸发脉冲，凌予邀极为电隘瞧戆瞧受载，n 硅、 i n ，2 、墨v 3 经蓬延对蠢涨拜。电毒趸 断电后再经过一段延时，确保t v l 、t v 2 、t v 3 已完全断开，t v 4 、t v 5 、w 6 再触 发导通，活寨受到向右方向的电磁力作用。活塞向右剿达k 2 位置时，k 2 黢出信号， t v 4 、t v 5 、w 6 延时断开，再缀过段延时，t v l 、t v 2 、t v 3 被触发导通，活塞 受到自左的毫磁力 乍赐。谴置传惑器k 3 、k 4 为安全绦护开关，该开关动佟辩，强 行歪囊薮毫，菠爨透电。 k 1 ,k lk lk iii _ i 一i 摄塞 圈1 1 1 位置传感器示意辫 1 3 3 半周控制系统 这种控制系统的突出特点是：活塞线圈上只输入交流电( 正弦波或脉冲波) 的 正半周，驱动溪塞压缩气体；酗摄剩鼹弹簧豹反力怒滔塞复位。文献“巾键到，在 电源歪半蹋澎，接动溪塞螽上，受半簧瑟矮弹簧项圜。莱蔫5 0 h z 逛源经二缀篱整漉 供电。文献”“中，采用频率可调姻方波脉冲电源驱动，动铁芯按照线圈内脉冲电源 频率进行往复崴线运动。方波脉冲电源频率可在1 0 5 0 h z 内任意调节。 1 ，3 4 排气通道控制系统 该控制方繁通过调节撂气遥邋粒开癌率控割压绞梗麓铡冷量“。整个黎缆包菇； 歼关控铆攀元，活塞位置捡涮繁元，控制单元。活塞德麓检测单元经撩铡单多己输蠢 控制信号，根据实际工况，控制排气通道的排气阀的开启程度。 1 3 5 电流和相位矢量控制系统 由于壹线压缀瓿在极摭运动方掰其有严重豹菲线镁，因此在现有技术敬文线压 装撬中，透避凌掰钢1 雾鹣狰程与跨聪基准篷逮较，鬟：缓趱 0 较绥莱岛迄源控麓单元 输出控制信号的方法，由于没有考虑非线性的控制恩怨，所以不可能精确盎电控制直 线压缩机的操作。 囊菠走学磺尘学位论文直线蓬罐爨控潮系统靛拜发 这种基于电流矢量和相俄矢量的控制系统，利用在直线压缩机中产生的电流矢 量和位移矢量，求出当t d c ( 上止点) 是“0 ”时的每个拐点，根据拐点确定占空比并 按确定的占空比产生开关控制信号来控制直线联缩机的操作1 。控制流程如图1 1 2 。 图1 1 2 电流和相位矢量控制流程图 。3 ，6 棱糊控制系统 模糊理论最早是壶控制论专家手l 德( z a d e h ) 滠出的。其主要恐想漫不需要精确 的数学推导和模型分析，借助于复杂系统的彳；栩窬原理，选择系统中权重最高的变 量作为控制变量作用于整个系统。 由于压缩机的制冷性能受制冷温度、外界温度、工质压力、工 乍频率和行程容 积等祭传瓣影响，壤难建立糍确兹鼗学模型能够阉露把甄有懿系统黛鬃罄考虑进去。 因此爨国了这种矗线压缭枫静模糊控篱l 理论。这一理论应臻在分嚣的颠特辫制冷枕 中，选取冲程和相位角作为模糊控制的系统变慧，其他不能观测到的变量可以通过 模糊原理进行转化，加权到遮两个系统变量中，因此是一种双模糊控制系统”。 襄辽大学馥士学蹙论文 壹线蓬熊# t 羟韵系统魏于 授 该模糊控制系统由：知识库( 包括数据库和控制准则库) 、模糊化输入、推导模 块、非横糊化输出四部分组成见图1 1 3 。在直线压缩机控制系统中，数据库是按照 给定工况下，一定频率一定磁场计算出来的冲程，襁相位值。模糊化输入为系统变量 躲误差，将竣入按模凝乐壤与椽准数据疼斡数攥遴行跑较，然后输入推导模块，霉 按控铡溅廷遴辛亍计算，得弼 模癫垂艺输出。 。垂论文主要研究内察 图1 1 3 模糊控制系统 醛 在总结国内外目前对鸯线压缩枫控制系统研究现状的基础上，提出了一种直线 压缩机控制系统的设计方案。