专利名称：预测控制的直线型驱动器或直线型压缩机及预测控制方法
技术领域：
本发明涉及直线型驱动器、尤其直线型压縮机的控制方法，其中 所述直线型驱动器包括定子、适于在其中沿驱动轴线来回移动的转子 以及线圈电流所流经的驱动线圈，其中所述直线型压缩机包括活塞壳 体以及适于在其中沿活塞轴线来回移动的并由直线型驱动器驱动的压
縮机活塞；以及本发明涉及包括直线型驱动器的装置，其中所述直线 型驱动器包括定子、适于在其中沿驱动轴线来回移动的转子以及线圈 电流所流经的驱动线圈；以及用于控制线圈电流的装置，尤其是用于 直线型压縮机，其中所述直线型压縮机包括直线型驱动器；活塞壳体 和适于在其中沿活塞轴线来回移动的并由直线型驱动器驱动的压縮机 活塞，本发明还涉及用于冷却物品和/或用于压縮流体的方法。
背景技术：
在直线型压縮机中，适于在第一与第二反向点之间沿轴线来回移 动的压縮机活塞必须沿垂直于所述轴线的方向被安装或引导。而且， 来回移动的压縮机活塞的动能在反向点、也就是说在压缩机活塞的移 动方向反向的点处必须立刻被缓冲，从而允许以尽可能少损失的方式 使得压缩机活塞的运动方向反向。通过使得运动方向反向，压縮机活 塞在活塞壳体内实现振荡的、基本上平移的来回移动。借助于来回移 动，实现压缩过程。
在引导振荡的压缩机活塞时，为了尽可能高地获得压縮机的效率， 旨在使得压縮机尽可能靠近活塞壳体的阀板，从而将阀板之前所形成 的死区容器(dead volume)保持尽可能的小。然而，因为压缩机活塞 与阀板的碰撞可导致压縮机活塞或阀板的损害，所以必须避免压縮机 活塞的碰撞。而且，用于压缩机活塞与直线型驱动器之间的动力传输 的活塞杆可破裂，这同样导致直线型压縮机的功能无法实现。为此， 在压缩机活塞与阀板之间应总是维持安全间隙。
因此，目的是开发尽可能均匀的电枢振荡以及阀板之前的尽可能
小的死区容积，而压縮机活塞并不碰撞阀板。
已知的直线型驱动器经常要求单个可移动的机械部件之间的准确 的适应性、或者要求利用直线型驱动器对运动部件临时减速，从而可
以以合适的准确的方式控制移动。然而，精细调节(fine-tuning)压縮 机是复杂的，并且直线型驱动器的减速减小了其效率程度。
德国专利公开文献DE 2417443公开了经由转换器连接(H桥)将 直线型驱动器的线圈电流与自然电枢振荡同相相连。专利公开文献 WO 01/48379A1和US 2003/0021693A1公开了活塞经过上反向点附近 的预定位置的时间点的测量方式。驱动线圈上的电压幅值根据时间测 量值被调整或者被控制，其中驱动线圈上的电压借助于H桥被预定。 专利公开文献WO 01/71186A2和WO 03/081040A1公开了直线型压縮 机中的专用的位置传感器。
发明内容
因此，本发明的目的是提出一种直线型驱动器或直线型压缩机的 控制方法以及直线型驱动器或本身包括该直线型驱动器的直线型压縮 机，由此，转子或压縮机活塞的来回移动可以高效地尽可能精确地并 利用尽可能简单的装置被控制，在驱动或压縮过程中可获得的效率程 度应尽可能大。
该目的还在于提出一种用于冷却物品或压缩流体的特别方法，该 方法以节能的方式操作并具有尽可能高的效率程度。
该目的根据本发明通过用于控制直线型驱动器或直线型压缩机的 方法由这样的装置实现，其中所述装置包括直线型驱动器或直线型压 縮机，该目的还通过独立权利要求中指出的用于冷却物品和/或压縮流 体的方法实现。其它有利实施例和改型是对应的从属权利要求的主题， 它们每个可以单独地或者以彼此任何方式组合地被应用。
根据本发明的用于控制直线型驱动器、尤其用于控制直线型压縮 机的方法提供了线圈电流被控制成实际线圈电流与目标线圈电流大致 相同，其中所述直线型驱动器包括定子；适于在其中沿驱动轴线来回 移动的转子以及线圈电流所流经的驱动线圈，所述直线型压縮机包括 活塞壳体和适于在其中沿活塞轴线来回移动的并由直线型压縮机驱动
的压缩机活塞。
通过使用作为控制变量的线圈电流，网络电压波动可以由电流控 制器平衡。因此，外和内电压波动并不直接导致直线型驱动器中的磁 场变化，这意味着在引导转子或压縮机活塞时可以产生非常高的精确 度。较高的定位精度因而被获得，这尤其与直线型压縮机结合导致了 由于可压缩流体的减小的死区容积而造成的提高的效率程度。例如， 这种改进的移动测试允许直线型压縮机上压縮机活塞与阀门之间的安 全间隙的减小。由于冷却回路中的偏差所造成的电枢或活塞振荡的低
频寄生阻力(low-fr叫uency parasitic drag)与振荡周期相比非常缓慢， 并且可以由电流控制的对应调整而被补偿。
利用该方法，瞬变效应(transient effect)也可以同时被考虑，从 而在大致电流级别的瞬变中，实际线圈电流与目标线圈电流之间的差 异同样保持较小。
