【《一种车用小型直线压缩机控制系统设计及仿真研究》12000字（论文）】

第页共46页一种车用小型直线压缩机控制系统设计及仿真研究当前汽车空调系统使用的制冷压缩机大多数为往复活塞式压缩机。这种压缩机由旋转电机驱动，通过曲柄连杆机构进行转换，这就导致压缩机整体结构庞大，动力传递环节增多。因此传动效率低，同时还带来噪声、磨损、摩擦消耗等问题。直线压缩机由直线电机直接驱动，与往复式压缩机相比取消了曲柄连杆机构，减少了相对运动的零件。因而使得直线压缩机具有能量消耗低、体积小、质量轻等优点。流量调节可以通过电压的调节实现，从而压缩机在整个可变流量范围内的效率非常高。首先对动圈式直线压缩机样机进行分析，了解其结构和工作原理，建立数学模型；然后，利用Simulink对压缩机的四种工况进行仿真。查阅相关数据，采用试错法找出合适的控制参数，并利用运行模型验证方案的可行性；最后，生成了仿真模型的C语言代码。关键词直线压缩机，动圈式，试错法，控制方案，代码生成目录TOC\o"1-2"\h\z\u1 绪论 11.1 课题研究的背景与意义 11.1 常用直线压缩机的类型 21.3 直线压缩机国内外研究现状 41.4 动圈式直线压缩机控制方案 61.5 本文主要的研究内容 72 动圈式直线压缩机模型的建立 72.1 动圈式直线压缩机原理性样机 82.2 动圈式直线压缩机的工作原理 92.3 动圈式直线压缩机的数学模型 92.4 动圈式直线压缩机的系统方程 143 动圈式直线压缩机控制方案模型设计 143.1 确定压缩机四工况时间 143.2 控制方案设计所需软件 143.3 进气过程控制模型设计 143.4 压缩过程控制模型设计 153.5 膨胀过程控制模型设计 153.6 排气过程控制模型设计 164 试凑法确定控制参数 164.1 进气过程驱动电流的确定 174.2 压缩过程驱动电流的确定 174.3 膨胀过程驱动电流的确定 184.4 排气过程驱动电流的确定 194.5 四工况循环控制方案设计 204.6 仿真结果分析 225 代码自动生成 23总结与展望 27参考文献 29附录A所生成代码 31绪论课题研究的背景与意义随着社会与工业的不断发展，低碳环保已在全球各国达成共识，人们更多地关注节能减排与能效的控制。压缩机作为空调制冷系统的核心组成部分之一，其核心技术长期被国外公司独家掌握，为了解决这一技术难题，国内相关机构与人员开始不断地对压缩机进行研究，开启自主研发道路。传统的家用制冷压缩机大多数使用的是由旋转式电动机驱动的往复式运动压缩机，如图1.1所示，通过活塞压缩制冷剂产生制冷效果，这种压缩机通过由曲柄连杆结构组成的传动系统，将电机的旋转运动通过活塞作用转化为往复直线运动。这种压缩机结构庞大，且整机结构复杂，往复式压缩机由旋转电机带动，因此其主要问题有：传动效率低、寿命短、噪声大、摩擦损失严重。通过对我国城乡居民家庭用电量的统计，有百分之三十多的用电是由电冰箱消耗的。这其中所消耗的能量，大多数是用于压缩机工作，因此压缩机成为电冰箱主要的能量消耗组件[1]。在商用制冷领域中，这种压缩机有效利用的功率也仅有百分之三十到百分之五十[3]。图1.1传统往复式压缩机的结构示意图传统往复式压缩机的性能提升的空间有限，为了能够使压缩机效率提高、结构轻巧紧凑以便用于汽车实现轻量化，制造一种由直线电机直接驱动的压缩机尤为重要。直线压缩机主要采用直线电机对活塞产生径向力，使活塞作直线往复运动[4],工艺简单并且传动效率更高。由于传动系统不在通过曲柄连杆机构，所以直线压缩机可以做到更小的体积，同时也能降低噪声和摩擦损失，将压缩机的使用效率提高了将近20%[5]。直线电机还具有功率因数高、优良的可靠性以及良好的控制性能，这就使得直线压缩机使用效率更高，能耗更低，体积更小，可以做到轻量化。