针对本实验室设计的动圈型直线压缩机样机，根据已 往动圈型赢线压缩机控制系统以电压控制为主的特点，结合电磁理论、控制理论、 电工电子理论，开发了一种秘便的电压控制系统。 搴文主要蠹客包菇：壹线压缩辍掇藏系统黪瓷磁系统理论量 冀、控刳系统可行 性分柝、控制目标、电路设计、电路调试，并校据其运动特性，分擀了影响直线压 缩机运动特性的因素，如电容、背压等。在控制系统与样机联机实验中，有针对性 的进行实验研究，与计算结聚进行验证和比较分析。在国内直线压缩机民用化方面 进行了探索性的研究工作。 1 ) 纛绕压壤援控铡系统诗算势辑 对鬣线压缩枫的视械系统和电磁系统数学模整进行数值求解。在开关控制方式 下，选取矸；同的输入电压波形，利用变步长的n e w m a r k 积分法对盘线压缩机响应进 行求解。分析不同输入电压下活塞运动的位移和嘏流响应曲线，为控制系统的研究 提供理论依据。 2 ) 藏线压壤褪控裁嚣隶分辑耱电鼹实瑷 提如了直线压缩视控制系统方案输入电压控铡系统。在努辑懑线压缩秘控 制系统控制目标和控制功能的基础上，建立控制系统结构框图，实现电路设计和软 件设计，并完成电路调试工作。将开发的控制系统与直线压缩机样机谶行联机实验， 验证控制系统的可靠性，并将实验结果与理论计算结果进行比较分析。 浙江大学硕_ l 学位论文直线压缩机控制系统的开发 3 ) 试验样机变频控制系统开发 为对本实验室设计的直线压缩机样机进行幅频特性实验研究，开发了一套变频 控制系统。利用该系统，绘制出其幅频特性曲线，确定其共振频率。了解直线压缩 机的运动特性和幅频曲线，对直线压缩机的探索性研究和控制系统的开发都具有指 导意义。 最后，对直线压缩机及其电压控制系统的研究工作进行总结和归纳，提出了有 待进一步研究的问题，以便该项工作能够逐步成熟和完善。 浙江大学硕士学挝论文 直线压缩机控制骶统的开发 第二章直线压缩机控制系统 需求分析和功能设计 2 1 直线压缩机结构 本文所研究的是应用于家用冰箱的永磁动圈型赢线塍缩机电压控制系统。图2 1 是本实验室设计的动圈型电磁振荡式直线压缩机样机，永久磁铁和铁芯形成了定予 磁基臻，产生稳定戆磁缓。当番孑线錾逶交交毫瀵螽，在磁殛戆终臻下，凌赘上受 到了与电流同频闷相的交变推动力，产生电枢( 包括动黼、活塞等) 的彼笈运动。 进气阀布露在活塞顶面上，排气阀布置在气缸顶部，气体通过活塞体与_ j j 挠气阀进入 气缸内，被压缩后又由排气阀排八气缸盖，由排气管导出压缩机外“。威线压缩机 的振荡频率严格鼹交流电源频率控粼，在设计时，通过弹簧和活塞部件的糖确计算， 稼证系统豹共缀颇率袭电源频率一数，醴这至g 弱最小瓣鬯磁力寒产生最大豹活塞行 程的嚣躲。这耱澎式豹直线压缩孝兄结构简单，易予分耩设诗；僵驱动力穗对较小， 不宜用于较大功率的压缩机。目前永磁材料的性能不断提升，而价格则不断下降， 因此这种压缩机有很大的发展前景。 图2 1 直线压缩机结构 2 。2 直线延缡橇系统数学横塑 分析直线臌缩机样机结构可知，其动力学系统由三个子系统组成即机械系统、 电磁系统和热力学系统。活塞的遮动是一个涉及牛顿力学、电磁学、热力学的复杂 1 4 浙扛大学硕士学能论文 直线压缩机控制蘸统懿开发 的菲线程运动。出于燕力学系统对蕊线压缩祝驱动性能彩噙不大，为筒纯分褥过程， 我们将就机械系统和电磁系统进行分析。 2 2 1 机械系统数学模型 在不考虑枫俸强动静基础上，壤据结擒强2 1 ，褥枫槭系统蔫化为一个魑屡量单 叁鸯凌豹受遗隧懋振动模型，翔弱2 + 2 掰示。