(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
共鳴リニアコンプレッサ（１００）のピストン（１）を制御するための制御システムであって、前記共鳴リニアコンプレッサ（１００）は冷却回路の主要部分であり、且つ、少なくとも１個のシリンダ（２）と、少なくとも１個のヘッド（３）と、少なくとも１個の電気モータと、少なくとも１個のスプリングを備え、前記シリンダ（２）は前記ピストン（１）を動作可能に連結して収容する、前記制御システムにおいて、
前記制御システムは、互いに関連する少なくとも１個の観測電子回路（２０）と少なくとも１個の制御回路（３０）を備える、少なくとも１個の電子制御ユニット（１５）を備えることを特徴とし、
前記電子制御ユニット（１５）は前記共鳴リニアコンプレッサ（１００）の電気モータに電気的に接続され、
前記観測電子回路（２０）は前記共鳴リニアコンプレッサ（１００）の電気モータの少なくとも１個の電気量を測定するように構成されており、
前記観測電子回路（２０）は前記共鳴リニアコンプレッサ（１００）の前記モータの少なくとも１セットの電気パラメータと、前記共鳴リニアコンプレッサ（１００）の少なくとも１セットの機械パラメータを推定するように構成され、
前記観測電子回路（２０）は、前記測定された電気量と推定された電気および機械パラメータセットとから、前記制御回路（３０）のためのシステムの少なくとも１個の制御パラメータ（Ｐｃ）を推定し提供するように構成されており、
前記制御回路（３０）は、前記推定された制御パラメータ（Ｐｃ）から前記共鳴リニアコンプレッサ（１００）の前記電気モータを起動するように構成されており、前記推定された制御パラメータ（Ｐｃ）は前記コンプレッサ（１００）のピストン（１）の少なくとも１個の最大変位（ＤＭＡＸ）を備えることを特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストン制御システム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記推定された制御パラメータ（Ｐｃ）はさらに、前記コンプレッサ（１００）のピストン速度（Ｖｅ（ｔ））を含み、前記制御回路（３０）は前記システムの前記推定された制御パラメータ（Ｐｃ）から前記共鳴リニアコンプレッサ（１００）の前記モータを起動することを特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストン制御システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載のシステムにおいて、前記電気パラメータのセットは、前記共鳴リニアコンプレッサ（１００）の電気数学モデルから計算され、前記共鳴リニアコンプレッサ（１００）の電気数学モデルは、電源に直列な電気回路ＲＬに基づいて定義され、且つ、式
【数１】
0005873075.tif 000019
をそれぞれ示すことを特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストン制御システム。
【請求項４】
請求項１または２に記載のシステムにおいて、前記機械パラメータのセットは、共鳴リニアコンプレッサ（１００）の機械数学モデルから計算され、共鳴リニアコンプレッサ（１００）の機械数学モデルは以下の式
【数２】
0005873075.tif 000020
をそれぞれ示すことを特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストン制御システム。
【請求項５】
請求項１または２に記載のシステムにおいて、前記電気パラメータのセットと前記機械パラメータのセットは、結合された場合、以下の行列式
【数３】
0005873075.tif 000021
に従う、電気機械的パラメータのセットを定義することを特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストン制御システム。
【請求項６】
請求項５に記載のシステムにおいて、前記電気機械的パラメータのセットは、共鳴リニアコンプレッサ（１００）の電気機械的数学モデルから計算され、このリニアコンプレッサ（１００）の前記電気機械的数学モデルは前記行列式に基づいて定義され、前記制御システムには、利得ベクトル（Ｋ）が乗算された観測器の電流誤差（ｉeo）が再度供給され、前記観測器の電流誤差（ｉeo）は測定された電流（ｉm）とモータの計算電流（ｉe（ｔ））との間の差によって計算され、前記測定された電流（ｉｍ）は、前記共鳴リニアコンプレッサ（１００）のモータの動作電流値であり、前記共鳴リニアコンプレッサ（１００）の前記電気機械的数学モデルは、以下の式、
【数４】
0005873075.tif 000022
によって示されることを特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストン制御システム。
【請求項７】
請求項１に記載のシステムにおいて、共鳴リニアコンプレッサ（１００）の前記電気モータは、前記リニアコンプレッサ（１００）の各動作サイクル（ＴR）において計算された共鳴周波数（ＦR）で、制御ユニット（１５）を介して起動されることを特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストン制御システム。
【請求項８】
請求項７に記載のシステムにおいて、前記動作サイクル（ＴR）は測定された電流（ｉm）を介して測定され、且つ前記測定された電流（ｉm）と同じ期間を有するように計算され、前記測定された電流（ｉｍ）は、前記共鳴リニアコンプレッサ（１００）のモータの動作電流値であることを特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストン制御システム。
【請求項９】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記観測電子回路（２０）は、マイクロプロセッサベースの電子回路から構成されることを特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストン制御システム。
【請求項１０】
請求項７に記載のシステムにおいて、前記リニアコンプレッサ（１００）の前記モータの計算電流（ｉe（ｔ））、ピストン変位（ｄe（ｔ））およびピストン速度（Ｖe（ｔ））は、前記共鳴周波数（ＦR）よりも実質的に高い離散化周波数（Ｆd）で計算されることを特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストン制御システム。
【請求項１１】
請求項１、５および１０の何れか１項に記載のシステムにおいて、前記最大変位（ＤMAX）は、１動作サイクル（ＴR）間における前記ピストン変位（ｄe（ｔ））から計算されることを特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストン制御システム。
【請求項１２】
請求項７に記載のシステムにおいて、前記機械パラメータのセットは、各動作サイクル（ＴR）において計算されることを特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストン制御システム。
【請求項１３】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記共鳴リニアコンプレッサ（１００）の起動は、動作電圧（ｕe）に基づいて計算され、この動作電圧（ｕe）は、最大変位（ＤMAX）の計算値およびピストン（１）の変位速度（Ｖe（ｔ））の計算値に基づいて計算され、これらの値は状態制御器を介して基準値と比較されることを特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストン制御システム。
【請求項１４】
請求項６に記載のシステムにおいて、前記電気機械パラメータのセットは前記シリンダ内のガス圧力ＦGｄ（ｔ）を含み、このガス圧力ＦGｄ（ｔ）は、式
【数５】
0005873075.tif 000023
をそれぞれ示すことを特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストン制御システム。
【請求項１５】
請求項１４に記載のシステムにおいて、合計スプリング係数（ＫMLT）は、スプリング定数と第２のスプリング定数の和、
【数６】
0005873075.tif 000024