相比传统压缩机，直线压缩机的活塞是较为“自由”的，这就使得排气量的调节可以在工作频率不产生变化时进行控制。正是因为直线压缩机具有很多优势，使得未来的压缩机研究方向更加偏向于直线压缩机的研究，通过不断地研究与深入，未来可以让压缩机更加的节能与高效。常用直线压缩机的类型直线电机是直线压缩机最主要的部件，为直线压缩机提高核心动力，也决定了压缩机性能，常见的直线压缩机有如下几种。动圈式直线压缩机当动圈式直线压缩机的电机通电以后，线圈中产生磁场，使得活塞一端受到安培力而开始运动，其结构如图1.2所示[6]。电机的定子由永磁铁和铁芯组成，其中永磁铁也可以用通电线圈代替[7]。对可运动的线圈两端施加交流电后，线圈中产生安培力从而推动活塞运动，活塞被轴向安装在气缸中并进行来回地线性，其运动运动频率与电流频率线性相关。如果系统产生的共振频率和活塞运动频率相同时，此时线圈中电磁力最小，于是便能够使活塞的运动得到控制。所以我们在设计过程中，要对电机的很多参数进行调整，使电源频率等于系统共振频率，这样就能够让压缩机高效工作。在压缩机中，通电线圈产生的安培力和通过的电流有着一定的线性关系，通过这种关系可以控制活塞的运动轨迹，实现更好的控制效果，同时设计较为简单。由于运动的线圈上不再有径向力和扭矩，在线圈不负担载荷的情况下也不受轴向力影响，所以在直线电机磁场恒定。通电时内阻需要消耗一些能量，并且通电以后线圈会产生热量从而导致一些部件温度的上升，这就会影响压缩机的工作效率，因而限制了大电流所能通过的时长。如果长时间运行这种压缩机，会导致连接动圈的飞线可靠性下降。这就使得动圈式直线压缩机的使用必须在适当功率、设计寿命较短的情况下。图1.2动圈式直线压缩机内部结构图动磁式直线压缩机这种压缩机的电机就是将可以将永磁激励动圈式电机中的动子线圈和永磁体的位置互换了一下，其结构如图1.3所示。将已经充满磁的永磁铁放在轴向或者径向的位置，此时永磁铁作为电机的动子。由于相邻的地方存在不同磁场，动子由于磁极相互作用，受到轴向驱动力推动活塞来回线性运动。随着永磁材料越来越容易获取，电机的生产成本逐渐降低，因此带动了这种电机的发展。这种直线压缩机的传动效率高、体积小且重量轻，对活塞产生的作用力比较大，因此驱动效果好。但同时这种电机工作原理比较复杂，研发难度较大，这些因素限制了动磁式直线电机的发展。并且在当前阶段，永磁材料成本还相对较高，对于设计和研发要付出较大代价。图1.3动磁式直线压缩机结构示意图动铁式直线压缩机动铁式直线压缩机的的结构如图1.4所示。永磁材料制成的推动器根据支撑点组件与活塞和弹簧黄连接，具有励磁作用的线圈捆绑在铁心上，组成了电机的定子，同时电机装配有高磁导率的铁磁动子。采用这种结构的电机取消了线圈和永磁体，使得安装和制作难度降低，并且由于采用的材料不多，使得电机工作的寿命较长。这种电机在各种极端场合适应性较强，在一些高温、强腐蚀性或者振动较大的环境下都能够保持运作。但是这种压缩机质量较高、振动频率较低，并且电机中的动子相对中轴线会产生较大偏移，电机对活塞会产生多余的力，影响活塞运动。同时活塞与气缸内壁间的摩擦加剧，过度的摩擦会使活塞结构损坏，并且影响压缩机的工作效率。因此，动铁式直线压缩机在市场占有额越来越低[8]。图1.4动铁式直线压缩机结构示意图直线压缩机国内外研究现状国外研究状况直线压缩机在国外研究已经经历相当长一段时间，至今已经有数十年研究历史，他们当前的研究水平已经达到了难以追赶的高度。早期的直线压缩机是一种无阀型的小型特种直线压缩机，其结构紧凑、轻量化并且工作效率高，克服了传统往复式压缩机结构复杂、转速低、排气不连续以及需要润滑系统的缺点[9]，因此成为了航天和军事红外领域中微型低温制冷装置中无法取代的核心设备[10]。