萤中m 表示篷褪囊量( 龟搔秘辫、活塞 及部分弹簧质麓) ；c 为运动部分糍滞阻尼系数( 主要觏括园漏磁产生的电磁阻尼， 一般通过估计或测量得到) ；k 表示弹簧的总刚度( 包括工作弹簧以及弹错的综合刚 性系数) ；f a t ) 为作用在活塞表酾上的气体力；正p ) 则表示电磁驱动力，也即激振 力；l ( t ) 为灞塞所受的摩擦力。x ( t ) 蹩活塞褶对于气懿颈部敢位移e 盖，是寰载时活 塞毂静乎囊像鬟。戬气鑫顼部佟隽爱标蒙赢，建立垒舔系。z 驻，弱方自懿窝2 ，2 掰示。 如果不考虑重力对振动的影响，根据牛顿第二定僚，机械振动系统微分方程为： 州掣+ c 掣州雄) 一x ，) ：l ( o 十+ 厶o ) ( 2 - 1 ) 图2 , 2 机械系统的单自由度模型 作用在活塞表礤的气体力为： 磊 = ad p ( 0 ；冬鬟痧一嚣 ( 2 2 ) 活塞所受的电磁激振力为： k ( 0 = 垃之雄) ( 2 3 ) 式中：a ，愚活塞的截面积；胁为 乍用在活塞上隧时闽变化的气体压力；只 是压缓凝蔽气瓣气寝痰熬气锌垂力；只( ) 亵是气缸海夔瓣润变讫兹气嚣聂力。在渡 模型下，嚣可近似认为与压缩枫的避气压力相同；乞为线圈的有效长度；毽是气 隙中的磁感应强度；泓、为通电线圈内的电流。 浙江大学硕_ ：学位论文 直线压缩机控铡寨境的开发 气缸内聪力的变化可峦p 一矿图( 压力一气缸痰气体俸程) 来攒述8 3 ，幽予活塞的 横截面积是您值，因此气缸内压力的变化也可以用压力一活塞位移图来描述，如图2 3 所示。x ( f ) 是活塞的位移，b 为排气压力，只为吸气压力。 鹜2 3 压臻援弦嚣示功潮 对于理想的压缩循环，气体从4 点开始吸气，到1 点吸气结束；l 2 为压缩过 程；2 3 为排气过程，到3 点排气结束；3 4 为膨胀过程，到4 点膨胀结束。如此 往复，实现压缩循环。假设压缩过程和膨胀过程为两个等熵的过程，过程中的压力 可由下式一般憋懿表示“： 黔南)防。， 式中：x ，为压力计算参考点的位移；为该参考点的压力： 是过程的等熵指 数。且弘爱= 篓 参考点的位置是活塞运行的上止点和下止点，在图2 3 中分别由x ，芹旺m 表示。 当只( f ) 大于等于只或小于等于e 时压缩机将分别从婷熵压缩过程和等熵膨胀过程 进入到等压排气( 2 3 ) 、吸气过褪( 4 1 ) 。因此，憋个过程气体压力可由分段形 式表示： p o ( f ) = p ；一一一一一一一一一一一一送气过踺 4 仉嘲过程 p 。一一一一一一一一一一一一= j 气过程 蝌锄程 浯。， 传统的往复活塞式压缩枫，融予馥柄连秆机构的存在，在活塞径向存在个较 大的证压力，使得活塞与气缸之间的摩擦力比较大，此外还存在着连杆与曲轴、连 杆与十字头( 活塞销) 、曲轴与轴承之间的摩擦力。而点线压缩机采用电磁力直接驱 1 6 浙江大学硕士学像论文直线压缩执控制系统曲开技 动活塞，中褥嚣翡橛，连程等运凌转化视梅，在减，l 、缡稻尺寸及复杂毪鹣淄对，摩 擦功耗只减少到活塞与气缸一个环节。并且由于活塞的侧向力比较小( 即正聪力小) ， 从而使得摩擦力减小。但无论如何，活塞在气缸中作往复运动时，不可避免地存在 着摩擦力，摩擦力对活塞行程、杂隙等参数有着不可忽视的影响，进而影响到压缩 极蛙缆。 摩擦力瞧楚一菲线往力，瘁擦力瓣大小与稿黠遮劝耪俸之阗浆摩擦系数、正压 力有关。其中的摩擦系数与相对逐动物体的材料、衷黼粗糙度有关；根据摩擦力的 性质，可以分为动摩擦力和静摩擦力，它与活塞的运幼状态有关。当活塞速度不为 零时，摩擦力是滑动摩擦力，滑动摩擦力的大小是正眶力与摩擦系数的聚秘，方向 与运动方向摆菠；当速度为零、葵它力豹合力绝对德小于最大静摩擦力对，摩擦力 为静摩擦力，与合力大枣籀等方辩籀反，当速度为零辍其它力台力缝对 蠡大予最大 静摩擦力时，运动状态改变，摩擦力处于动、静摩擦力的临晃转变点。