として定義されることを特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストン制御システム。
【請求項１６】
請求項１５に記載のシステムにおいて、前記合計スプリング係数（ＫMLT）は、式
【数７】
0005873075.tif 000025
を通して計算され、ここで
ＦＲ＝共鳴周波数を示すことを特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストン制御システム。
【請求項１７】
請求項４または１５に記載のシステムにおいて、スプリング力は、式
【数８】
0005873075.tif 000026
を通して計算されることを特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストン制御システム。
【請求項１８】
請求項１４に記載のシステムにおいて、合計減衰係数（ＫAMT）は、減衰係数と第２の減衰定数の和、
【数９】
0005873075.tif 000027
として定義されることを特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストン制御システム。
【請求項１９】
請求項１８に記載のシステムにおいて、前記合計減衰係数（ＫAMT）は、
ｍ）計算された入力電力（Ｐe）が、合計減衰（ＰAMT）によって消費された電力と消費電力（ＰR）との和よりも大きい場合、合計減衰係数（ＫAMT）の値を次の動作サイクル（ＴR）まで増加させ、
ｎ）計算された入力電力（Ｐe）が、合計減衰（ＰAMT）によって消費された電力と消費電力（ＰR）との和よりも小さい場合、合計減衰係数（ＫAMT）の値を次の動作サイクル（ＴR）まで減少させることにより、計算されることを特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストン制御システム。
【請求項２０】
請求項１８に記載のシステムにおいて、前記合計減衰係数（ＫAMT）は、式、
【数１０】
0005873075.tif 000028
を通して計算され、ここで、
ＰE＝実際の入力電力、
ＰR＝モータの抵抗において消費された電力
ＤMAX＝最大ピストン変位、をそれぞれ示すことを特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストン制御システム。
【請求項２１】
請求項４または１８に記載のシステムにおいて、減衰力は、式
【数１１】
0005873075.tif 000029
を通して計算されることを特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストン制御システム。
【請求項２２】
請求項５、６、１７および１８の何れか１項に記載のシステムにおいて、前記システムの動的行列式Ａは、式、
【数１２】
0005873075.tif 000030
を通して計算されることを特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストン制御システム。
【請求項２３】
請求項１５または１８に記載のシステムにおいて、第１の係数行列（Ａ）、第２の係数行列（Ｂ）、第３の係数行列（Ｆ）および利得ベクトル（Ｋ）は、共鳴リニアコンプレッサ（１００）の１動作サイクル（ＴR）において、合計スプリング係数（ＫMLT）および合計減衰係数（ＫAMT）から調整されることを特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストン制御システム。
【請求項２４】
請求項１４に記載のシステムにおいて、等価連続力（ＦCont）は、前記電気モータ上の実際の入力電力（Ｐe）の関数としてさらに動作サイクル（ＴR）の関数として計算されることを特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストン制御システム。
【請求項２５】
共鳴リニアコンプレッサのピストンの制御方法であって、少なくとも１個の電気モータを含み、当該電気モータは周波数インバータによって起動される共鳴リニアコンプレッサ（１００）を制御するために、
ａ）共鳴リニアコンプレッサ（１００）の各動作サイクル（ＴR）において、離散化周波数（Ｆd）で、電気モータの測定電流（ｉm）を測定し、
ｂ）電気モータの測定電流（ｉm）から共鳴リニアコンプレッサ（１００）の動作サイクル（ＴR）を計算し、そして、計算された動作サイクル（ＴR）に基づいて、共鳴リニアコンプレッサ（１００）の共鳴周波数（ＦR）を計算し、
ｃ）共鳴リニアコンプレッサ（１００）の各動作サイクル（ＴR）で、かつ、離散化周波数（Ｆd）で、モータの計算電流（ｉe（ｔ））、ピストン変位（ｄe（ｔ））及びピストン速度（Ｖe（ｔ））を計算し、
ｄ）共鳴リニアコンプレッサ（１００）の各動作サイクル（ＴR）で、且つ、離散化周波数（Ｆd）で、モータの測定電流（ｉm）と計算電流（ｉe（ｔ））間の相違によって計算される観測器の電流誤差（ｉeｏ）を計算し、
ｅ）ステップｃ）で計算されたピストン変位（ｄe（ｔ））に基づいて、共鳴リニアコンプレッサ（１００）のピストン（１）の最大変位（ＤMAX）を計算し、
ｆ）測定電流（ｉｍ）と電気モータのインバータによって印加された動作電圧（ｕc）から、１動作サイクル（ＴR）における電気モータへの実際の入力電力（Ｐe）を計算し、
ｇ）測定電流（ｉm）から、１動作サイクル（ＴR）においてモータの電気抵抗（Ｒ）で消費された電力（ＰR）を計算し、
ｈ）１動作サイクル（ＴR）で生成された合計減衰力（ＦAMT）を、合計減衰係数（ＫAMT）とステップｃ）で計算されたピストン速度（Ｖe（ｔ））から計算し、
ｉ）先行するステップで計算された合計減衰力（ＦAMT）と、ステップｃ）で計算されたピストン速度（Ｖe（ｔ））から、合計減衰（ＰAMT）によって消費された電力を計算し、
ｊ）ステップｆ）において計算された電気モータにおける実際の入力電力（Ｐe）の関数として、および、ステップｂ）で計算された動作サイクル（ＴR）の関数として、等価連続力（ＦCont）を計算し、
ｋ）最大ピストン変位（ＤMAX）およびピストン速度（Ｖe（ｔ））から、および測定電流（ｉm）から、リニアコンプレッサ（１００）の電気モータに印加される動作電圧値（ｕc）を計算し、さらに、
ｌ）ステップｋ）で計算された動作電圧値（ｕc）を共鳴リニアコンプレッサ（１００）の電気モータに印加する、各ステップを備える、共鳴リニアコンプレッサのピストンの制御方法。
【請求項２６】
請求項２５に記載の方法において、ステップｂ）で計算された共鳴周波数（ＲF）から、共鳴リニアコンプレッサ（１００）の合計スプリング係数（ＫMLT）を計算するためのステップを含むことを特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストンの制御方法。
【請求項２７】
請求項２５に記載の方法において、合計スプリング係数（ＫMLT）は、式
【数１３】
0005873075.tif 000031
によって計算され、ここで
ＦＲ＝共鳴周波数
であることを特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストンの制御方法。
【請求項２８】
請求項２５に記載の方法において、共鳴リニアコンプレッサ（１００）の合計減衰係数（ＫAMT）を、実際の入力電力（Ｐe）と消費電力（ＰR）と合計減衰（ＰAMT）によって消費された電力とから計算するステップをさらに含むことを特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストンの制御方法。
【請求項２９】
請求項２５に記載の方法において、
ｍ）計算された入力電力（Ｐe）が、合計減衰（ＰAMT）によって消費された電力と消費電力（ＰR）の合計よりも大きい場合、合計減衰係数（ＫAMT)の値を次の動作サイクル（ＴR）に増加させ、
ｎ）計算された入力電力（Ｐe）が、合計減衰（ＰAMT）によって消費された電力と消費電力（ＰR）の合計よりも小さい場合、合計減衰係数（ＫAMT)の値を次の動作サイクル（ＴR）に減少させる、各ステップをさらに含むことを特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストンの制御方法。
【請求項３０】
請求項２５に記載の方法において、前記合計減衰係数（ＫAMT）は、式、
【数１４】
0005873075.tif 000032
