直驅(qū)控制渦旋壓縮機(jī)位置識別方法研究*

顏禧龍,蔡炯炯*,蔣加禎,瞿 曉,劉 雷

(1.浙江科技學(xué)院 自動化與電氣工程學(xué)院,浙江 杭州 310023;2.思科渦旋(杭州)有限公司,浙江 杭州 310023)

0 引 言

渦旋壓縮機(jī)是20世紀(jì)80年代才發(fā)展起來的一種新型容積式壓縮機(jī)。該型壓縮機(jī)具有零件少、體積小、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、振動小、效率高等優(yōu)點(diǎn),因而被廣泛應(yīng)用于眾多的工業(yè)制造領(lǐng)域中[1-3]。隨著工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展,業(yè)界對于渦旋壓縮機(jī)的要求也越來越高。

在渦旋壓縮機(jī)的工作過程中,由于氣體會從其動、靜渦盤齒壁間的徑向間隙泄露,這大大阻礙了渦旋壓縮機(jī)往高壓力、大容量方向的發(fā)展[4]。因此,密封問題一直是渦旋壓縮機(jī)研究的關(guān)鍵技術(shù)難題之一。

渦旋壓縮機(jī)動、靜渦旋齒壁間的徑向間隙是其氣體泄漏的主要通道之一。徑向間隙又包含靜態(tài)間隙和渦旋壓縮機(jī)工作過程中和動態(tài)間隙。其中,靜態(tài)間隙主要是由動靜渦旋盤的加工誤差、各運(yùn)動部件的磨損、裝配精度不夠等引起的;動態(tài)間隙主要是渦旋壓縮機(jī)工作狀態(tài)下,因中間傳動環(huán)節(jié)的傳動誤差和防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)不能完全控制動渦盤的自轉(zhuǎn),而由此引起的[5,6]。

近年來,國內(nèi)外許多學(xué)者和專家就渦旋壓縮機(jī)的切向泄露和密封相關(guān)問題進(jìn)行了大量研究工作。

PEREIRA E等人[7]對不同氣體、工況和幾何參數(shù)下,渦旋壓縮機(jī)的切向泄漏問題進(jìn)行了數(shù)值分析。KOHSOKABE H等人[8]對渦旋壓縮機(jī)進(jìn)行了研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn),利用代數(shù)螺線作為渦旋型線有利于減小壓縮機(jī)切向泄漏線的長度。劉興旺等人[9]也對渦旋壓縮機(jī)進(jìn)行了研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn),單位曲柄轉(zhuǎn)角下的切向泄露量會隨著轉(zhuǎn)速降低而增大。王海民等人[10]通過對渦旋壓縮機(jī)進(jìn)行的研究,并指出,壓縮機(jī)徑向間隙處的密封是靠油膜表面張力來完成。ZHENG S Y等人[11]對渦旋壓縮機(jī)進(jìn)行了研究,在此基礎(chǔ)上指出,通過在靜渦盤側(cè)壁上設(shè)置連續(xù)密封槽,可以減少切向泄露量。KYOBONG K等人[12]考慮了渦旋壓縮機(jī)軸和套筒之間的接觸和油膜壓力的影響,對徑向隨變機(jī)構(gòu)進(jìn)行了動力學(xué)研究。

上述研究工作雖然對渦旋壓縮機(jī)切向動態(tài)密封的改善提供了很多有益的幫助,但是由于大部分的機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜,且大部分不適用于無油壓縮,其對切向動態(tài)密封的改善效果有限。另外,在上述研究工作中,對動、靜渦旋齒間的徑向間隙均無法實(shí)現(xiàn)主動控制,結(jié)果是在2個渦旋盤之間仍然存在切向泄露和過摩擦現(xiàn)象,給渦旋盤的穩(wěn)定轉(zhuǎn)動帶來了新考驗(yàn)。

為解決上述研究中存在的問題,筆者提出一種基于電流信號的渦旋壓縮機(jī)切向主動密封的控制方法,并在平面電機(jī)上,利用該控制方法實(shí)現(xiàn)對動、靜渦旋齒間徑向間隙的主動控制。