利用该方法，实际线圈电流被用于控制变量并与目标电流相比较。 该比较的结果以误差信号的形式被传输至控制元件，由此，实际线圈 电流相对于目标线圈电流被调整。通过该电流控制，可靠地避免相反 相位的驱动。避免相反相位的驱动防止了通过直线型驱动器的来回移 动的减速。因此，直线型驱动器的移动是更加高效的，并且利用该直 线型驱动器的直线型压缩机可以以具有更高效率程度的方式被操作。
在一个改型中，目标线圈电流作为转子或压缩机活塞的瞬时的和/ 或未来的实际位置的函数被确定。实际位置可以相对于转子并且还相 对于压缩机活塞借助于对应的记录装置被记录。
转子或压縮机活塞的瞬时的和/或未来的实际位置可以作为最后2 至20、尤其4至IO个振荡周期的函数被确定。
例如，转子或压縮机的来回移动借助于位置传感器被记录；并且 沿下一方向的反向点、也就是转子或压缩机活塞的移动方向反向的点 通过平均最后5个振荡周期内的移动而被预测。
可选地，未来的实际位置通过最后2至20、尤其4至10个振荡 周期内的来回移动的趋势被预测。在该实施例中，振荡幅度或压縮机 活塞的减小或增加也被考虑到，从而确定未来的实际位置、例如阀板
侧上的反向点。
如果所预测的阀板侧上的反向点太靠近阀门，则移动可以仍通过 目标线圈电流的影响被有利地纠正，并且可以防止压縮机活塞与阀板 的碰撞。
潜在的未来的实际线圈电流有利地被预测，并且瞬时的目标线圈 电流通过所述预测而被控制。因此，控制预测了未来的，并且这减小 了从期望的移动模式的来回移动的未控制的偏差。例如，通过这可以 提前识别和纠正可导致损害驱动线圈的过大的线圈电流。
在特定的实施例中，该方法包括以下步骤记录所述转子和/或所 述压縮机活塞在向前移动过程中移动经过第一位置的第一时间点；记 录所述转子和/或所述压缩机活塞在向回移动过程中移动经过第一位 置的第二时间点；记录第三时间点，在所述第三时间点所述转子和/或 所述压縮机活塞在向前移动过程中移动经过相对于所述第一位置沿所 述轴线偏离的第二位置；记录第四时间点，在所述第四时间点所述转 子和/或所述压縮机活塞在向后移动过程中移动经过相对于所述第一 位置沿所述轴线偏离的第二位置；借助于由所述时间点的内插或外插 而计算所述转子和/或所述压縮机活塞的瞬时的和/或未来的实际位置； 将所计算的实际位置与预定的目标移动曲线进行比较；并且根据所述 比较结果致动所述转子和/或所述压缩机活塞。这种类型的致动原理上 还可以利用其它电流控制，尤其在不提供线圈电流时，实际上采用线 圈电压控制。
利用来回移动的时间点被记录的至少两个位置，转子或压缩机活 塞的非对称移动、例如变形成锯齿形的正弦振荡可以被记录并考虑到 用于控制。振荡的非对称模式大致增加了反向点的位置的确切确定。 在这种方式中可以实现实际线圈电流相对于目标线圈电流的特别窄的 引导控制。例如，各时间点借助于两个光障被记录。
内插和/或外插可以借助于逼近函数、尤其诸如正弦或余弦函数的 三角函数、多项式或样条函数被实现。也可使用基于移动的历史而学 习转子或压縮机活塞的运动行为的逻辑，并可以对应地预测未来的运 动行为。借助于逼近函数，转子或压縮机活塞的位置可以被重构、确
定和/或预测为时间的函数，其中尤其可以计算第一和第二反向点的位 置以及经过这些点的时间。利用直线型压缩机，尽可能最准确的知道 阀板侧上反向点的位置在实践中是特别有利的。
计算有利地借助于针对所述转子或所述压縮机活塞的向前移动的 第一逼近函数、尤其具有第一相位、频率和/或幅度的第一三角函数以 及借助于针对所述转子或所述压縮机活塞的向后移动的第二逼近函 数、尤其具有第二相位、频率和/或幅度的第二三角函数被完成。
通过单独处理来回移动，可以以简单的方式考虑振荡的非对称模 式。振荡的非对称模式在直线型压縮机中通过待压縮的流体上完成的 直线型工作而出现，这是因为在压縮工作完成的过程中，由于压力连 接侧上的直线型压縮机的阀的开口，流体不再次通至压縮机活塞。
通过考虑非对称的逼近函数，其中所述非对称的逼近函数有时例 如通过将分别对称的第一和第二逼近函数组合在一起而被构成，确定 转子或压缩机活塞的实际位置的精度可以进一步被增加。
基本上，还可以记录转子和/或压缩机活塞移动经过附加的位置的 附加的时间点，并且这些附加的时间点在控制的过程中被考虑。附加 的支承点的使用允许更准确地确定转子或压縮机活塞的实际位置。
在有利的实施例中，线圈电流借助于H桥相连。H桥是转换器开 关，并且通常包括四个晶体管，它们布置成H的形状。借助于H桥， 电流可以准确地连接。例如，由此，电流可以以PWM开环控制(PWM: 脉宽调制)的方式被激发或控制。
驱动线圈可以由矩形信号被激发，其尤其具有73%与87%范围内 的、尤其78%与82%范围内的时域占空比。占空比应该被理解为意味 着，驱动线圈相对于整个循环持续时间的相连状态的持续时间。