を通して計算されることを特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストンの制御方法。
【請求項３１】
請求項２５乃至３０のいずれか１項に記載の方法において、第１の係数行列（Ａ）、第２の係数行列（Ｂ）、第３の係数行列（Ｆ）および利得ベクトル（Ｋ）は、共鳴リニアコンプレッサ（１００）の１動作サイクル（ＴR）において、合計スプリング係数（ＫMLT）および合計減衰係数（ＫAMT）から調整されることを特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストンの制御方法。
【請求項３２】
請求項２５に記載の方法において、前記共鳴リニアコンプレッサ（１００）の電気数学モデルは、電源に直列な電気回路ＲＬに基づいて定義され、且つ、式
【数１５】
0005873075.tif 000033
をそれぞれ示すことを特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストンの制御方法。
【請求項３３】
請求項２５に記載の方法において、リニアコンプレッサ（１００）の機械数学モデルは式
【数１６】
0005873075.tif 000034
をそれぞれ示すことを特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストンの制御方法。
【請求項３４】
請求項２５に記載の方法において、式、
【数１７】
0005873075.tif 000035
をそれぞれ示すことを特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストンの制御方法。
【請求項３５】
請求項２５に記載の方法において、共鳴リニアコンプレッサ（１００）の電気機械的数学モデルには、利得ベクトル（Ｋ）が乗算された観測器の電流誤差（ｉeo）が再度供給され、前記観測器の電流誤差（ｉeo）は測定電流（ｉm）とモータの計算電流（ｉe（ｔ））との間の差によって計算され、共鳴リニアコンプレッサ（１００）の前記電気機械的数学モデルは、以下の式、
【数１８】
0005873075.tif 000036
によって示されることを特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストンの制御方法。
【請求項３６】
請求項３３乃至３５の何れか１項に記載の方法において、シリンダ内のガス圧力ＦG（ｄ（ｔ））は、式
【数１９】
0005873075.tif 000037
によって計算され、ここで、
ＫMLEq＝第２スプリング定数
ＫAMEq＝第２減衰定数
ＦCont＝等価連続力、
をそれぞれ示すことを特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストンの制御方法。
【請求項３７】
請求項２７に記載の方法において、合計減衰係数（ＫMLT）は、スプリング定数と第２スプリング定数の和として定義され、式
【数２０】
0005873075.tif 000038
によって計算されることを特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストンの制御方法。
【請求項３８】
請求項３３または３７に記載の方法において、スプリング力は、式
【数２１】
0005873075.tif 000039
に従って計算されることを特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストンの制御方法。
【請求項３９】
請求項２５に記載の方法において、合計減衰係数（ＫAMT）は、減衰定数と第２の減衰定数の和として定義され、式
【数２２】
0005873075.tif 000040
に従って計算されることを特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストンの制御方法。
【請求項４０】
請求項３３または３９に記載の方法において、合計減衰力は式
【数２３】
0005873075.tif 000041
に従って計算されることを特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストンの制御方法。
【請求項４１】
請求項３３、３７、３８および３９の何れか１項に記載の方法において、前記システムの動的行列（Ａ）は、式
【数２４】
0005873075.tif 000042
に従って計算されることを特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストンの制御方法。
【請求項４２】
請求項２５または２９に記載の方法において、
ｏ）ステップｅ）で計算されたピストンの最大変位（ＤMAX）をプログラムされた基準変位（ＤREF）と比較することによって、第１基準電流（Ｉ１ref）を調整し、
ｐ）ステップｃ）で計算されたピストン速度（Ｖe（ｔ））を、第１の調整された基準電流（Ｉ１ref）に掛け合わせることによって、第２の基準電流（ｉ２ref）を調整し、
ｑ）第２の基準電流（ｉ２ref）と測定電流（ｉm）間の相違によって、制御電流誤差（ｉce）を調整し、
ｒ）先行するステップにおいて計算された制御電流誤差（ｉce）から電気モータの周波数インバータに印加される動作電圧（ｕc）を調整する、各ステップをさらに含むことを特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストンの制御方法。
【請求項４３】
請求項４２に記載の方法において、第１の基準電流（Ｉ１ref）は、第１の比例および積分状態制御器（ＰI1）または微分比例積分状態制御器の出力において生成されることを特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストンの制御方法。
【請求項４４】
請求項４２に記載の方法において、電気モータのインバータに印加される動作電圧（ｕc）は、第２の比例および積分状態制御器（ＰＩ２）または微分比例積分状態制御器の出力において生成されることを特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストンの制御方法。
【請求項４５】
周波数インバータによって電気的に起動される少なくとも１個の電気モータを含む、共鳴リニアコンプレッサのピストンの制御方法において、
ｉ）マイクロプロセッサベースの電子回路と、共鳴リニアコンプレッサ（１００）の動作サイクル（ＴR）から、離散化周波数で、電気モータの測定電流（ｉm）を測定し、
ｉｉ）測定電流（ｉm）と電気モータのインバータに印加された動作電圧（ｕc）とに基づいて、前記モータの電気パラメータの少なくとも１セットと、リニアコンプレッサ（１００）の機械パラメータの少なくとも１セットとを計算し、
ｉｉｉ）ステップｉ）およびｉｉ）において測定され計算された値に基づいて、共鳴リニアコンプレッサ（１００）の最大変位（ＤMAX）とピストン速度（Ｖe（ｔ））を計算し、
ｉｖ）ステップｉｉｉ）で得られた最大変位（ＤMAX）とピストン速度（Ｖe（ｔ））から、リニアコンプレッサ（１００）の電気モータのインバータに印加されるべき動作電圧（ｕc）の新しい値を調整し、さらに、
ｖ）共鳴リニアコンプレッサ（１００）の電気モータのインバータに、ステップｉｖ）で調整された動作電圧（ｕc）を印加する、各ステップを含むことを特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストンの制御方法。
【請求項４６】
請求項４５に記載の方法において、動作電圧（ｕc）の値は共鳴リニアコンプレッサ（１００）の１動作サイクル（ＴR）において計算され、前記動作サイクル（ＴR）は共鳴周波数（ＲF）において前記共鳴リニアコンプレッサ（１００）の動作を定義することを特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストンの制御方法。
【請求項４７】
請求項４５に記載の方法において、電気パラメータのセットは共鳴リニアコンプレッサ（１００）の電気数学モデルから計算されること特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストンの制御方法。
【請求項４８】
請求項４５に記載の方法において、機械パラメータのセットは共鳴リニアコンプレッサ（１００）の機械数学モデルから計算されること特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストンの制御方法。