1 渦旋壓縮機(jī)直驅(qū)主動控制特性

1.1 基于直線電機(jī)的直驅(qū)式渦旋壓縮機(jī)構(gòu)架

針對渦旋壓縮機(jī)側(cè)面動態(tài)密封問題,筆者提出一種基于平面電機(jī)的直驅(qū)式渦旋壓縮機(jī)構(gòu)架。平面電機(jī)由2個永磁同步直線電機(jī)(在運(yùn)動方向上成90°角)構(gòu)成XY電機(jī)平臺[13],電機(jī)帶動動渦盤沿規(guī)劃好的運(yùn)動路徑進(jìn)行平面運(yùn)動,即可實(shí)現(xiàn)對渦旋壓縮機(jī)動靜渦盤間徑向間隙的主動控制。

基于直線電機(jī)的直驅(qū)構(gòu)架示意圖如圖1所示。

圖1 基于直線電機(jī)的直驅(qū)式渦旋壓縮機(jī)構(gòu)架示意圖

相比于傳統(tǒng)的驅(qū)動方案,該直驅(qū)方案減少了電機(jī)與動渦盤之間的傳動環(huán)節(jié)和防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),使其結(jié)構(gòu)更為簡單;而且也減少了因中間傳動結(jié)構(gòu)帶來的傳動誤差,能更精準(zhǔn)地控制渦旋壓縮機(jī)動靜渦旋齒間徑向間隙的大小,從而提高其動態(tài)側(cè)面密封效果。

1.2 側(cè)面密封接觸壓力與電流信號特征

在渦旋壓縮機(jī)的工作過程中,其內(nèi)部動靜渦旋盤的嚙合情況(即徑向間隙的大小)不能直接得到,因此,筆者在該處采用電機(jī)電流變化來間接判斷動靜渦旋盤的嚙合情況。

在理想的情況下,設(shè)通入繞組的三相電流為:

(1)

式中：Im—電流幅值；ω—電流角頻率；θ0—A相電流初始相位角。

設(shè)A相線圈初始位置為X0，到t時刻空間位移為xt，則A相線圈反電勢為[14-16]：

(2)

式中：n—線圈匝數(shù)；Bm—磁場強(qiáng)度；l—疊厚；τ—極距。

動子速度為：

(3)

(4)

此外，對永磁同步電機(jī)有:

(5)

即永磁同步直線電機(jī)的推力公式可表示為:

(6)

但實(shí)際上直驅(qū)電機(jī)平臺除了對負(fù)載輸出力之外，還要平衡摩擦力、本身的開斷引起的端部力等，其機(jī)械運(yùn)動方程可表示為:

F=MpV+Ff+Fr+Fd

(7)

式中：F—電磁推力；M—動子質(zhì)量；p—微分算子；Ff—摩擦力；Fr—由于端部效應(yīng)、齒槽效應(yīng)和其他因素引起的波動力，其占比隨著負(fù)載程度略有變化；Fd—負(fù)載力。

由于電磁推力存在波動和三相反電勢非正弦，所以三相電流也非正弦，對每個位置仍采用通入三相對稱電流的控制方案，則式(6)變?yōu)?

(8)

則三相電流表達(dá)式為:

(9)

由式(4,8,9)可知：在速度V不變的情況下，三相反電勢(Ea、Eb、Ec)在每個確定的位置(θ)處為不變恒定量，因此，電流幅值(I)和電磁推力(F)成比例關(guān)系。所以筆者可以通過三相電流(ia、ib、ic)的大小來獲知電磁推力(F)的大小。并且電磁推力會隨著側(cè)面密封接觸壓力的變化而變化，所以可以通過電機(jī)某相電流的大小來反映出側(cè)面密封接觸壓力的變化。

1.3 直驅(qū)式切向主動密封控制方法

基于上文對渦旋壓縮機(jī)側(cè)面密封接觸壓力與電機(jī)電流信號的分析可知,當(dāng)電機(jī)電流增大時,其側(cè)面密封接觸壓力也隨之增大。

因此,筆者提出一種基于電流信號的渦旋壓縮機(jī)切向主動密封的控制方法。

基于電流信號的直驅(qū)控制方法流程圖如圖2所示。

圖2 基于電流信號的直驅(qū)控制方法流程圖

該控制方法的流程是先進(jìn)行冷態(tài)位置識別,再進(jìn)行熱態(tài)位置識別。因?yàn)榕c熱態(tài)時相比,冷態(tài)時渦旋壓縮機(jī)的零部件形變小,受溫度影響小,所以對其進(jìn)行控制的難度更小。并且冷態(tài)位置識別可以為熱態(tài)位置識別奠定基礎(chǔ)。[17]