伴随着人们对于直线压缩机的了解逐步加深，从1990年开始直线压缩机不仅仅运用在军事领域，很多民用设施也配备了直线压缩机，伴随时代发展，许多国家陆续开展了家用制冷机的开发与研究[11]。许多一流的压缩机制造商，如日本三菱重工和松下、美国Sunpower、韩国LG等等，这些公司都十分重视直线压缩机的研究，认为直线压缩机会是未来压缩机行业里的核心，其中美国Sunpower公司和韩国LG公司取得的成就最为突出。美国Sunpower公司开发了一款动圈式斯特林直线压缩机，这种压缩机具有一对活塞和两个动圈，活塞所受驱动力使其始终保持在同一直线上运动，其结构如图1.5所示。采用这种结构的直线压缩机可以显著减小机体振动，可以有效降低活塞的损耗与摩擦损失。图1.5Sunpower斯特林制冷器美国Sunpower公司在该领域发展至今已有三十多年，他们最新开发的直线压缩机研究成果表明，相对比传统往复式旋转压缩机，最新试制的直线压缩机原型机效率提高了15%-25%[12]，空气压缩比最高可达26:1[13]。韩国LG公司在直线压缩机研究中也取得了重大进展，据报道[14]他们将所研制直线压缩机应用在冰箱的制冷机上，其能源效率提高了近50%。韩国LG公司所研发的直线压缩机是“活塞—电机”一体化设计的特种压缩机，其驱动电机采用了一种新型直线电机，与传统曲柄连杆式压缩机相比，具有结构紧凑、效率高、易于控制等优点。电机直接驱动活塞进行直线运动，取消曲柄连杆机构，因此极大地降低了机械传动的损耗，提高了效率。韩国LG公司所研发的直线压缩机已实现大规模投产，并首先运用在大型制冷机上。国内研究状况由于工业基础较差，国内对于直线压缩机迟迟未开展研究，从二十世纪60年代才陆续展开对直线压缩机的研究[15]。当前阶段，由于核心技术未能取得突破，国内对压缩机只能开展结构设计以及一些控制策略的研究，这些都是较为基础的研究方向，且实际应用方案都不太成熟，而且在技术上一直没有大的突破。目前主要研究力量集中在大学与研究所，如太原理工大学研发的动铁式直线电机所驱动的空气压缩机[16]；浙江大学致力于研究直线压缩机，目前的研究较为全面；李志海对直线压缩机展开了研究，在研究过程中分析了动圈式直线压缩机的若干问题[17]，崔丽娜对于压缩机控制系统有较为深入的分析，并且设计了直线压缩机的控制系统[18]；天津大学的马一太等人分析了各种不同类型的压缩机[19]，创建了相关的数学模型，以用于压缩机的研究和分析参数调节和相关特性[20]；西安交通大学的阎治安设计了应用于冰箱的动圈式直线压缩机[21~24]；上海交通大学的邰晓亮设计制作了动磁式直线压缩机的原理样机并对其进行了仿真[25]；电子工业部第十六研究所开发出一款性能较稳定动圈式双活塞对置直线压缩机[26]。国内还有很多高等院校、科研所以及机构都在对直线压缩机技术进行着研究，很多例子不再列举了。但是国内相关企业对于直线压缩机的核心技术并没有掌握多少，很多技术支持都依靠着国外，在国外引进的直线压缩机基础上进行改进、研发与吸收，这就使得国内外相关企业的差距一直存在且很难追赶。不过随着我国科研水平的不断提高以及科研工作者在直线压缩机技术研发上的不断投入，我国的压缩机制造工艺水平会逐步提高，并且伴随材料成本降低的同时性能也会提升，国内直线压缩机的发展水平会逐渐追赶上国外。动圈式直线压缩机控制方案直线压缩机有着较小的阻力损耗，其压缩效率明显优于旋转电机驱动的压缩机。只有技术方案的成熟才能将资源充分利用，分析所得直线压缩机控制系统的所需要的控制变量主要有以下几种：活塞速度将活塞运动时的实时速度作为反馈变量，用反馈信号来调节线圈中的电流。电流与电压相位对线圈实时地密切监控与检测，在需要的时候控制线圈中加载电流的通断时间的比例。