目标线圈电流可以基本上是矩形的。在移动方向的反向之后，目 标线圈电流在91°/。至98%的范围内、尤其87%至93%的范围内行进之 后再次连接并脱离连接。在这种方式中，目标线圈电流的幅度有利地 借助于两个电流I控制器被调整(一个用于每个来回移动，这在直线 型压縮机中对应于压縮和扩展半周期)，从而所计算的反向点尽可能高 效地满足相关的目标值。
在特定的实施例中，在瞬变效应的过程中，线圈电流的电流幅度 以受到控制的方式、尤其单调地优选线性地增加，而尤其只要电流幅 度和/或转子和/或压縮机活塞的来回移动的振荡幅度超过预定的值，则 受到控制的操作转换成经受闭环控制的操作。
在这种方式中，尤其最初在来回移动的第一反向点并随后在来回 移动的第二反向点完成调整。反向点的受到控制的单独的处理确保了 在从开环至闭环控制的操作转换之后特别高程度的可靠性。
这种类型的启动特性允许在固定的闭环控制操作情况中可靠地实 现转子或压缩机活塞的移动。
根据本发明的装置提供了线圈电流可借助于用于闭环控制线圈电 流的器具被控制，从而实际线圈电流与目标线圈电流是大致相同的， 其中根据本发明的装置包括直线型驱动器，所述直线型驱动器包括定
子；适于在其中沿驱动轴线来回移动的转子；线圈电流所流经的驱动 线圈；以及用于闭环控制线圈电流的装置，根据本发明的装置尤其包 括直线型压縮机，所述直线型压縮机包括活塞壳体和适于在其中沿活 塞轴线来回移动的并由直线型压縮机驱动的压縮机活塞。
这种闭环控制允许转子或压缩机的高定位精度，即使网络波动影 响了操作电压，并且使得转子或压縮机活塞的尽可能的特别受到控制 的移动。这使得直线型压缩机以具有更高效率程度的方式被驱动，并 且因而以与现有已知的更节能的方式被驱动。
有利地，用于闭环控制线圈电流的装置具有以下特征((31至卩4) 中的至少一个(pi)设置用于预测未来实际线圈电流的装置，并且考
虑到所述预测，所述瞬时线圈电流可以经受闭环控制；(P2)设置用于 确定目标线圈电流的装置，并且目标线圈电流可作为所述转子或所述 压縮机活塞的瞬时的和/或未来的实际位置的函数被确定；(P3)设置 用于预测未来的实际线圈电流的装置，利用所述装置，所述转子或所 述压縮机活塞的瞬时的和/或未来的实际位置可以作为最后2至20、尤 其4至10个振荡周期的函数被确定；(P4)设置用于预测未来的实际 线圈电流的装置，利用所述装置，考虑到在最后2至20、尤其4至10 个振荡周期内所述转子和/或所述压縮机活塞的前后移动的趋势而预
测所述未来的实际位置。
各特征((31至P4)的任何组合在此是有利的，然而特征(Pl)与 (|32)以及((31)、(卩2)、(卩3)还有(pi)和(卩3)的组合是优选的。
在本发明的特别的实施例中，装置还包括第一记录装置，其用于 记录所述转子和/或所述压縮机活塞在向前移动过程中移动经过第一 位置的第一时间点，并记录所述转子和/或所述压縮机活塞在向后移动 过程中移动经过第一位置的第二时间点；第二记录装置，其用于记录 所述转子和/或所述压縮机活塞在向后移动过程中移动经过相对于第 一位置沿轴线偏离的第二位置的第三时间点，并记录所述转子和/或所 述压缩机活塞在向前移动过程中移动经过相对于所述第一位置沿所述 轴线偏离的第二位置的第四时间点；计算装置，其用于借助于由瞬时 的和/或过去的时间点的内插或外插而计算所述转子和/或所述压縮机 活塞的瞬时的和/或未来的位置；用于将所计算的位置与预定的移动曲 线进行比较的装置；以及用于根据比较的结果致动所述转子和/或所述 压縮机活塞的控制装置。
这种改型原理上还可以应用于诸如电压控制的闭环控制，也就是 说，并不提供实际线圈电流关于目标线圈电流的平衡的控制模式。
这种类型的反馈允许最大电枢毂部内的两个固定的电枢位置、以 及电枢经过这些位置的时间被测量。这里，测量位置有利地位于工作 侧上、即例如直线型压缩机的阀板侧上的电枢或活塞振荡的反向点附 近。转子或压縮机活塞的移动可以利用该装置被更加准确地被记录或 确定，并且具有直线型驱动器或直线型压縮机的装置的操作可以以具 有更高效率程度的方式被实现。
借助于该附加的记录装置，转子或压縮机活塞的实际位置可以更 准确地被记录，并且移动可以被控制；然而，附加的记录装置增加了 装置以及控制算法的复杂性。
有利地，设置用于连接线圈电流的H桥。借助于该H桥，可以准
确地连接几安培强度的相对较大的电流。
闭环控制有利地提供了 73%至87%范围内的、尤其78%至82%范 围内的占空比。
已经示出，反向点的位置波动越小，则所选择的占空比就越大。 然而，占空比必须小于1，由于实际线圈电流并不优选遵循目标电流 中的线圈目标电流，并且需要特定的时间以便振荡开始或结束。振荡 开始或结束的时间取决于目标线圈电流跨越的大小、H桥的(调节的)