练上所述， 摩擦力可以表示如下： 氮p ) 一 一，量( f 卜0 蠡( x 秘) 一三i ) 一9 ) 一，疋争) c 厶。量( f ) 。0 氮 主章) c 0 式中：，为动摩擦力，m 。为艘大静摩擦力。町以看出 特点，压缩机的整机系统是一个非线性受迫阻尼振动系统。 2 2 。2 电磁系统数学模型 ( 2 - 6 ) 由于气体力的非线性 在考毒铁损的情獯下，将铁芯绫黉的壹漉窀疆与镁援豹影翡台著为等效电隘毪， 这样铁芯线圈就可用一个等效纯线阁来代替，。为电感。等效回路如图2 , 4 所示。 魁2 4 电压等效回路 蔽挺基尔震夫定律，霹接导崮窀磁系绕强努方程： “( f ) 。迟枷。d x 讲( t ) + l ，d d i ( f t ) = 识。+ 眈啪) + 五。百d i ( t ) ( 2 7 ) 1 7 新江大学硕士学位沧文直线压缩机控制篆统抟开发 式中疑含帮活塞的运动速度：q t ) ，又有线匿孛电流f ( f ) ，电源掰$ ) ，因飕必须与 方程( 2 1 ) 联立求解。式( 2 1 ) 和式( 2 7 ) 构成了直线聪缩机数学模型的纂本方程组。 2 2 ，3 数学模型的求解 在直线压缡祝数学模型兹基本方程组中，由于存在气体力帮痒擦力，嚣越系统是 菲线往兹。一簸镀瑟下，j i 线稳方程缀是能爱数蕊谤繁戆方法进行求解，晓裁是在 给定的初始条件下，采用各种积分方法进行数值计冀，得到系统的时域解。常用的 数值积分方法有欧拉方法、龙格一撵塔法、n e w m a r k 法等。 采用各种不同的数值积分方法时，必须注意该积分方法的精度、收敛性、稳定 性。一般来说，敬拉法的精度比较低，即使用改进的欧挝法也只有二除精魔。龙辏一 疼塔( r k ) 渡怒魄较霉簧懿方法，经蘩夔r k 法其蠢鞠狳精度，霆是r 一较法辩予鄹 性比较大的微分方程就不适用，簿法的运算时间比较酶并对矩阵的病态眈较敏感； n e w m a r k 法魁一种比较稳定的算法，精度高且运算快。本论文求解系统方程时，采 用变步长的n e w m a r k 法。 为了嚼变步长的n e w m a r k 法求馁蓉统方程，需要将艨寒的二阶微分方程组改写 为一陵微分方程缝，为就定义誓一x ，e = 量，夏= i ，破，砖，为它翻夔嚣数，到豢： i 。k ( 2 - 8 ) km ( c e k + b d j ( t ) 一d p ( f ) a p f o ) m k 。( u x s i n ( w t ) 一统乞k 一缱x 骂) l 。 ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) 式中u 为输入电压，可懿蹩麓潼渡， 亟可馥是葵德影式懿波影。五为魄磁力豹 幅值，匕为系统所受摩擦力。以上三方程再加上摩擦力表达式，联立求解，就可求 出一定输入电压下的电流响应波形和活塞振动波形。 2 3 直线腰缩机控制必要性 2 。3 。 群橇荚攘耩懂分橇 直线压缩机的运动需要有外界激励力的作用，其掇荡频率严格受输入电源频率 控制。当其工作电源为民用交流电时，一般将压缩机的固有频率设计为5 0 h z ，令其 工作点为系统的共振点。工作在频率共振点的压缩机熊够在相同的激励力彳乍用下达 到最大约运动强溪，矮最小静埝入功率达到最大豹涎戆萼亍程。嚣诧有登要嚣暑究壹线 压缩祝静共蔽荦誊往，分辑霹壹线援缩税共振工俸点蠢影弼的因素，育魏予在压缩祝 控制系统设计过程中利用电路设计控制影响因素，最大限度的增大共振时的活塞行