气缸内外温度差考虑到热力因素的影响，压缩机开始工作时就会实时监测罐内外温度。控制装置通过线圈中的测量值调节电流和充电电压。线圈电流比较线圈中实际的电流大小与方向与设定的，必然会存在偏差，根据这个偏差可以对电压进行调节。活塞位移监测活塞实时位置实现线圈电流的控制。通过这种方式可以有效防止直线压缩机与气缸产生碰撞，同时也能最大化地发挥压缩机的性能。运行时间通过实验确定进气、压缩、排气和膨胀四个工况各自的最佳时间。每一个工况的运动周期恒定，但是所用时间与电流大小都是独立的，这种控制方法是最稳定的。上述为直线压缩机几种常用的控制方法。本次的方案以控制运行时间为基础，借鉴其他几种控制方法，并根据试错法制作了线性压缩机的控制方案。在实际操作中还要设置电流PID控制，以便能够控制所需电流值。本文主要的研究内容本次设计是对压缩机控制方法的研究，因此需要了解动圈式直线压缩机原理性样机，明白其工作原理。在研究过程中运用试错法，比较得到的控制参数与数据，确保可行性。本文主要研究内容如下：(1)查阅大量的资料文献，了解目前各种直线压缩机的发展现状以及各自的特点，知晓本次课题的研究环境与目的，明确直线压缩机未来发展方向。(2)根据原理性样机进行分析，建立压缩机控制方案所需要的数学模型。(3)在建立模型基础上，运用试错法确定动圈式直线压缩机能够工作情况下所必须的参数，通过Simulink运行控制模型实现仿真，对所得参数进行验证。动圈式直线压缩机模型的建立动圈式直线压缩机原理性样机现阶段我国对于直线压缩机的研究还不够深入，处于较为基础的阶段，目前主要集中在控制策略与结构设计。常见的几种直线压缩机中，动磁式直线压缩机尽管结构紧凑、效率高以及具有较大的驱动力，但其设计难度与研发成本高，很难在短时间内推广应用，距离民用化和商业化还有很长一段路，是未来直线压缩机发展的制高点。动铁式直线压缩机的缺陷非常明显，当压缩机工作时活塞与气缸接触过多，导致两者之间的磨损非常严重，从而十分影响压缩机的工作效率，大幅缩短使用寿命，在直线压缩机发展道路中逐渐被替代。相对比而言，动圈式直线压缩机具有结构紧凑、质量轻、惯性小、稳定性高等优势，工作时活塞行程易于控制，并且设计难度与研发成本低，使得动圈式直线压缩机成为当前主要的研究方向。南京理工大学的李宗立所设计的永磁动圈式直线压缩机的原理性样机，如图2.1所示，这台动圈式直线压缩机采用一体化结构，工作时直线电机驱动活塞做直线往复运动，取消了电机与活塞之间的曲柄连杆机构，使其效率提高的同时，压缩机结构紧凑也轻量化。直线电机产生的驱动力推动活塞运动，同时消除了额外的力，减小了活塞与气缸间的不必要接触，减小了磨损，因此提升了活塞使用寿命，其结构如图2.2所示。图2.1永磁动圈式直线压缩机原理性样机 图2.2动圈式直线压缩机结构图表2.1永磁动圈式直线压缩机的主要参数动圈式直线压缩机的工作原理动圈式直线压缩机通过直线电机对活塞产生直线方向的驱动力，活塞受力来回地进行线性移动，直线电机的初级由定子变化而来，次级即由动子变化而来[27]。在永磁动圈式直线电机中，线圈被当作动子，永磁铁被当作定子，为了增强磁通量的密度，永磁铁必须采用一种特殊的阵列排布，因此采用Halbach阵列，同时使得直线电机紧凑轻巧，并且效率得到了提高[28]。当动圈式直线压缩机中的线圈通电后，会产生磁场，线圈在里面切割磁感线后受力运动，通过左手定则判断线圈的电磁驱动力Fe(t)，该驱动力FeF（2.1）式（2.1）中，Fe(t)为电磁驱动力；B为磁感应强度；l为单匝线圈长度；N为线圈匝数；动圈式直线压缩机的数学模型本文对车用小型动圈式直线压缩机控制方案进行研究，为了能提供更好的控制参数的控制方案，并且对压缩机控制系统进行优化，同时还要了解动圈式直线压缩机样机的工作原理，对其工作原理进行分析并建立相应的数学模型，其中主要的数学模型为：机械模型、气动模型、电磁模型。