操作电压、驱动线圈的感应率和欧姆电阻以及控制环参数。大约80%
的时域占空比是有利的，因为发现了两个竞争因素之间的传统的妥协。 计算装置具有用于确定平均的平均装置，借助所述平均装置，目
前的和/或未来的实际位置可以作为最后2至20、尤其4至10个振荡 周期的函数被确定。在这种方式中，通常的移动特性由最后的振荡产 生，未来振荡的特性可以被外插。这里，尤其反向点的位置可以被确 定。通过平均化处理，确定时间点的过程中或确定转子或压縮机活塞 的位置的过程中的测量误差可以被减小。平均化处理允许反向点的未 来的位置的更加精确的预测。
装置可以是冷却单元，尤其是冰箱或冰柜或用于车辆的空调单元。
在其它改型中，设置附加的记录装置，用于记录转子和/或压縮机 活塞在来回移动中移动经过附加的位置的附加的时间点。
有利地，用于记录所述转子和/或所述压缩机活塞在向前移动过程 中移动经过位置的记录装置中的至少一个记录装置设置在反向点之前 各反向点之间的距离的20%与10%之间的位置、尤其是17%与12%之 间的位置。记录装置相对于反向点布置得越近，则可以越精确地确定 反向点的位置。然而，如果记录装置太靠近反向点，则转子或压縮机 活塞在瞬变效应与闭环控制的过程中的移动不再被足够保持避免碰 撞。己经有利地证明，将记录装置尤其布置在反向点之前两个反向点 之间的间隙的15%处，从而获得这两方面的平衡。
根据本发明用于冷却物品和/或用于压縮流体的方法使用了根据 本发明的装置和/或根据本发明的闭环控制方法。由于直线型驱动器或 直线型压縮机的闭环控制的增加的效率，以及由于操作过程中伴随的 增加的效率程度，所以用于冷却物品或用于压縮流体的方法可以特别 简单地并高效地完成，从而物品可以快速地可靠地以节能方式较高效 率程度地被冷却，或者，流体可以快速地可靠地以节能方式较高效率程度地被压缩。
以下参照附图详细说明其它优点以及具体的实施例，所述附图非 限制本发明而是通过实例说明了本发明，其中
图1示出了根据本发明的装置的示意性剖视图，其设置为直线型 压縮机；
图2示出了包括根据图1的本发明的装置的示意性冰箱； 图3示出了用于本发明的直线型压縮机或直线型驱动器的示意性 电路图4示出了转子和/或压縮机活塞的来回移动的一个半振荡周期的 示意图5示出了示意性曲线，其中示出了处于稳定状态中的实际线圈 电流或目标线圈电流的、转子或压缩机活塞的实际位置的时域过程；
图6示出了示意性曲线，其中示出了在瞬变效应的过程中闭环的 与非闭环(即开环)的控制的线圈电流的、转子或压縮机活塞的实际 位置的模拟时域过程；
图7示出了示意性曲线，其中更详细地示出了在瞬变效应的过程 中在上反向点上根据图6的实际位置的时域过程；
图8示出了示意性曲线，其中更详细地示出了在瞬变效应的过程 中在下反向点上根据图6的实际位置的时域过程；并且
图9示出了示意性曲线，其中示出了在时间间隔内的瞬变效应的 过程中时域过程。
具体实施例方式
图1以剖视图的方式示出了根据本发明的装置1，其具有直线型 驱动器2，其中所述直线型驱动器2驱动用于压縮气态流体32的直线 型压縮机3。流体32可以是输送到冷凝层(未示出)内的冷却剂。直 线型驱动器2包括定子4，在所述定子中转子5可沿驱动轴线9来回 移动。转子具有磁体(未示出)，其中所述磁体借助于驱动线圈6移动。
直线型驱动器2经由活塞杆27连接至压縮机活塞8，其中所述压
縮机活塞8可在活塞壳体7内沿活塞轴线33来回移动。活塞杆27包 括连接件26，其形成为窄点的形式，用于防止压縮机活塞8倾斜。连 接件26可以吸收相对于活塞杆27直角作用的偏转。
借助于具有开口 29的壳体壁28，压縮机活塞8在侧部也就是说 沿相对于活塞轴线33成直角的方向安装成，借助于入口 30所产生的 流体被推压经过开口 29。气垫通过从开口 29流出的流体在壳体壁28 的前侧产生，垫在壳体壁28之前的一距离处保持压縮机活塞8并且将 所述压縮机活塞以无接触的方式安装。总之，通过这形成气压支承。
压缩机活塞8的实际位置、或者压縮机活塞8经过第一位置11或 第二位置的时间点借助于记录装置14和记录装置15被确定，其中所 述记录装置14用于记录第一和第二时间点，而所述记录装置15用于 记录第三和第四时间点，其中第一和第三时间点是压縮机活塞8在其 向前移动过程中移动经过对应的位置11、 12的时间点，而第二和第四 时间点是压縮机活塞8在其向后移动过程中移动经过特定位置11、 12 的时间点。附加的记录装置23用于确定压縮机活塞8移动经过附加的 位置24的时间点。