【請求項４９】
請求項４５に記載の方法において、共鳴リニアコンプレッサ（１００）の数学的電気機械モデルは電気および機械パラメータセットに基づいて定義されること特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストンの制御方法。
【請求項５０】
請求項４５に記載の方法において、共鳴リニアコンプレッサ（１００）の数学的電気モデルは、電源に直列な電気回路ＲＬに基づいて定義され、式
【数２５】
0005873075.tif 000043
をそれぞれ示すことを特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストンの制御方法。
【請求項５１】
請求項４５に記載の方法において、リニアコンプレッサ（１００）の前記機械数学モデルは、質量／スプリング機械システムに基づいて定義され、当該システムは、式
【数２６】
0005873075.tif 000044
をそれぞれ示すことを特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストンの制御方法。
【請求項５２】
請求項４９に記載の方法において、リニアコンプレッサ（１００）の電気機械的数学モデルは、電気機械システムに基づいて定義され、当該システムは、行列式
【数２７】
0005873075.tif 000045
をそれぞれ示すことを特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストンの制御方法。
【請求項５３】
請求項４９に記載の方法において、リニアコンプレッサ（１００）の電気機械的数学モデルには、利得ベクトル（Ｋ）を乗算した観測器の電流誤差（ｉeo）が再び供給され、当該観測器の電流誤差（ｉeo）は測定電流（ｉｍ）と計算モータ電流（ｉｅ（ｔ））との間の差によって計算され、共鳴リニアコンプレッサ（１００）の電気機械的数学モデルは、式
【数２８】
0005873075.tif 000046
を、それぞれ示すことを特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストンの制御方法。
【請求項５４】
請求項５１乃至５３の何れか１項に記載の方法において、前記シリンダ内のガス−圧力ＦG（ｄ（ｔ））は、式
【数２９】
0005873075.tif 000047
によって計算されることを特徴とする、共鳴リニアコンプレッサのピストンの制御方法。
【請求項５５】
請求項２５乃至５３の何れか１項または請求項４５乃至５４の何れか１項に記載の方法において定義されるピストンの制御方法を含む、共鳴リニアコンプレッサ（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に最大効率で動作するように設計された、共鳴リニアコンプレッサのピストンのための制御システムに関し、このようなシステムでは、機械的数量即ち変数を測定するセンサを用いることなく、コンプレッサを起動することが可能である。
本発明はさらに、共鳴リニアコンプレッサのピストンの制御方法に関し、その制御ステップは、コンプレッサモータを効率的に制御するために、このピストンの速度および変位の推定を可能とする。
さらに本発明は、特許請求の範囲において提案するように、制御システムを備えた共鳴リニアコンプレッサに関する。
【背景技術】
【０００２】
オルタネートピストンコンプレッサは、低圧側、即ち吸引または蒸発圧力側のガスが吸引バルブを通してシリンダ内に入るように、シリンダ内のガスをピストンの軸方向の動きを通して圧縮することによって、圧力を生成する。このガスは次にピストンの動きによってシリンダ内で圧縮され、圧縮された後、排出バルブを通ってそのシリンダから出て、高圧側、即ち排出圧力または圧縮側に向う。
【０００３】
特に共鳴リニアコンプレッサにおいて、ピストンはリニアアクチュエータによって起動され、このリニアアクチュエータは、支持体および１個またはそれ以上のコイルによって起動されうる磁石によって形成される。リニアコンプレッサはさらに１個またはそれ以上のスプリングを備えており、このスプリングは可動部（ピストン、支持磁石）を固定部に接続する。固定部はシリンダ、ステータ、コイルヘッドおよびフレームによって形成される。可動部とスプリングはコンプレッサの共鳴アッセンブリを形成する。
【０００４】
リニアモータによって駆動されるこのような共鳴アッセンブリは線形の交互運動を展開する機能を備え、これにより、ガスが排出バルブを介して高圧側に排出される限りにおいて、シリンダ内のピストンの動きが排出バルブを介して運ばれたガスに圧縮行動を発揮するようにしている。
【０００５】
リニアコンプレッサの動作振幅は、モータによって生成された電力と、このプロセスにおいて生成された損失に加えて圧縮機構によって消費される電力とのバランスによって、調節される。最大の熱力学的効率と最大の冷却能力を達成するために、ピストンの最大変位は、ストロークの終端に可能な限り接近するべきであり、それによって圧縮プロセスにおけるガスの死容積（デッドボリューム）を削減する。
【０００６】
このプロセスを実現するために、ピストンのストロークを非常に高い精度で知って、機器ヘッド上のストロークの終端におけるピストン衝撃のリスクを防止することが必要である。この衝撃は、音響ノイズ、装置の効率損失あるいはコンプレッサの破損を生成することがある。
【０００７】
このように、ピストン力の推定／測定における誤差が大きくなれば成る程、コンプレッサを安全に動作させるために最大変位とストロークエンド間に必要とされる安全係数が大きくなり、その結果、製品の性能損失を招く。
【０００８】
一方、冷却システムの使用の必要性が小さいためにコンプレッサの冷却能力を削減する必要性があれば、最大のピストン動作ストロークを減少させてコンプレッサによって供給されるパワーを削減することが可能であり、かつ、コンプレッサの冷却容量を制御することが可能で、それにより変動容量を獲得する。
【０００９】
共鳴リニアコンプレッサを動作させるに当たっての重要な更なる特徴は、その起動周波数である。２、３の従来技術が、コンプレッサをその共鳴周波数で起動することで、最大の効率で機器を動作させることができることを示している。
【００１０】
しかしながら、このような技術は通常、システムを動作させるためにピストンおよび／または速度センサを使用しており、その結果、製品の最終的なコストをかなり増加させる。
【００１１】
以降、コンプレッサ−ピストンストロークを知るために現在使用されている、従来技術による解決方法を簡単に説明する。以下に引用されている文献、例えばブラジルケースＰＩ０００１４０４−４では、位置センサを使用している。この文献はさらに、遮蔽の困難さと電気接触ノイズと言う不利益を有している。
【００１２】
文献ＰＩ０２０３７２４−６は、液体ポンプおよび液体移動プレートに関係している。このような要素は、個々のピストンの位置を検出し、コンプレッサの動作状態における変動或いは供給電圧における変動によって、ピストンが液体移動プレート又はバルブプレートによって冷却されることを防止するために、リニアコンプレッサに特に適用される。このような技術は、ピストンのトップにおけるピストン／プレート距離を直接測定するために、バルブプレート上にマウントされた誘導センサを使用する。これは、高精度の解決方法であるが、しかし、バルブプレート上にセンサを設置する空間を必要とし、且つ、較正を必要とするのに加えてさらに高価である。
【００１３】
文献ＵＳ５，８９７，２９６、ＪＰ１３３６６６１およびＵＳ５，８９７，２６９に記載されているもの等の、その他の従来技術による解決方法では、位置センサを使用している。従って、このような応用では、さらに高いコストに加えて、実施および／または保守におけるより大きな困難性を有する。これらの場合には、多数のワイヤおよびコンプレッサへの外部接続が必要となり、温度および気圧が大きく変化する環境下での使用を困難にしていることが指摘される。
【００１４】
一方、文献ＫＲ９６−７９１２５、ＫＲ９６−１５０６２、ＷＯ０００７９６７１およびＷＯ０３０４４３６５に加えて文献ＵＳ５，３４２，１７６、ＵＳ５，４９６，１５３、ＵＳ４，６４２，５４７およびＵＳ６，１７６，６８３のような、位置センサを使用しない幾つかの従来技術では、優れた正確性または動作安定性を示さない。この理由によって、正しく機能させるための性能要求を考慮してコンプレッサのためのより高価なサイズに加えて、例えば衝撃を検出するための温度計または加速度計のような他のタイプのセンサを使用することが必要である。