为了设计的需要，必须简化样机：（1）动圈式直线压缩机样机应用于汽车上，就必须安装在车架上。在压缩机中，线圈和活塞加起来的总质量为动子质量，所以本次设计就把样机环境简化为单一自由度和质量系统；（2）忽略热效应影响，因为影响较小；（3）忽略直线电机饱和效应，电机使用的是线性磁路；（4）忽略样机的涡流和磁滞损耗，这两种损耗本身就不多，想计算也很难准确。机械系统数学模型本次设计的机械系统数学模型主要是动子线圈的往复直线运动。以动子线圈的角度研究，将一定的电流施加在线圈中，在磁场中会有电磁力Fe(t)、气体负载力Fg(t)、动子的惯性力和阻尼力，判断线圈在这过程中的所有受力，运用牛顿第二定律解决了动圈式直线压缩机机械系统在数学表述方面的问题，其表达式：（2.2）式（2.2）中：m为动子线圈质量；c为系统阻尼系数；X(t)为线圈运动位移；Xs为线圈初始位置；Xd为线圈动平衡位置；式（2.1）中，N、B、l为常量参数，I为变量参数，所以FeF（2.3）式（2.3）中：Ke为电机力常数，也称为比推力，Ke=40N/A物体所受摩擦力是一种非线性力，根据物体运动状态的不同摩擦力可以被分为滑动摩擦力和静摩擦力。相对静止的两个物体，当整个力系中受到的合力大小小于最大静摩擦力，那么所受到的这个合力大小等于最大静摩擦力，合力方向相对物体即将发生运动方向为负方向；反之，物体受到的合力大小大于最大静摩擦力，两物体间产生的摩擦力为滑动摩擦，其相对运动状态改变，摩擦力方向与运动方向相反。动圈式直线压缩机机械系统摩擦力Fm(t)计算公式如式（2（2.4）式（2.4）中：为滑动摩擦力；为最大静摩擦力。活塞与气缸的摩擦力忽略不计，因为它们之间的摩擦系数很小，且所受正压力几乎为零。气动数学模型由于气缸内外存在压强差，这个压强差作用在活塞上会产生一种负载力，这种负载力被称为气体负载力，用Fg(t)表示，其大小（2.5）式（2.5）中：A为活塞横截面积；Pc(t)为气缸内气体压强；Pb由于活塞不断地进行着往复式直线运动，从而改变了气缸内气体压强Pc(t)，这其中可以分为四个阶段：（1）进气、排气过程中，忽略由气阀振动造成的气压波动；（2）进、排气阀阻力较小，可忽略此阻力；（3）考虑到压缩机制造精度影响，需要忽略一定设计制造产生的缺陷，包括气缸在运行时的泄漏。（4）压缩、膨胀过程中的气压变化由相对恒定的热力状态方程来表示，因此忽略这两种过程中热交换损失;由以上的分析与简化，缸内气压Pc(t)可（2.6）式（2.6）中：Pd为排气口排气压力；n为压缩排气过程的多变指数；S为活塞的行程；S0P—V图（压力—气缸内气体体积）可以用来描述气缸内的压力变化[8]，活塞横截面积为确定常数，因此缸内气压变化可以通过P—X图（压力—活塞位移图）来表述，如图2.3所示。x(t)为活塞位移，Pd为排气压力，图2.3直线压缩机简化示功图电磁系统数学模型电磁系统主要由线圈和永磁铁组成。线圈通过电压U(t)后，两端存在电势差，因而产生电流，这就构成了一种磁场。在这个磁场中，线圈产生感应电动势εi，感应电动势εi由自感电动势εL（2.7）动生电动势εd（2.8）式（2.8）中，N为线圈匝数，d∅(x)为单匝线圈改变的磁通量，dt为改变的时间量。在动圈式直线压缩机的电磁系统中，永磁铁与通电动子线圈均能产生磁通量，在不考虑磁漏的情况下，d∅(x)可以由下式表示：（2.9）式（2.9）中，为永磁体磁通量该变大小，dΦi(x)为动子线圈磁通量该变大小。考虑到在整个直线压缩机工作过程中动子线圈移动的行程很小，因此可以将d∅（2.10）假设所处环境磁场强度相同，则dΦd（2.11）式（2.11）中，Be为磁场强度，ds为线圈横截面直径，dx为动子位移该变大小。