压縮机活塞8以振荡的方式在第一反向点21与第二反向点22之 间来回移动。各反向点位于+10mm和-10mm处。记录装置14、 15位 于+7mm和-7mm处，也就是说分别位于对应的反向点21 、 22之前 3mm处。驱动线圈6通过器具IO被控制，所述器具IO用于借助于H 桥19闭环控制线圈电流，其中考虑到借助于用于预测未来实际线圈电 流的装置13进行预测，瞬时目标线圈电流经受闭环控制。借助于用于 确定目标线圈电流的装置43，目标线圈电流作为转子5或压縮机活塞 8的瞬时的和/或期望的未来实际位置的函数被确定。借助于用于预测 未来实际线圈电流的装置13，转子5或压縮机活塞8的目前的和/或未 来的实际位置作为至少5个振荡周期的函数被确定。借助于用于计算 转子5和/或压縮机活塞8的瞬时的和/或未来的位置的计算装置16， 转子5和/或压縮机活塞的目前的和/或未来的位置通过从当前的和/或 过去的时间点的内插(interpolation)或外插(extrapolation)被确定。 比较装置17将所计算的实际位置与预定的(目标)移动曲线进行比较。
预定的移动曲线特别地模拟了转子5或压縮机活塞8的最大反向点21、 22，从而避免了压縮机活塞8与阀板(未示出)的碰撞。控制装置18 根据比较的结构致动转子5和/或压縮机活塞8。
图2示出了用于根据本发明的装置2的冷却单元20，其用于冷却 物品25。转子5或压縮机活塞8的前后移动的闭环控制的高准确度允 许显著减小直线型压縮机3中的死区容积，结果可以显著增加冷却单 元20的效率程度。结果，物品25可以以节能的方式、可靠地且容易 地被高效地冷却。
图3示出了根据本发明的装置1的示意性电路图，其中具有整流
器21; H桥19;比较装置17;用于记录第 一 时间点和第二时间点的记
录装置14;用于记录定子4中的转子5在其前后移动的过程中经过第 一位置11和第二位置12的第三和第四时间点的记录装置15。
图4示出了前后移动过程中压縮机活塞8的实际位置35的一个半 振荡周期，并且示出了以下所述的变量。使用测量技术记录实际的电 枢，该测量结果被传输至位置调节器，该位置调节器产生目标电流信 号(经过直线型驱动器的电机线圈(generator coil)的目标电流——在 图中由Is。u表示)，该目标电流信号由与作为最终控制元件的H桥(转 换器电路)结合的(PWM开环控制的)控制环被实现(也就是说，实 际电流I&与目标电流Is。u是大致相同的)。电枢位置测量位置标为Xl
和X2，测量时间点to至t4，在上和下反向点的电枢位置值Xmin和Xmax。
电枢到达上或下反向时间点To至T2。
在控制算法中，电枢位置应该被描述为时间的函数，x (t)，其大
致针对分别由余弦半周期的压縮或扩展半周期。
压縮半周期
<formula>formula see original document page 17</formula>
扩展半周期
<formula>formula see original document page 17</formula>
基于比值(t1－To) / (To-to) = (t2-t。 / (t4-t3)，针对反向点的位置
得到以下，
<formula>formula see original document page 18</formula>
(公式11)
<formula>formula see original document page 18</formula>(公式12)
<formula>formula see original document page 18</formula>
Xl=-7.0 mm并且x严+7.0mm被选为测量位置。最大电枢位置x (=上反向点)与最小电枢位置xmin (=下反向点)的目标值设为 Lmax=+9.8 mm与Lmin=-9.7 mm。
在图5中，模拟的实际位置35也就是电枢位置、目标线圈电流 36和"理想化的"实际线圈电流37应用为时间的函数。实际线圈电 流被示为"理想化的"，这是因为在图像中包含的实际线圈电流的较高 频率的波动，这种较高频率的波动是由于在真实电流控制环中所使用 的脉冲幅度调制。从目标线圈电流36模拟或计算(理想化的)实际线 圈电流37，因为假设电流控制环是简单的PI控制器。在真实的实验中， 已经观察到，在承受闭环控制的电枢振荡中，上反向点波动越大则被 选择的占空比(duty cycle) a就越大。然而，占空比必须小于l，因为 可以观察到，实际线圈电流37在目标电流跨越(target current leap) 中并不完美地遵循目标线圈电流36，而是需要用于振荡入和出的特定 的时间段。该振荡入和出取决于目标电流跨越的大小、H桥的(整流 的)操作电压、驱动线圈的感应率和欧姆电阻以及电流控制环参数。 如图5所示的80%的(时域)占空比a已经被证明是特别有利的，因 为通常所规定的要求是"容易、而非太容易地"满足的。