【００１５】
上記事項に基づいて、本発明は、機械的数量または変量を測定するセンサを使用することなく、コンプレッサをその最大の効率で起動するように特に設計された、共鳴リニアコンプレッサを制御するためのシステムおよび方法を、予見する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明の第１の目的は、冷却システムにおいて機器の最大効率を得るためにコンプレッサを共鳴周波数で起動することが可能な、共鳴リニアコンプレッサのピストンを制御するための制御システムを提供することである。
【００１７】
本発明の第２の目的は、共鳴リニアコンプレッサのピストンの変位と速度を、コンプレッサモータの質量／スプリングモデルと電気モデルから、このモータ上で測定された電気数量のみを用いて推定することが可能な方法を提供することである。
【００１８】
本発明の第３の目的は、通常機械的数量または変量を測定するための、例えば位置、速度、温度および圧力センサのようなセンサを取り除き、さらに、共鳴リニアコンプレッサを機能させるために必要なワイヤ数および接続数におけるその後の削減によって、コンプレッサのコストを削減することである。
【００１９】
本発明の更なる目的は、製品の信頼性および安全性を減じることなくコンプレッサの最大効率を得ることに加えて、機器の機能を最適化するために、ピストンの最大変位とストロークエンドとの間の安全性係数を減少させた共鳴リニアコンプレッサの起動を提供することである。
【００２０】
最後に、本発明の他の目的は、大量生産のための従来技術に関して、実質的に簡単な解決方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明の目的を達成する一つの方法は、共鳴リニアコンプレッサのピストンを制御するための制御システムを提供することである。この共鳴リニアコンプレッサは冷却回路の不可欠部分であり、少なくとも１個のシリンダと、少なくとも１個のコンプレッサヘッドと、少なくとも１個の電気モータと少なくとも１個のスプリングを備え、このシリンダはピストンを連結的に収納し、制御システムは、少なくとも１個の電子制御ユニットを備え、この電子制御ユニットは互いに電気的に関連した少なくとも１個の観察用電子回路と少なくとも１個の制御回路を備え、この電子制御ユニットは共鳴リニアコンプレッサの電気モータに電気的に関連しており、観察用電子回路は共鳴リニアコンプレッサの電気モータの少なくとも１個の電気量を測定するように構成されており、観察用電子回路は共鳴リニアコンプレッサの少なくとも１セットの電気的パラメータと共鳴リニアコンプレッサの少なくとも１セットの機械的パラメータを推定するように構成されており、観察用電子回路は、測定電気量および推定電気および機械パラメータセットから、制御回路のシステムの少なくとも１個の制御パラメータを推定し提供するように構成されており、制御回路は推定制御パラメータから共鳴リニアコンプレッサの電気モータを起動するように構成されており、推定制御パラメータはコンプレッサピストンの少なくとも１個の最大変位を含み、制御回路は推定制御パラメータから共鳴リニアコンプレッサのモータを起動する。
【００２２】
本発明の目的を達成する第２の方法は、共鳴リニアコンプレッサのピストンを制御するための制御方法を提供することである。この共鳴リニアコンプレッサは少なくとも１個の電気モータを備え、この電気モータは周波数インバータによって起動され、この制御は以下のステップを備える。
ａ）共鳴リニアコンプレッサの各動作サイクルにおいて、離散化周波数で、電気モータの測定電流を測定し、
ｂ）電気モータの測定電流から共鳴リニアコンプレッサの動作サイクルを計算し、そして、計算された動作サイクルに基づいて、共鳴リニアコンプレッサの共鳴周波数を計算し、
ｃ）共鳴リニアコンプレッサの各動作サイクルで、離散化周波数で、モータの計算電流、ピストン変位及びピストン速度を計算し、
ｄ）共鳴リニアコンプレッサの各動作サイクルで、離散化周波数で、モータの測定電流と計算電流間の相違によって計算される電流誤差を計算し、
ｅ）ステップｃで計算されたピストン変位に基づいて、共鳴リニアコンプレッサの１動作サイクルにおける最大ピストン変位を計算し、
ｆ）測定電流と電気モータのインバータによって印加された動作電圧から、１動作サイクル中の電気モータの実際の入力電力を計算し、
ｇ）測定電流から、１動作サイクル中のモータの電気抵抗において消費された電力を計算し、
ｈ）ステップｃで計算されたピストン速度から合計減衰力を計算し、
ｉ）先行するステップに計算された合計減衰力から、および、ステップｃ）で計算されたピストン速度から、合計減衰によって消費された電力を計算し、
ｊ）ステップｆ）において計算された電気モータにおける実際の入力電力の関数として、および、ステップｂ）で計算された動作サイクルの関数として、等価連続力を計算し、
ｋ）最大ピストン変位および速度からおよび測定電流から、リニアコンプレッサの電気モータ上に印加されるべき動作−電圧値を計算し、さらに、
ｌ）ステップｋ）で計算された動作−電圧値を共鳴リニアコンプレッサ電気モータに印加する、各ステップ。
【００２３】
上述の方法はさらに、ステップｂ）で計算された共鳴周波数と、パワーバランスから計算された共鳴リニアコンプレッサの合計減衰係数から、共鳴リニアコンプレッサの合計スプリング係数を計算するステップを備えることに言及する必要がある。
【００２４】
他の実施形態において、本発明の目的は、共鳴リニアコンプレッサのピストンを制御するための制御方法を提供することによって達成される。この共鳴リニアコンプレッサは、少なくとも１個の電気モータを含み、この電気モータは周波数インバータによって電気的に起動されるものであり、さらに、この制御方法は以下のステップを備える。
ｉ）マイクロプロセッサベースの電子回路からかつ共鳴リニアコンプレッサの１動作サイクルにおいて、電気モータの測定電流を測定し、
ｉｉ）測定電流と電気モータのインバータに印加された動作電圧とに基づいて、モータの少なくとも１セットの電気パラメータとリニアコンプレッサの少なくとも１セットの機械的パラメータとを計算し、
ｉｉｉ）ステップｉ）およびｉｉ）において測定され計算された値に基づいて、共鳴リニアコンプレッサのピストンの最大変位と速度を計算し、
ｉｖ）ステップｉｉｉ）で獲得されたピストンの最大変位と速度から、リニアコンプレッサの電気モータのインバータに印加すべき動作電圧に対する新しい値を調整し、さらに、
ｖ）共鳴リニアコンプレッサの電気モータのインバータにステップｉｖ）で調整された動作電圧を印加する、各ステップ。
【００２５】
最後に、本発明の目的は、特許請求の範囲において定義するピストン−制御方法を備えた共鳴リニアコンプレッサを提供することによって達成される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】共鳴リニアコンプレッサの概略図を示す図。
【図２】本発明に使用される共鳴リニアコンプレッサの機械モデルの概略図。
【図３】本発明の共鳴リニアコンプレッサの電気モデルの概略図。
【図４】共鳴リニアコンプレッサのモデルのブロック図。
【図５】本発明の共鳴リニアコンプレッサの状態観測器のモデルのブロック図。
【図６】本発明に係る制御を簡略化したブロック図。
【図７】本発明の制御およびインバータのブロック図。
【図８】本発明の好ましい実施形態に係る、電流および速度の値を使用したピストン制御システムのブロック図。
【図９】本発明の第２の実施形態における、電圧および周波数の値を使用するピストン制御システムのブロック図。
【図１０】本発明で予見されるステップに従った制御方法のフローチャート。
【図１１】本発明のリニアコンプレッサにおいて測定された電流のプロファイルを、他の数量から切り離したグラフ。
【図１２】ガス圧力のグラフ。
【図１３】等価スプリング力、等価減衰力および等価連続力（オフセット）のグラフ。
【図１４】本発明に係る合成力（３個の等価力の合計）のグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図１は、本発明において使用される共鳴リニアコンプレッサ１００の概略図を示す。このような一つの機器において、ピストンは、支持体４と、１個またはそれ以上のコイル６によって起動される磁石５とによって形成される、リニアアクチュエータによって起動される。この図は、さらに、１個またはそれ以上のスプリング７ａおよび７ｂが可動部分（ピストン１、支持体４および磁石５）を、シリンダ２、ステータ１２、コイル６、ヘッド３およびフレーム１３によって形成される固定部分に接続することを示している。この可動部分とスプリングは本コンプレッサ１００の共鳴アッセンブリを形成する。