分析式（2.8）与式（2.11），可以推算动生电动势εd（2.12）令le=Nπds，（2.13）因为线圈中的电流变化，从而改变线圈周围的磁场，磁通量由周围磁场的变化而导致变化，所以就产生了自感电动势εL。自感电动势ε（2.14）必须考虑铁芯损耗，将铁芯中线圈的直流电下的电阻与铁芯损耗视作等效电阻Re，因此铁芯线圈可以由一个等效的纯线圈电路来表示，如图2.4所示，其中L为电感。图2.4电磁系统等效电路图依据基尔霍夫定律，可以推算出电磁系统的微分方程，即：（2.15）动圈式直线压缩机的系统方程通过分析动圈式直线压缩机的机械模型、气动模型以及电磁模型，因此可以将压缩机有一个总数学模型来表示：（2.16）式（2.16）即为本次研究的动圈式直线压缩机的数学模型。动圈式直线压缩机控制方案模型设计确定压缩机四工况时间翻阅资料与论文文献，了解压缩机单次工作周期四个工况各自需要的时间，记录每个行程中活塞的起初与终止位置，以及过程中发生位移量。表3.1动圈式直线压缩机四工况具体情况控制方案设计所需软件本次设计对控制系统进行了新的模拟与仿真，Simulink整合动态系统的建模、模拟、综合分析，提供参数控制环境。在Simulink所提供的环境中，只需简单直观的鼠标操作，就可以制作复杂的模型和系统，不需要书写大量的程序。Simulink可以对数字的控制与信号处理进行模拟与仿真，并且根据需要生成控制代码，可以将其应用于主流的开发板上。进气过程控制模型设计已知动圈式直线压缩机的阻尼系数为20N·s/m。根据表（3.1）可知：刚开始时，活塞的起始位置位于5.657mm处，进气过程控制方案模型如图3.2所示。分析本文中的式（2.2）、（2.3）与（2.5），可以得到活塞实时位置的表达式：（3.1）式（3.1）中，x(t)为活塞实时位置，Pb为大气压强，Pc为缸内气压，A为活塞横截面积，I为直线电机电流，Ke为直线电机力常数，依据表（2.1）可知Ke的值为40，A的值可以计算出为0.001735m2，进气过程控制方案模型如图3.1图3.1进气过程控制方案模型压缩过程控制模型设计已知动圈式直线压缩机的阻尼系数为20N·s/m。根据表（3.1）可知：刚开始时，活塞的起始位置位于21mm处，压缩过程控制方案模型如图3.2所示；分析本文中的式（2.2）、（2.3）与（2.5），得到活塞实时位置的表达式：（3.2）图3.2压缩过程控制方案模型膨胀过程控制模型设计已知动圈式直线压缩机的阻尼系数为20N·s/m。根据表（3.1）可知：刚开始时，活塞的起始位置位于1mm处，膨胀过程控制方案模型如图3.3所示；分析本文中的式（2.2）、（2.3）与（2.5），可以得到活塞实时位置的表达式：（3.3）式（3.3）中，S0为余隙。 图3.3膨胀过程控制方案模型排气过程控制模型设计参照表（2.1）可知：动圈式直线压缩机的阻尼系数为20N·s/m。参照表（3.1）可知：进气过程刚开始时，活塞的起始位置位于45mm处，排气过程控制方案模型如图3.4所示。分析本文中的式（2.2）、（2.3）与（2.5），可以得到活塞实时位置的表达式：（3.4）式（3.4）中，Pd为缸内气压图3.4排气过程控制方案模型试错法确定控制参数进气过程驱动电流的确定创建“Saturation”模块，并将其连接于活塞位移信号与示波器之间，设置模块“Upperlimit”值为0.021m，以便确定某一时刻活塞可以到达0.021m位置，并且将仿真时间确定为0.035s。采取试错法，刚开始设定电流为5A，运行仿真如图4.1所示，活塞在25ms前到达了21mm处，可以判断出电磁驱动力过大。 