2 冷態(tài)運(yùn)動軌跡識別

冷態(tài)位置識別過程主要分為4部分:

(1)建立離線電流數(shù)據(jù)庫;(2)確定電流差值閾值;(3)確定靜渦盤圓心;(4)確定動渦盤運(yùn)動軌跡。

冷態(tài)運(yùn)動軌跡識別算法流程圖,如圖3所示。

冷態(tài)運(yùn)動軌跡詳細(xì)識別步驟如下:

(1)建立離線電流數(shù)據(jù)庫(如圖3框1部分所示)?；谇捌趯﹄姍C(jī)電流信號的分析可知,當(dāng)負(fù)載和速度一定時,電機(jī)相電流值在每個固定位置是確定的,因此,筆者提出構(gòu)建離線電流數(shù)據(jù)庫;

(2)確定電流差值閾值(如圖3框2部分所示)。通過將當(dāng)前電流值與數(shù)據(jù)庫中相同位置的電流值進(jìn)行比較，得到電流差值Δi1，再以電流差值Δi1為評價指標(biāo)，以此來判斷動靜渦盤的嚙合情況，電流差值Δi1=|當(dāng)前電流i-數(shù)據(jù)庫電流i0|；

圖3 冷態(tài)運(yùn)動軌跡識別算法流程圖

為了確定電流差值的閾值，筆者先控制電機(jī)往X軸正方向運(yùn)動，直到二維力傳感器數(shù)值達(dá)到一定值時停止，記錄此時的電流值，選取合適的電流差值使力傳感器數(shù)值最小。其他3個方向也是如此，最后選取最大值確定為電流差值閾值I1；

(3)確定靜渦盤圓心(如圖3框3部分所示)。當(dāng)安裝好動靜渦盤時,其圓心位置可由光柵反饋得到,而靜渦盤圓心位置無法得知,因此就無法進(jìn)行動渦盤運(yùn)動軌跡識別。確定靜渦盤圓心分為兩步,即先初步確定圓心坐標(biāo),再在此基礎(chǔ)上,多次測量求平均,確定最終的圓心坐標(biāo)。

確定靜渦盤圓心示意圖如圖4所示。

圖4 確定靜渦盤圓心示意圖

圖4(a)為初步確定靜渦盤圓心坐標(biāo)，在確定X軸中心坐標(biāo)時，電機(jī)的Y軸不動，只移動X軸，控制電機(jī)先向X軸正方向移動，當(dāng)檢測到電流差值大于閾值時，記錄該點(diǎn)坐標(biāo)為電機(jī)X軸正邊界坐標(biāo)。同理，可以得到電機(jī)X軸負(fù)邊界坐標(biāo)，然后將兩坐標(biāo)求中間值，就得到了X軸中心坐標(biāo)(Y軸中心坐標(biāo)也是如此測得)。

為了減小誤差，筆者以初步測得的圓心為測量起點(diǎn)，X軸和Y軸各重復(fù)測量5次，如圖4(b，c)所示，將所得結(jié)果求平均確定為靜渦盤圓心；

(4)確定動渦盤運(yùn)動軌跡(如圖3框4部分所示)。由于存在加工誤差和裝配誤差,需要對壓縮機(jī)動渦盤運(yùn)動軌跡進(jìn)行識別確定。

冷態(tài)位置識別示意圖如圖5所示。

圖5 冷態(tài)位置識別示意圖

筆者將理論的壓縮機(jī)動渦盤運(yùn)動軌跡均勻分為等份,算出待測n個點(diǎn)的坐標(biāo),如圖5(a)所示,按角度將動渦盤運(yùn)動軌跡平均分為4個部分。如圖5(b)所示,測量第一部分的點(diǎn)，電機(jī)X軸不動,移動電機(jī)往Y軸正方向運(yùn)動,每前進(jìn)一步測量一次電機(jī)電流,當(dāng)檢測到電流差值大于閾值時，記錄并保存該點(diǎn)坐標(biāo);

其他3部分也是類似的操作,直至測量完所有點(diǎn)的位置,最后將所有測得的點(diǎn)坐標(biāo)組合而成為動渦盤運(yùn)動軌跡坐標(biāo)。

3 熱態(tài)運(yùn)動軌跡識別

在渦旋壓縮機(jī)運(yùn)行時,由于氣體壓縮發(fā)熱,會導(dǎo)致壓縮機(jī)的動、靜渦盤受熱變形,仍沿冷態(tài)軌跡運(yùn)動會出現(xiàn)過摩擦或切向泄露,因此,需要修正其運(yùn)動軌跡。