【００２８】
このように、リニアモータによって起動された共鳴アッセンブリは、直線的な（リニア）交互運動を展開する機能を備え、シリンダ内のピストンの運動によってガス圧縮力を生じさせる。このガス圧縮力は、吸引バルブ３ａを介して導入されたガスを、それが排出バルブ３ｂを介して高圧側に排出されるようになるまで、圧縮する。
【００２９】
リニアコンプレッサ１００の動作振幅は、このプロセスによって生成される損失に加えて、モータによって生成されるパワーと圧縮機構によって消費されるパワーのバランスによって調整される。最大の熱力学的効率と最大の冷却能力を達成するためには、ピストンの変位がそのエンドストロークに可能な限り接近して、圧縮プロセスにおけるガスのデッドボリュームを減少させねばならない。
【００３０】
このプロセスを可能とするために、ピストンのストロークを正確に知って、エンドストローク（ヘッド）におけるピストンの衝撃のリスクを避けることが必要である。何故なら、この衝撃は音響ノイズと効率損失を生じ、さらにはコンプレッサを破壊することがあるために。このように、ピストン位置の推定／測定誤差が大きくなれば成る程、コンプレッサを安全に動作させるために最大変位とエンドストローク間に必要とされる安全係数が大きくなり、これは最終機器の性能損失に繋がる。
【００３１】
上述の問題に対して、本発明は、コンプレッサの多くの機能パラメータから簡易化されかつ効率的な方法でピストンの速度と変位を正確に推定することが可能な、リニアコンプレッサのピストンを制御するためのシステムおよび方法を提供する。このようなコンプレッサは冷却回路の不可欠な部分であり、既に述べたように、このコンプレッサは、シリンダ２がピストン１を連結的（動作可能）に収容するように、少なくとも１個のスプリング７ａ／７ｂに加えて、少なくとも１個のシリンダ２と、少なくとも１個のヘッド３と、少なくとも１個の電気モータとを備えている。
【００３２】
本発明に従って現在提案されている制御システムは、少なくとも１個の電子制御ユニット１５を備え、このユニットは互いに関連する少なくとも１個の観測電子回路２０と少なくとも１個の制御回路３０によって形成されている。電子制御ユニット１５は、共鳴リニアコンプレッサ１００の電気モータに電気的に結合されている。
【００３３】
図６は、本発明の制御システムのための簡略化されたブロック図を示す。
【００３４】
一般に、観測電子回路２０は共鳴リニアコンプレッサ１００の電気モータの少なくとも１個の電気量を測定するように構成されているが、この観測回路２０は共鳴リニアコンプレッサ１００の少なくとも１セットの電気パラメータと共鳴リニアコンプレッサ１００の少なくとも１セットの機械パラメータを推定するように構成されている。
【００３５】
観測電子回路２０は、マイクロプロセッサベースの電子回路またはそれの等価物から構成され実現されることが好ましい。
【００３６】
図６から図１０は、電気的および機械的パラメータを推定するためのブロック図を示す。言い換えると、観測電子回路２０は、測定した電気量および電気的および機械的パラメータセットから、制御回路３０のために、少なくとも１個のシステムの制御パラメータＰｃを推定しかつ提供するように構成されている。
【００３７】
制御回路３０は次に、推定された制御パラメータＰｃから、共鳴リニアコンプレッサ１００の電気モータを起動するように構成されている。このような推定制御パラメータＰｃは、コンプレッサ１００のピストン１の少なくとも１個の最大変位Ｄｍａｘを含んでいる。
【００３８】
制御パラメータＰｃはさらにコンプレッサ１００のピストン速度Ｖｅ（ｔ）を含んでいることが好ましく、それによって、ピストン速度Ｖｅ（ｔ）と推定最大変位Ｄｍａｘから制御回路３０が共鳴リニアコンプレッサ１００のモータを起動させる。
【００３９】
さらに好ましくは、測定電気量は、動作電流値ｉm1または共鳴リニアコンプレッサ１００の単純に測定された電流ｉmから構成されている。
【００４０】
本制御システムの非常に革新的な特徴は、リニアコンプレッサ１００の電気的および機械的モデルから形成された、提案した数学的モデリングプロセスを参照する。
【００４１】
図２は、リニアコンプレッサ１００の機械的モデルを示し、一方、図３は同じ機器の電気的モデルを示す。
【００４２】
より詳細には、電気パラメータセットは共鳴リニアコンプレッサ１００の電気数学モデルから計算され、このようなモデルは、以下の方程式に従って、電源に直列なＲＬ電気素子に基づいて定義される。
【数１】
0005873075.tif 000002
【００４３】
コンプレッサの機械モデルに関して、このモデルが以下の方程式に従って質量／スプリング機械システムに基づいて定義できるように、セットオフ機械パラメータを共鳴リニアコンプレッサ１００の機械数学モデルから計算する。
【数２】
0005873075.tif 000003
【００４４】
より包括的な方法においてかつ本発明に従って、電気パラメータセットと機械パラメータセットが、それらが組み合わされた場合、電気機械的パラメータセットを定義することが可能である。この電気機械パラメータは、以下の方程式に従った行列式を有する。
【数３】
0005873075.tif 000004
【００４５】
本発明において提案された行列式に基づいて、さらに図４のブロック図に示すように、システムの出力はコンプレッサ１００のモータの電流のみである。何故なら、展開されたモデル化は、電気量の測定のみを考慮に入れているので。
【００４６】
上述の行列式のガス圧力ＦG（ｄ（ｔ））は、図１２に示すように、システムの他のリニアおよびノンリニア量の中で、ピストン１の変位と同様、吸気圧と排気圧と共に変化すること、即ち、本発明の目的において提案されているモデル化においてその適用を正当化する事実；さもなければ、重大な誤差によって、リニアコンプレッサ１００を制御するに当たって望ましくない影響が生成される、ことを指摘しておく必要がある。
【００４７】
従って、ガス圧力は機器内に少なくとも３つの重要な影響をもたらすので、本発明では、システム中に生成されたこの影響をガス圧力によって補償（相殺）している。これら３つの影響とは、
１）共鳴周波数における変化、
２）ガスに伝搬されるエネルギー消費、および
３）ピストンの１振動の中間点の変位（変位におけるオフセット（ずれ））、である。
【００４８】
上述の影響を克服するために、本発明は、ガス圧力ＦG（ｄ（ｔ））を、この圧力の影響を相殺する別の３つの線形力、即ち、図１３および１４に示すように、等価スプリング力、等価減衰力および等価連続力、によって置き換える。
【００４９】
次の方程式はガス圧力とその各減衰力の計算を示している。
【数４】
0005873075.tif 000005
【００５０】
等価スプリング力は共鳴周波数における変化の影響を相殺するように調整され、他方、等価減衰力は電力消費を相殺するように調整される。一方、等価連続力はピストン振動の中間点の変位を補償するように調整される。
【００５１】
スプリング力を加えることは、前記力の線形的な性質に、力学方程式における第２のスプリング定数ＫMLEqを追加することと等価である、ことを指摘しておくべきである。同じ原理が力学方程式の第２の減衰定数ＫAMEqに対しても適用される。本発明によれば、ガス圧力は連続力ＦConstによって置き換えられる。
【００５２】
従って、本提案のシステムは、このモデルにおいて、マトリックスＡがＫMLEqｅＫAMEqの関数として変化し、かつ、入力ｇ（ｔ）が連続するように、以下の方程式
【数５】
0005873075.tif 000006
【００５３】
後者の表現において重要なのは、ＫMLｅＫMLEqの個々の値またはそれぞれの定数部分ではなく、むしろＫML＋ＫMLEqの合計値であることを指摘しておくべきである。このことは、この合計を、合計スプリング係数ＫMLTと呼ばれる単一の係数によって置き換えることが可能であることを意味している。
【数６】
0005873075.tif 000007
【００５４】