图4.1进气过程线圈电流为5A时活塞位置图通过分析公式（2.5）可知，动子线圈中驱动电流大小与活塞受到电磁力大小呈正相关，则接下来通过低于5A的电流。通过不断地试错，最终确定电流为4.79A时，在0.035s时刻活塞恰好到达21mm处，如图4.2。因此，通过试凑法确定进气过程驱动电流为4.79A。图4.2进气过程线圈电流为4.79A时活塞位置图压缩过程驱动电流的确定创建“Saturation”模块，并将其连接于活塞位移信号与示波器之间，设置模块“Lowerlimit”值为0.0045m，以便确定某一时刻活塞可以到达0.0045m位置，并且将仿真时间确定为0.04s。采取试错法，刚开始设定电流为-10A，运行仿真如图4.3所示，活塞在40ms前到达了4.5mm处，可以判断出电磁驱动力过大。图4.3压缩过程中线圈电流为-10A时活塞位置图通过分析公式（2.5）可知，动子线圈中驱动电流大小与活塞受到电磁力大小呈正相关，则接下来通过低于10A的电流。通过不断地试错，最终确定电流为6A时，在0.04s时刻活塞恰好到达4.5mm处，如图4.4。因此，通过试凑法确定进气过程驱动电流为6A，电流方向为负方向。图4.4压缩过程中线圈电流为-6A时活塞位置图膨胀过程驱动电流的确定创建“Saturation”模块，并将其连接于活塞位移信号与示波器之间，设置模块“Upperlimit”值为0.005567m，以便确定某一时刻活塞可以到达5.567mm位置，并且将仿真时间确定为0.01s。采取试错法，刚开始设定电流为2A，运行仿真如图4.5所示，活塞在10ms前到达了5.567mm处，可以判断出电磁驱动力过大。图4.5膨胀过程中线圈电流为2A时活塞位置图通过分析公式（2.5）可知，动子线圈中驱动电流大小与活塞受到电磁力大小呈正相关，则接下来通过低于2A的电流。通过不断地试错，最终确定电流为1.5A时，在0.01s时刻活塞恰好到达5.567mm处，如图4.6。因此，通过试凑法确定进气过程驱动电流为6A，电流方向为负正方向。图4.6膨胀过程中线圈电流为1.5A时活塞位置图排气过程驱动电流的确定创建“Saturation”模块，并将其连接于活塞位移信号与示波器之间，设置模块“Lowerlimit”值为0.001m，以便确定某一时刻活塞可以到达1mm位置，并且将仿真时间确定为0.03s。采取试错法，刚开始设定电流为-50A，运行仿真如图4.7所示，活塞在30ms前到达了1mm处，可以判断出电磁驱动力过大。图4.7排气过程中线圈电流为-32A时活塞位置图通过分析公式（2.5）可知，动子线圈中驱动电流大小与活塞受到电磁力大小呈正相关，则接下来通过低于50A的电流。通过不断地试错，确定动子线圈中电流为-31.85A时，在0.03s时刻活塞恰好到达1mm处，如图4.8。因此，通过试凑法确定进气过程驱动电流为-31.85A，电流方向为负方向。图4.8排气过程中线圈电流为-31.85A时活塞位置图四工况循环控制方案设计图4.9所示为四工况使能信号控制子系统，控制进气、压缩、排气膨胀四个工作过程按顺序进气工作。图4.9四工况使能信号控制子系统如图4.10所示，进气使能信号一个周期持续115ms，高电平期间为0~35ms，低电平期间为35~15ms。图4.10进气使能信号如图4.11所示，压缩使能信号一个周期持续115ms，高电平期间为35-75ms，低电平期间为0-35ms和75-115ms。图4.11压缩使能信号如图4.12所示：排气过程一个周期持续115ms，高电平期间为75-105ms，低电平期间为0-75ms和105-115ms。图4.12排气使能信号如图4.13所示：膨胀过程一个周期持续115ms，高电平期间为75-105ms，低电平期间为0-75ms和105-115ms。图4.13膨胀使能信号如图4.14所示为直线压缩机控制方案总模型。