熱態(tài)位置識別主要分為確定熱態(tài)運(yùn)動初始軌跡、確定電流差值閾值和修正動渦盤運(yùn)動軌跡3部分。

熱態(tài)軌跡識別流程圖如圖6所示。

圖6 熱態(tài)軌跡識別流程圖

熱態(tài)軌跡識別步驟如下:

(1)熱態(tài)初始運(yùn)動軌跡的確定(如圖6框1部分所示)。熱態(tài)運(yùn)動初始軌跡是在已有的冷態(tài)運(yùn)動軌跡基礎(chǔ)上的適度縮減,其目的是為了防止渦旋壓縮機(jī)在運(yùn)行過程中發(fā)生熱膨脹等磨損現(xiàn)象。

為了確保壓縮機(jī)動渦盤沿?zé)釕B(tài)初始軌跡運(yùn)行時不會和靜渦盤發(fā)生接觸,需用二維力傳感器來進(jìn)行檢測。

筆者將冷態(tài)運(yùn)動軌跡往內(nèi)回縮一定距離,控制電機(jī)按回縮后軌跡以一定速度順時針運(yùn)動,若力傳感器有數(shù)值變化則需要再縮減一定距離,直至力傳感器無變化,即認(rèn)為動、靜渦盤無接觸,保存運(yùn)動軌跡為熱態(tài)運(yùn)動初始軌跡。

筆者確定其熱態(tài)初始軌跡示意圖如圖7所示;

圖7 確定熱態(tài)初始軌跡示意圖

(2)電流差值閾值的確定(如圖6框2部分所示)。與冷態(tài)運(yùn)動不同,熱態(tài)運(yùn)動軌跡識別的評價指標(biāo)是以當(dāng)前位置電流值和上一位置電流值的進(jìn)行比較,得到的電流差值Δi2作為評價指標(biāo)。其中,電流差值Δi2=|當(dāng)前位置電流ip-上一位置電流iq|。

筆者從初始軌跡上選取4個端點(diǎn),先將X軸正向端點(diǎn)橫坐標(biāo)每次增加一定距離,其余點(diǎn)不變,控制電機(jī)按更改后軌跡,以一定速度順時針運(yùn)動;根據(jù)待測點(diǎn)電流值和二維力傳感器數(shù)值確定動靜渦盤在待測點(diǎn)處剛接觸和未接觸時的電流差值閾值;再將其他3點(diǎn)進(jìn)行上述操作,得到另外3個電流差值閾值,并取其中最大值作為熱態(tài)電流差值閾值I2;

(3)動渦盤運(yùn)動軌跡的修正(如圖6框3部分所示)。

熱態(tài)位置識別示意圖如圖8所示。

圖8 熱態(tài)位置識別示意圖

圖8(a)中,將熱態(tài)初始軌跡按角度平均分為4部分,先選取第一部分中一點(diǎn),逐漸增加其縱坐標(biāo),其余點(diǎn)坐標(biāo)不變,控制電機(jī)按更改后軌跡,以一定速度順時針運(yùn)動,得到圖8(b)所示結(jié)果。

當(dāng)待測點(diǎn)電流差值大于閾值I2，即認(rèn)為動靜渦盤在該點(diǎn)發(fā)生接觸,將其回退一最小步距作為熱態(tài)軌跡上的點(diǎn)。以此往復(fù),直至修正完所有軌跡點(diǎn),從而得到熱態(tài)運(yùn)動的軌跡坐標(biāo)。

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

為了對筆者提出的基于電流信號的渦旋壓縮機(jī)切向主動密封的控制方法進(jìn)行有效性驗(yàn)證,筆者搭建了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺。

因?yàn)闇u旋壓縮機(jī)工作時,其動渦盤繞靜渦盤圓心作半徑為r的圓周運(yùn)動,所以筆者在此處將動靜渦盤簡化為2個半徑大小不同的圓環(huán)。

筆者所采用的實(shí)驗(yàn)平臺示意圖,如圖9所示。

圖9 實(shí)驗(yàn)平臺示意圖

在此實(shí)驗(yàn)平臺中,各設(shè)備的具體型號參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備型號參數(shù)

4.1 冷態(tài)軌跡識別實(shí)驗(yàn)

冷態(tài)軌跡識別實(shí)驗(yàn)的相關(guān)參數(shù)如下:

靜渦盤內(nèi)直徑為56 mm,動渦盤外直徑為50 mm,動渦盤運(yùn)動半徑為3 mm,動渦盤運(yùn)動步距為100脈沖數(shù)即10 μm。

經(jīng)過反復(fù)多次實(shí)驗(yàn),筆者得到電流差值閾值I1為0.04 A,電流差值與接觸力關(guān)系圖如圖10所示。

圖10 電流差值與接觸力關(guān)系圖

取n=60,即可得到冷態(tài)軌跡的識別結(jié)果圖,如圖11所示。

圖11 冷態(tài)軌跡識別結(jié)果圖

為了驗(yàn)證冷態(tài)位置識別效果,筆者將采集到的點(diǎn)坐標(biāo)輸入上位機(jī),控制電機(jī)按順序移動到每個測量點(diǎn)位置,并采用二維力傳感器,檢測運(yùn)動過程中動靜渦盤之間側(cè)面接觸壓力。

冷態(tài)側(cè)面接觸壓力與角度的關(guān)系圖如圖12所示。

圖12 冷態(tài)側(cè)面接觸壓力與角度的關(guān)系圖

由圖12可知,動靜渦盤間側(cè)面接觸壓力小于6 N。

4.2 動態(tài)軌跡識別實(shí)驗(yàn)

做熱態(tài)實(shí)驗(yàn)時,需要渦旋壓縮機(jī)進(jìn)行氣體壓縮。由于熱態(tài)實(shí)驗(yàn)成本高,且其裝備復(fù)雜,為了方便實(shí)驗(yàn),此處筆者采用與冷態(tài)實(shí)驗(yàn)相同的元器件進(jìn)行動態(tài)軌跡識別實(shí)驗(yàn)。

筆者設(shè)定電機(jī)的運(yùn)動頻率為1 Hz,經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)得出電流差值閾值I2為0.1 A,并取n=60,得到的動態(tài)軌跡識別結(jié)果圖如圖13所示。

圖13 動態(tài)軌跡識別結(jié)果圖

為了驗(yàn)證動態(tài)位置識別效果,筆者將軌跡點(diǎn)坐標(biāo)輸入上位機(jī),控制電機(jī)以1 Hz頻率運(yùn)動,并采用二維力傳感器,檢測運(yùn)動過程中動、靜渦盤之間側(cè)面密封接觸壓力。

動態(tài)側(cè)面密封壓力與角度的關(guān)系圖如圖14所示。

圖14 動態(tài)側(cè)面密封壓力與角度的關(guān)系圖

由圖14可知:動、靜渦盤間側(cè)面密封接觸壓力在10 N以內(nèi),通過犧牲少量磨損即可增加側(cè)面密封效果。

5 結(jié)束語

目前,渦旋壓縮機(jī)切向密封方案復(fù)雜、靈活性差、成本高,針對這些問題,在分析了渦旋壓縮機(jī)動態(tài)徑向間隙特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,筆者提出了一種基于電流信號的渦旋壓縮機(jī)切向主動密封的控制方法。最后,為了對基于電流信號的渦旋壓縮機(jī)切向主動密封的控制方法進(jìn)行有效性驗(yàn)證,搭建了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺。

研究結(jié)論如下:

(1)渦旋壓縮機(jī)動靜渦盤的側(cè)面密封接觸力越大,說明嚙合越緊;接觸力可以通過電流差值大小反饋得知,其隨著電流差值的增大而增大;

(2)在壓縮機(jī)冷態(tài)和動態(tài)運(yùn)動時,采用基于電流信號的渦旋壓縮機(jī)切向主動密封控制方法,都能夠較好地識別動渦盤運(yùn)動軌跡位置,提高渦旋壓縮機(jī)的切向密封效果。

上述研究為渦旋壓縮機(jī)提供了一種直驅(qū)式、主動控制的側(cè)面動態(tài)接觸密封方法,具有結(jié)構(gòu)簡潔、寬調(diào)速范圍等優(yōu)點(diǎn)。但是受限于實(shí)驗(yàn)成本等因素,熱態(tài)實(shí)驗(yàn)采用了與冷態(tài)實(shí)驗(yàn)相同的元器件。

因此,在后續(xù)的工作中,筆者將在上述研究的基礎(chǔ)上,進(jìn)行渦旋壓縮機(jī)全負(fù)載熱態(tài)研究和其速度極限特性的研究。