图6示出了模拟的瞬变效应。在此，在上曲线图中，电枢位置相 对于时间被绘出，并且其下，线圈电流以及承受所谓的闭环控制的所 谓的线圈电流相对于时间被绘出。(这里，在闭环线圈电流与非闭环也 就是开环控制的线圈电流之间存在差别，这将在以下详细说明)。
在第一个2秒的过程中，电流并未承受闭环控制而是承受开环控 制。这里，在第一个2秒的过程中，矩形目标电流信号的幅度相对于
时间线性增加，直至达到+4.5A的正电流幅值以及-3.0A的负电流幅值。 由于增加的线圈电流，电枢振荡的幅度增加。
对于1.0s〈K2.0s而言，(开环控制的)电流幅度仍旧恒定。在此， 电枢振荡的幅度进一步增加(如果不像之前那样相当强烈的话)直至 大约t:1.6s。在大约t:1.4s，电枢振荡幅度是较大的，从而两个测量位
置Xi和X2由电枢跨过。
对于t<1.6s，在控制操作过程中的电枢振荡处于稳定状态，并且 两个测量位置Xi和X2由电枢跨过。因此，给出转变至经受闭环控制的 操作的要求。在t=2.0s，切换至经受闭环控制的操作。在此，(+4.5A 和-3.0A的)正和负电流幅值最初由经受开环控制的操作采取。电流信 号对电枢振荡的简单的"相位调整"被完成，从而电流信号总是沿电 枢移动的方向作用，也就是说并不停电。这可导致在从开环切换至闭 环控制的操作之后电枢振荡幅度非常迅速地增加。在图6中，这主要 是在上反向点附近的情况中。为了防止活塞与阀板的碰撞，对于 2.0s〈K3.0s而言，x皿的目标值并不立刻设置成针对Lma^+9.8 mm的 端值，而是在+9.5mm的值。然而，对于xmin的目标值而言，Lmin=-9.7 mm的值从闭环控制的连接中立刻应用(在t=2.0s)。从t=3.0s， xmax 的目标值设为Lmax=+9.8 mm的端值。经受闭环控制的瞬变操作从大约 t=4.0s实现。
图7和8示出了在瞬变效应过程中上和下反向点上的实际位置的 时域过程。图9示出了在时间间隔的时域过程。
从图7至9可以看出，在瞬变状态中(对于t>4.0s)， Lmax=+9.8 mm 和Lmi,-9.7 mm的目标值稍微偏离标记。这是由于借助于两个余弦函 数的逼近不是理想的，并且因而由公式11和公式12计算的反向点不 同于实际的反向点。然而，这些由于逼近函数的选择所造成的差异可 以按照期望被造成尽可能小，因为使用具有更多"调节参数"或拟合 参数的逼近函数。
在具有较高时间间隔的图9中示出了在1=28的从开环至闭环操作
的切换过程。实际位置35也就是模拟的实际电枢是正弦的，而目标电 流36是矩形的。在t-2.0s切换时——由于矩形目标电流信号的最初恒
定的正和负幅度__电枢振荡的目标电流信号被使得"同相"，也就是 说，从电流发出的电磁力从切换的时间点、沿(自然)电枢运动的方 向总是作用在电枢上。这不是如图所示的经受开环控制的操作过程中 之前的情况。接着，两个目标电流幅值逐渐改变(通过两个电流控制 器)从而，电枢振荡的上和下反向点达到它们的对应的目标值。
本发明涉及直线型驱动器2的闭环控制方法，其中所述直线型驱
动器2包括定子4;转子5，其中所述转子适于在所述定子内沿驱动轴 线9来回移动；以及驱动线圈6，线圈电流流经所述驱动线圈，更具
体地讲，本发明涉及直线型压縮机的方法，其中所述直线型压缩机包
括活塞壳体7和可在其中沿活塞轴线33来回移动并由直线型驱动器2 驱动的压缩机活塞8,而线圈电流经受闭环控制从而实际线圈电流与 目标线圈电流基本上是相同的，并且本发明涉及适于实现根据本发明 方法的装置1、以及使用装置1或根据本发明的闭环控制方法的用于 冷却物品25和/或压缩流体32的方法。本发明其特征在于，利用简单 的装置高效地并精确地监控转子5或压縮机活塞8的来回移动的闭环 控制，而无需昂贵的传感器系统。 附图标记列表
1装置
2直线型驱动器
3直线型压缩机
4定子
5转子
6线圈
7活塞壳体8压縮机活塞
9驱动轴线
10用于线圈电流的闭环控制器具
11第一位置
12第二位置
13用于预测未来的线圈电流的装置
14用于记录第一和第二时间点的记录装置
15用于记录第三和第四时间点的记录装置
16计算装置
17比较装置
18控制装置
19 H桥
20冷却单元
21第一反向点
22第二反向点
23附加的记录装置
24附加的位置
25物品
26连接
27活塞杆
28壳体壁
29开口
30入口
31整流器
32流体
33活塞轴线
34用于确定目标线圈电流的装置 35模拟的实际位置 36目标线圈电流 37实际线圈电流
权利要求