このような合計スプリング係数ＫMLTは、以下の方程式７に示すように、システムの共鳴周波数ＦRに従って、リニアモータのそれぞれのサイクルに対して調整される。共鳴周波数は、モータの実際の、即ち測定電流ｉｍのその期間の読み出しによって、各サイクルに対して調整される。図１は、このタイプの応用に特徴的なモータの測定電流ｉmのプロファイルと共鳴周波数期間を示している。
【数７】
0005873075.tif 000008
【００５５】
ここで、
ＦR−共鳴周波数
ＴR−共鳴周波数期間、である。
【００５６】
同様に、減衰定数の合計値（ＫAM＋ＫAMEq）を知ることが重要である。従って、これを、ここでは合計減衰係数ＫAMTと呼ばれる単一の係数によって置換することが可能となる。この合計減衰係数ＫAMTはリニアモータのぞれぞれのサイクルに対して調整される。
【数８】
0005873075.tif 000009
【００５７】
本発明の重要な構成は、システムの電力バランスの調整に関係する。このような調整は、システムの入口で測定された電力が、観測回路２０の合計減衰力によって消費される電力に観測回路２０のいわゆる抵抗における損失を加算したものよりも大きい場合、このような調整が展開される。従って、この場合、合計減衰係数ＫAMTを増加させることが必要となる。さもなければ、合計減衰係数ＫAMTを減少させなければならない。
【００５８】
以下の方程式は、本発明の制御システムの電力に関係する主な量の計算を示している。
【数９】
0005873075.tif 000010
【００５９】
ここで、
ａ−共鳴周波数期間におけるサンプル数
Ｐe−モータの入口で測定された電力
ＰR−推定器によって計算された、抵抗における電力
ＦAM−推定器によって計算された、合計減衰によって生成される力
ＰAM−推定器によって計算された、合計減衰によって消費される電力
ＴR−共鳴周波数期間または１起動サイクル期間
Δｔ−サンプル期間、即ち２個の連続するサンプル間の期間、である。
【００６０】
図７は、本発明に基づく、ピストン１に対する制御システムの主な機能ブロックの詳細を示す。
【００６１】
図８は、特許請求の範囲に記載した制御システムの、好ましい実施形態のブロック図を示す。
【００６２】
上述した電子パラメータセットに基づくこのようなシステムには、さらに、利得ベクトルＫを掛け合わせた観測器２０の電流誤差ｉeoが供給され、この電流誤差ｉeoはモータｉe（ｔ）の測定電流ｉmと計算電流との間の差として計算される。
【００６３】
数学的に、共鳴リニアコンプレッサ１００のステート観測器の電気機械モデルは、以下の行列式として表される。
【数１０】
0005873075.tif 000011
【００６４】
さらに、共鳴リニアコンプレッサ１００の電気モータは、制御ユニット１５を通して、リニアコンプレッサ１００の各動作サイクルＴRにおいて計算された共鳴周波数ＦRで起動されることを、指摘しておく必要がある。この動作サイクルＴRは、測定電流ｉmを通して計算され、かつ、測定電流ｉmの期間を有するように計算される。本発明のシステムに対して既に述べたように、図１１は測定電流ｉmのプロファイルを示し、電流ｉmがゼロを通過する時点を観測することによってその動作期間を得ることが可能である。
【００６５】
コンプレッサ１００を共鳴周波数ＦＲで動作させることによって、最終的な機器の信頼性および安全性を損なうことなく、システム全体の最大効率を達成することが可能となることを指摘しておくべきである。
【００６６】
リニアコンプレッサ１００のモータの計算電流ｉe（ｔ）、ピストンの変位ｄe（ｔ）およびピストンの速度ｖｅ（ｔ）は、離散化周波数Ｆdにおいて計算するのが最も好ましい。この離散化周波数Ｆdは共鳴周波数ＦRよりもかなり高く、このような離散化周波数Ｆdは共鳴周波数ＦRの１０倍以上で動作可能である。
【００６７】
最大変位ＤMAXは、１動作サイクルＴRの間のピストン変位ｄe（ｔ）から計算される。同様に、機械パラメータセットは各動作サイクルＴRにおいて計算される。
【００６８】
図８において、共鳴リニアコンプレッサ１００の起動は動作電圧Ｕcに基づいて提供されることが理解される。この電圧Ｕcは、最大変位ＤMAXの計算値とピストン変位速度ｖe（ｔ）に基づいて計算される。このような状態値は、ＰＩＤ（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ，ｉｎｔｅｇｒａｌおよびｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）のＰＩ（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌおよびｉｎｔｅｇｒａｌ）のような状態制御器を通して、基準値と比較される。
【００６９】
上述したように、本発明は、共鳴リニアコンプレッサ１００のピストンの制御のための新規な方法を提供する。このような方法は、電気モータを備えるコンプレッサを予見し、この電気モータは周波数インバータによって起動される。
【００７０】
上記方法は、主に、以下のステップを備えている。
ａ）離散化周波数Ｆd、電気モータの測定電流ｉmで、共鳴リニアコンプレッサ１００の各動作サイクルＴRを測定し、
ｂ）電気モータの測定電流値ｉmから共鳴リニアコンプレッサ１００の動作サイクルＴRを計算し、計算された動作サイクルＴRに基づいて共鳴リニアコンプレッサ１００の共鳴周波数ＲFを計算し、
ｃ）離散化周波数Ｆd、モータの計算電流ｉe（ｔ）、ピストン変位ｄe（ｔ）およびピストン速度ｖe（ｔ）における、共鳴リニアコンプレッサ１００の各動作サイクルＴRを計算し、
ｄ）離散化周波数ＲF、モータの測定電流ｉmと計算電流ｉe（ｔ）間の相違によって計算される電流誤差ｉeoで、共鳴リニアコンプレッサ１００の各動作サイクルＴRを計算し、
ｅ）ステップｃ）で計算されたピストン変位ｄe（ｔ）に基づいて、共鳴リニアコンプレッサ１００のピストンの最大変位ＤMAXを計算し、
ｆ）測定電流ｉmと電気モータのインバータによって印加された動作電圧Ｕcとから電気モータ上の実際のＰeの入力電力を動作サイクルＴＲにおいて計算し、
ｇ）測定電流ｉmからモータの電気抵抗Ｒとして消費電力ＰRを、動作サイクルＴRにおいて計算し、
ｈ）合計減衰係数ＫAMTとステップｃ）で計算されたピストン速度Ｖe（ｔ）とから、動作サイクルＴRにおいて生成された合計減衰力ＦAMTを計算し、
ｉ）先行するステップにおいて計算された合計減衰力ＦAMTとステップｃ）において計算されたピストン速度Ｖe（ｔ）とから、合計減衰ＰAMTによって消費された電力を計算し、
ｊ）ステップｆ）で計算された電気モータの実際の入力電力Ｐｅの関数として、かつステップｂ）で計算された動作サイクルＴRの関数として、等価連続力ＦContを計算し、
ｋ）最大変位ＤMAXからおよびピストン速度Ｖe（ｔ）と測定電流ｉmとから、リニアコンプレッサ１００の電気モータに印加されるべき動作電圧値ｕcを計算し、さらに
ｉ）ステップｋで計算された動作電ｕCを、共鳴リニアコンプレッサ１００の電気モータに印加する、各ステップ。
【００７１】
本発明はさらに、ステップｂ）で計算された共鳴周波数ＲFから、共鳴リニアコンプレッサ１００の合計スプリング係数ＫMLTを計算するためのステップを有する。
【００７２】
さらに、現在提案されている方法は、実際の電力Ｐe、消費電力ＰRおよび合計減衰ＰAMTによって消費される電力から、共鳴リニアコンプレッサ１００の合計減衰係数ＫAMTを計算するステップを予見する。
【００７３】
合計減衰係数ＫAMTの修正に関して、サイクルごとに、以下のステップによって調整される。
ｍ）計算された実際の入力電力Ｐeが、合計減衰ＰAMTによって消費された電力と消費電力ＰＲとの合計よりも大きい場合、合計減衰係数ＫAMTの値を次の動作サイクルＴRに増加させ、さらに
ｎ）計算された実際の入力電力Ｐeが、合計減衰ＰAMTによって消費された電力と消費電力ＰＲとの合計よりも小さい場合、合計減衰係数ＫAMTの値を次の動作サイクルＴRに減少させる。
【００７４】
さもなければ、減衰係数ＫAMTは、次の方程式に従って計算される。
【数１１】
0005873075.tif 000012
【００７５】
合計スプリング係数ＫAMTは、次の方程式に基づいて計算される。
【数１２】
0005873075.tif 000013
【００７６】
ここで、ＦＲ＝共鳴周波数である。
【００７７】
合計スプリング係数ＫMLTと合計減衰係数ＫAMTとから、吸引および排出圧力における変化を補償するように、観測器モデルを計算し調整することができる（適応システムの獲得）。連続モデルに対して、この調整は利得ベクトルＫの設計上のダイナミック行列Ａにのみ影響する。実際、離散（離散化）システムに対して、離散化のプロセスと、合計スプリング係数ＫMLTと合計減衰係数ＫAMTにおける差異はさらに、行列ＢおよびＦにおける差異をもたらす。