图4.14动圈式直线压缩机控制方案总模型仿真结果分析根据试错法控制电流的时间与大小，对总模型仿真最终得到如图4.15所示的活塞位移X(t)的实时图像。图4.15活塞位移x(t)仿真结果图压缩机通电后直线电机开始工作，起初在动子线圈中有4.79A的电流通过，方向为正方向，可以观察到活塞受到驱动力，从初始位置向气缸左端移动，由原来的初始位置5.657mm处到达位置21mm处，位移距离15.343mm。之后，活塞运动向反方向运动，此时线圈中的电流显示为-6A，电机对活塞产生的电磁力也发生了变化，活塞往回运动到了4.5mm位置，位移距离为17.288mm。接着改变通过线圈的电流为-31.85A，活塞受力运动到1mm位置，位移距离为3.5mm，此刻压缩机的排气行程结束。随着膨胀行程的开始，活塞的运动方向也发生了改变，通过线圈中的电流改变为1.5A，活塞运动到5.567mm位置。接着是压缩机吸气行程，活塞继续运动，开始向右移动。完成吸气行程，便完成了一整个工作流程，压缩机四个工况周而复始进行，这就是直线压缩机的工作过程。代码自动生成为了提高研发速度以及降低开发难度，本次设计采用Simulink软件对控制代码进行生成，可以避免使用软件设计带来的繁琐步骤。建立如图5.1的模型后将数字输出模块与其相连。图5.1数字输出模块连接图接下来软件操作步骤如下：点击菜单栏“simulation>ModelConfigurationParameters”，选择“Solver”菜单，设置“Stoptime”值为0.10，将“Type”设置为“Fixed-step”，“Fixed-stepsize”值为0.01，如图5.2所示。图5.2“Solver”菜单配置参数点击“CodeGeneration”将“Systemtargetfle”的值设置为“ert.tlc”，“Language”下拉菜单中选择C语言设置结果如图5.3所示。图5.3“CodeGeneration”菜单配置参数点击“CodeGeneration”选择“Report”，在右侧勾选前两项，这样能够方便查看代码，也可以生成所需要的报告，如图5.4所示。图5.4报告参数配置完成上诉操作后，再仿真的界面选择“工具栏>BuildModel”即可生成代码报告的总述，如图5.5。图5.5总述生成代码总结与展望本设计的以动圈式直线压缩机的原理性样机为主要研究对象，通过Simulink软件进行仿真模拟，根据最终结果确定控制方案的可行性。本次设计由以下内容组成：（1）搜寻并阅读国内外相关论文与文献，了解目前直线压缩机的现状。（2）通过对原理样机的分析，掌握动圈式直线压缩机的工作原理，得到压缩机机械系统、气动系统与电磁系统的模型，并且分析这三大系统，将它们建立为一个总的数学模型。（3）通过Simulink将控制方案模型与数学模型结合，从而进行仿真分析，采用试错法确定一组能使压缩机完整运行的控制参数。（4）模型启动后，可以得到生成的活塞位移图像，以此判断所设计的控制方案是否可行。但是，该设计也存在一些漏洞之处，有待于以后的完善：（1）需要将压缩介质由空气转变为制冷剂。（2）对压缩机的变化载荷情况下进行分析。（3）考虑一些对结果产生影响的其他因素的模型，使设计的模型更符合现实。参考文献[1]TuckermanDB,PeaseR.High-performanceheatsinkingforVLSI[J].IEEEElectronDeviceLetters,1981,2(5):126-129.[2]李晓宇.冰箱用直线压缩机电机与控制系统研究[D].华中科技大学,2013.[3]

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