1. 一种直线型驱动器(2)的闭环控制方法，其中所述直线型驱动器包括定子(4)；转子(5)，其中所述转子适于在所述定子内沿驱动轴线(9)来回移动；以及驱动线圈(6)，线圈电流流经所述驱动线圈，更具体地讲所述闭环控制方法用于直线型压缩机(3)，其中所述直线型压缩机包括活塞壳体(7)和适于在其中沿活塞轴线(22)来回移动的压缩机活塞(8)，并且所述压缩机活塞由所述直线型驱动器(2)驱动，其特征在于，线圈电流经受闭环控制，从而实际线圈电流与目标线圈电流是大致相同的。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，目标线圈电流作为 所述转子(5)或所述压縮机活塞(8)的瞬时的和/或未来的实际位置 的函数被确定。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述转子(5)或 所述压縮机活塞(8)的瞬时的和/或未来的实际位置作为最后2至20 个、尤其4至IO个振荡周期的函数被确定。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述未来的实际位 置考虑到在最后2至20个、尤其4至IO个振荡周期内的来回移动的
5. 根据前述权利要求任一所述的方法，其特征在于，考虑到所述 预测，潜在的未来的实际线圈电流被预测，并且所述瞬时的目标电流 经受闭环控制。
6. 根据前述权利要求任一所述的方法，其特征在于，包括以下步骤记录所述转子(5)和/或所述压縮机活塞(8)在向前移动过程中 移动经过第一位置的第一时间点；记录所述转子(5)和/或所述压縮机活塞(8)在向回移动过程中 移动经过第 一位置的第二时间点；记录第三时间点，在所述第三时间点所述转子(5)禾B/或所述压 縮机活塞(8)在向前移动过程中移动经过相对于所述第一位置(11) 沿所述轴线(9、 33)偏离的第二位置；记录第四时间点，在所述第四时间点所述转子(5)禾P/或所述压 縮机活塞(8)在向后移动过程中移动经过相对于所述第一位置(11) 沿所述轴线(9、 33)偏离的第二位置(12);借助于由所述时间点的内插或外插而计算所述转子(5)禾口/或所 述压縮机活塞(8)的瞬时的和/或未来的实际位置；将所计算的实际位置与预定的目标移动曲线进行比较；并且根据所述比较结果致动所述转子(5)和/或所述压縮机活塞(8)。
7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述内插和/或外 插借助于逼近函数、尤其诸如余弦或正弦函数的三角函数、多项式或 样条函数而完成。
8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述内插和/或外 插借助于针对所述转子(5)或所述压縮机活塞(8)的向前移动的第 一逼近函数、尤其具有第一相位、频率和/或幅度的第一三角函数以及 借助于针对所述转子(5)或所述压縮机活塞(8)的向后移动的第二 逼近函数、尤其具有第二相位、频率和/或幅度的第二三角函数而实现。
9. 根据权利要求6至8任一所述的方法，其特征在于，在所述转 子(5)禾n/或所述压縮机活塞(8)移动经过附加的位置(24)并考虑 到闭环控制时记录附加的时间点。
10. 根据前述权利要求任一所述的方法，其特征在于，所述线圈 电流借助于H桥(19)相连。
11. 根据前述权利要求任一所述的方法，其特征在于，所述驱动 线圈(6)由矩形信号激发，其中特别地，时域占空比是在73%至87% 的范围内、尤其在78%至82%的范围内。
12. 根据前述权利要求任一所述的方法，其特征在于，在瞬变效应过程中，线圈电流的电流幅度经受开环控制、尤其单调优选线性增 加，其中特别地，只要电流幅度和/或所述转子(5)和/或所述压縮机活塞(8)的来回移动的振荡幅度超过预定的值，则经受闭环控制的操作转换成经受开环控制的操作，其中特别地，最初在来回移动的第一 反向点并随后在来回移动的第二反向点完成调整。
13. —种装置(1)，包括直线型驱动器(2)，所述直线型驱动器 包含定子(4);转子(5)，其中所述转子适于在所述定子内沿驱动轴 线(9)来回移动；驱动线圈(6)，线圈电流流经所述驱动线圈；以及 用于闭环控制线圈电流的器具(10)，所述装置尤其包括直线型压缩机(3)，所述直线型压缩机包含活塞壳体(7)和适于在其中沿活塞轴线 (22)来回移动的压缩机活塞(8)，并且所述压缩机活塞由所述直线 型驱动器(2)驱动，其特征在于，利用所述用于闭环控制线圈电流的 器具(10)，线圈电流可以经受闭环控制，并且实际线圈电流与目标线 圈电流是大致相同的。