【００７８】
従って、合計スプリング係数ＫMLTと合計減衰係数ＫAMTとから、利得ベクトルＫを設計するために、行列Ａ，ＢおよびＦのセットを計算することができる。言い換えると、共鳴リニアコンプレッサ１００の１動作サイクルＴRにおいて、第１の係数行列Ａ、第２の係数行列Ｂ、第３の係数行列Ｆおよび利得ベクトルＫは、合計スプリング係数ＫMLTと合計減衰係数ＫAMTとから計算される。この場合、本システムは同様に、コンプレッサ１００の各動作サイクルに対して調整された、適応型システムと呼ばれる、可変係数モデルを生成する。
【００７９】
本出願の特許請求の範囲に記載された方法は、現在提案する制御システムに対して既に述べたように、リニアコンプレッサ１００の数学的モデルをもたらす。
【００８０】
本方法は先ず、ピストン１の制御システムに対して既に詳細に述べたように方程式１を通して示される、電圧源に対して直列な電気回路ＲＬに基づいて定義された、コンプレッサ１００の電気的数学モデルの使用を予見する。理解しやすいように、次に、方程式１を再度記載する。
【数１３】
0005873075.tif 000014
【００８１】
上述の方程式で言及するパラメータと値は、本発明の制御システムに対して以前に示したものと同じである。
【００８２】
同様に、本発明に係るピストンの制御方法は、リニアコンプレッサ１００の機械数学モデルを考慮に入れており、これは、既に示した以下の方程式２に従った質量／スプリング機械システムに基づいて定義される。
【数１４】
0005873075.tif 000015
【００８３】
上述の方程式の機械パラメータは、本発明のピストン１制御システムに対して定義されたものである。既に説明したように、シリンダにおけるガス圧力ＦＧ（ｄ（ｔ））は、方程式４によって計算される。理解を容易にするために、この方程式４を以下に再度記載する。
【数１５】
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【００８４】
その他の実施形態において、提案した制御方法は、リニアコンプレッサ１００の電気数学モデルを備えており、このモデルは、制御システムに対して提案したように、以前に定義した方程式３からの同様の行列式において、式化されている。
【数１６】
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【００８５】
従って、上述の方程式のパラメータは、本発明の制御システムのモデル化に対して既に定義されたものである。
【００８６】
予見された方法において、リニアコンプレッサ１０の電気数学モデルには、このシステムに対して展開されたものと同様に、再び、利得ベクトルＫを乗じた観測器の電流誤差ｉeoが供給される。この観測器の電流誤差ｉeoは、測定電流ｉmとモータの計算電流ｉe（ｔ）との相違によって計算され、共鳴リニアコンプレッサ１００の電子数学モデルは方程式１４に基づく。以下に再記載する方程式１４は制御システムに対して既に定義しているものである。
【数１７】
0005873075.tif 000018
【００８７】
図８は、既に述べたように、提案した制御システムと方法のための好ましい実施形態を示す。このような構成に対して、以下の追加のステップが予見される。
ｏ）ステップｅで計算されたピストンの最大変位ＤMAXとプログラムされた基準変位ＤREF間の比較から、第１基準電流Ｉ１refを調整し、
ｐ）ステップｃで計算されたピストン速度Ｖe（ｔ）によって調整された第２の基準電流ｉ１refを調整し、
ｑ）基準電流（ｉ２ref）と測定電流（ｉm）間の相違によって制御電流誤差（ｉce）を調整し、
ｒ）先行するステップにおいて計算された制御電流誤差（ｉce）から電気モータの周波数インバータに印加される動作電圧（ｕc）を調整する。
【００８８】
図８に示すように、第１の基準電流Ｉ１refは、第１の比例および積分状態制御器Ｐｉ１の出力において生成される。この制御器を、さらに、微分比例積分制御器によって形成しても良い。
【００８９】
同じ図８は、電気モータのインバータに印加される動作電圧ｕcが、第２の比例および積分状態制御器ＰI2または微分比例積分制御器の出力において生成されることを示している。
【００９０】
さらに包括的に、リニアコンプレッサピストンのための本制御方法は、以下のステップから構成される。
ｉ）微小加工された電子回路と、離散化周波数Ｆdを有する共鳴リニアコンプレッサ１００の動作サイクルＴRから、電気モータの測定電流ｉmを測定し、
ｉｉ）測定電流ｉｍと電気モータのインバータに印加された動作電圧ｕｃとに基づいて、モータの電気パラメータの少なくとも１セットと、リニアコンプレッサ１００の機械パラメータの少なくとも１セットとを計算し、
ｉｉｉ）ステップｉ）およびｉｉ）において測定され計算された値に基づいて、共鳴リニアコンプレッサ１００の最大変位ＤMAXとピストン速度Ｖe（ｔ）を計算し、
ｉｖ）ステップｉｉｉ）で得られた最大変位ＤMAXとピストン速度Ｖe（ｔ）から、リニアコンプレッサ１００の電気モータのインバータに印加されるべき動作電圧ｕcの新しい値を調整し、さらに、
ｖ）共鳴リニアコンプレッサ１００の電気モータのインバータに、ステップｉｖ）で調整された動作電圧ｕcを印加する。
【００９１】
さらに、動作電圧ｕcは、動作サイクルＴRが共鳴周波数ＲFにおいてリニアコンプレッサ１００の動作を定義するように、共鳴リニアコンプレッサ１００の動作サイクルＴR期間中で計算されることを、指摘しておく必要がある。
【００９２】
上述の方法は、電気パラメータセットが、共鳴リニアコンプレッサ１００の電気数学モデルから計算されることを同様に考慮に入れている。既に説明したように、機械パラメータセットは、共鳴リニアコンプレッサ１００の機械数学モデル、またはさらに、電気的および機械的パラメータのセットに基づいて定義される、共鳴リニアコンプレッサ１００の電気機械的数学モデルから、計算される。
【００９３】
本発明で定義された方程式１および２は、上述のより包括的な方法論、即ちＲＬ直列回路としてモデル化されるコンプレッサ１００の電気モータに、および、質量／スプリング機械システムとしてモデル化される同じコンプレッサ１００に、同様に適用される。
【００９４】
方程式３によって定義される行列式は、電気機械システムの概念から、後者の制御方法に同様に適用される。
【００９５】
従って、共鳴リニアコンプレッサ１００のピストン１を制御するためのシステムおよび方法は、本発明で記載するように、機械的な量または変数を測定するように構成されたセンサを使用することなく、推定パラメータセットがコンプレッサ１００の動作をその最大効率で達成させる場合に、それらの目的を達成する。
【００９６】
一方、図８に示す好ましい実施形態は、特許請求の範囲に記載したシステムに対して、観測電子回路２０によって推定されたピストン１の変位および速度を使用して、コンプレッサ１００に対する単純でかつ効率的な制御をもたらす。一方、図９に示す別の実施形態は、前記の速度に同期した正弦波によってその速度信号を置き換えることが可能な制御を可能とする。
【００９７】
この両方の解決方法は、補助的な測定装置を使用することなく、コンプレッサの効率を最適化することができ、さらに、ピストン１の最大変位ＤＭＡＸの推定を考慮することが可能であり、これは、設置におけるエンジニアリング時間を大幅に減少させることに貢献し、部品の削減および必要な接続数の削減、および特に最終製品のメインテナンスに対して生産プロセスを単純化する。このような解決方法は、本システムを安全に動作させ、それによって、ピストン１がコンプレッサヘッドと衝突することなく、最大のコースで動作することが可能となる。
【００９８】
最終的に、特許請求の範囲に記載された発明において定義されているように、本発明は、ピストン制御方法を備える共鳴リニアコンプレッサ１００を提供する。
【００９９】
好ましい実施形態について記載したけれども、本発明の範囲は、他の可能な変形を包含し、可能な等価物を含む、添付の特許請求の範囲の内容によってのみ限定されるべきであることを理解すべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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