14. 根据权利要求(13)所述的装置(1)，其特征在于，所述用 于闭环控制线圈电流的器具(10)具有以下结构(pl至(34)中的至少一种(卩l)设置用于预测未来实际线圈电流的装置(13)，并且考虑到 所述预测，所述瞬时的目标线圈电流可以经受闭环控制；((32)设置用于确定目标线圈电流的装置(34)，并且目标线圈电 流可作为所述转子(5)或所述压縮机活塞(8)的瞬时的和/或未来的 实际位置的函数被确定；(卩3)设置用于预测未来的实际线圈电流的装置(13)，利用所述 装置，所述转子(5)或所述压缩机活塞(8)的瞬时的和/或未来的实 际位置可以作为最后2至20、尤其4至IO个振荡周期的函数被确定；(卩4)设置用于预测未来的实际线圈电流的装置(13)，利用所述 装置，考虑到在最后2至20、尤其4至IO个振荡周期内所述转子(5) 和/或所述压縮机活塞(8)的前后移动的趋势而预测所述未来的实际 位置。
15. 根据权利要求13或14所述的装置，其特征在于，还包括 第一记录装置(14)，其用于记录所述转子(5)和/或所述压縮机活塞(8)在向前移动过程中移动经过第一位置(11)的第一时间点， 并从而记录所述转子(5)和/或所述压缩机活塞(8)在向后移动过程 中移动经过第一位置(11)的第二时间点；第二记录装置(15)，其用于记录所述转子(5)和/或所述压縮机 活塞(8)在向后移动过程中移动经过从所述第一位置(11)沿轴线(9、 33)偏离的第二位置(12)的第三时间点，并从而记录所述转子(5) 和/或所述压缩机活塞(8)在向前移动过程中移动经过相对于所述第 一位置(11)沿所述轴线(9、 33)偏离的第二位置(12)的第四时间 点；计算装置(16)，其用于借助于由当前的和/或过去的时间点的内 插或外插而计算所述转子(5)和/或所述压缩机活塞(8)的瞬时的和 /或未来的位置；用于将所计算的位置与预定的移动曲线进行比较的装置(17);以及用于根据比较的结果致动所述转子(5)和/或所述压缩机活塞(8) 的控制装置(18)。
16. 根据权利要求15所述的装置(1)，其特征在于，还包括附加 的记录装置(23)，其用于记录所述转子(5)和/或所述压縮机活塞(8) 在来回移动过程中移动经过附加的位置(24)的附加的时间点。
17. 根据权利要求13至16任一所述的装置(1)，其特征在于， 设置用于连接线圈电流的H桥(19)。
18. 根据权利要求13至17任一所述的装置(1)，其特征在于， 闭环控制的时域占空比设置在从73%至87%的范围内、尤其在从78% 至82%的范围内。
19. 根据权利要求13至18任一所述的装置(1)，其特征在于， 所述第一位置(11)和/或第二位置(12)位于来回移动的反向点(21、22)的附近，尤其是在来回移动的幅度的73%至87%的范围内、优选 在78%至82%的范围内。
20. 根据权利要求13至19任一所述的装置(1)，其特征在于， 所述计算装置具有平均装置，通过所述平均装置，未来的实际位置可 以作为最后2至20个、尤其4至IO个振荡周期的函数被确定。
21. 根据权利要求13至20任一所述的装置(1)，其特征在于， 所述要求保护的装置是冷却单元(20)，尤其是冰箱和/或冰柜或空调 系统。
22. 根据权利要求13至21任一所述的装置(1)，其特征在于， 记录所述转子(5)和/或所述压縮机活塞(8)在向前移动过程中移动 经过位置(11、 12)的记录装置(14、 15)中的至少一个记录装置设 置在反向点(21、 22)之前各反向点(21、 22)之间的距离的20%与 10%之间的位置、尤其是17%与12%之间的位置。
23. —种用于冷却物品(25)禾B/或用于压縮流体(32)的方法， 其特征在于，所述方法采用根据权利要求13至21任一所述的装置(l) 和/或应用如权利要求1至12任一所述的闭环控制方法。
全文摘要
本发明涉及闭环控制直线型驱动器(2)的方法，其中所述直线型驱动器包括定子(4)；转子(5)，其中所述转子适于在所述定子内沿驱动轴线(9)来回移动；以及驱动线圈(6)，线圈电流流经所述驱动线圈，更具体地讲所述闭环控制方法用于直线型压缩机(3)，其中所述直线型压缩机包括活塞壳体(7)和适于在其中沿活塞轴线(22)来回移动的压缩机活塞(8)，并且所述压缩机活塞由所述直线型驱动器(2)驱动，所述线圈电流经受闭环控制，精准的使得实际线圈电流与目标线圈电流是大致相同的；本发明涉及适于完成所述方法的装置(1)以及利用根据本发明的装置(1)或根据本发明闭环控制方法的冷却物品(25)和/或压缩流体(32)的方法。本发明特征在于，利用简单的装置高效地并准确地完成了转子(5)或压缩机活塞(8)的来回移动的闭环控制，而无需复杂的传感器系统。
文档编号H02P25/06GK101390277SQ200780006923
公开日2009年3月18日 申请日期2007年1月11日 优先权日2006年2月28日
发明者J·赖因施克 申请人:Bsh博世和西门子家用器具有限公司