用於電子膨脹閥調節的控制算法的製作方法

2023-09-16 20:16:15

專利名稱：用於電子膨脹閥調節的控制算法的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於製冷系統中的電子膨脹閥(EEV)，並且具體地涉及用於調節EEV的位置的控制算法。
背景技術：
蒸氣循環製冷系統通常用於提供冷卻。典型的蒸氣循環製冷系統包括蒸發器、壓縮機和電子膨脹閥(EEV)。處於兩相狀態(即，液一氣態的組合)的製冷劑被提供給蒸發器，其中，蒸發器中的製冷劑通過蒸發過程中的潛熱傳遞來吸收熱量，在蒸發過程中，製冷劑被轉化為純氣態。蒸發器的輸出處所提供的經加熱的製冷劑被壓縮機接收。為了避免對壓縮 機的過多功率需求和/或損壞，被壓縮機接收的製冷劑處於純氣態是重要的。然而，為了最小化功率消耗並且最大化與系統相關的性能係數，使進入壓縮機的製冷劑的溫度最小化是重要的。離開蒸發器的製冷劑的溫度和狀態部分地基於流過蒸發器的製冷劑流量。流過蒸發器的製冷劑流量是壓縮機速度和電子膨脹閥(EEV)的位置(即，打開/關閉)的函數。如果對於蒸發器內所吸收的熱量而言提供了過大的製冷劑流量，則蒸發器的輸出處所提供的製冷劑將會保持處於液態。如果提供給蒸發器的製冷劑流量不足，則所有製冷劑將會蒸發並且將會繼續吸收蒸發器內的熱量，使得蒸發器的輸出處所提供的製冷劑具有高於期望溫度的溫度。電子膨脹閥用於調節製冷劑迴路中的製冷劑流量，使得離開蒸發器的製冷劑處於氣態但不高於期望溫度。

發明內容
用第一控制環和第二控制環來控制製冷系統中使用的電子膨脹閥(EEV)的位置，所述第一控制環基於與所述製冷系統相關的過熱反饋產生第一 EEV步驟信號，所述第二控制環基於與所述製冷系統相關的壓力反饋產生第二 EEV位置信號。選擇所述第一 EEV步驟信號或所述第二 EEV步驟信號中的一個作為用於控制所述EEV的位置的位置信號。將所選位置信號反饋地提供到所述第一控制環和所述第二控制環二者。


圖I是根據本發明實施例的製冷和控制系統的框圖。圖2是功能性框圖，示出了處理器單元所執行的用於實施根據本發明實施例的EEV控制算法的操作。
具體實施例方式圖I是根據本發明實施例的製冷和控制系統10的框圖。系統10包括製冷系統12和控制系統14。製冷系統12包括蒸發器16、馬達18&、18以壓縮機20&、2013、冷凝器22、電子膨脹閥(EEV) 24和EEV馬達26。在蒸發器16、壓縮機馬達18a、18b、冷凝器22和電子膨脹閥(EEV) 24之間延伸的帶箭頭線指示了在製冷系統12內循環的製冷劑的流動和方向。製冷系統12中的元件的構造是示例性的，也可採用部件的其他構造。控制系統14包括處理單元32、壓縮機馬達控制器34a、34b以及EEV馬達控制器36。處理單元32監視製冷系統12的操作，包括從壓力傳感器28和溫度傳感器30接收蒸發器16的輸出處的反饋。至少部分地基於這些值，處理單元向馬達控制器34a、34b提供控制指令以控制壓縮機馬達18a、18b的速度並且向EEV馬達控制器36提供控制指令以選擇性地定位(即，打開/關閉)EEV 24。製冷系統12操作，將處於兩相狀態(即，組合的液一氣態)的製冷劑傳送到蒸發器16。流過蒸發器16的製冷劑通過蒸發過程中的潛熱傳遞來吸收熱量，蒸發過程將製冷劑轉化為純氣態。壓縮機20a、20b分別被馬達18a、18b驅動到期望速度。在圖I所示的實施例中，採用了彼此並行連接的一對壓縮機。在其他實施例中，可以替代地使用單個壓縮機。壓縮機20a、20b壓縮由蒸發器16提供的氣態製冷劑，並且將經壓縮的氣態製冷劑提供到冷凝 器22。進而，冷凝器22將氣態製冷劑冷凝回液態或混合的液一氣態，並且將經冷凝的製冷劑提供到液池(未示出)或者直接提供到電子膨脹閥(EEV)24以便供應到蒸發器16。EEV馬達26控制EEV 24的位置(即，打開/關閉)以調節被提供到蒸發器16的製冷劑流量。為了避免對壓縮機20a、20b的過多功率需求和/或損壞，被壓縮機20a、20b接收的製冷劑處於純氣態是重要的。然而，為了最小化功率消耗並且最大化與系統相關的性能係數，使進入壓縮機20a、20b的製冷劑的溫度最小化是重要的。離開蒸發器16的製冷劑的溫度和狀態部分地取決於流過蒸發器的製冷劑流量以及進入蒸發器的供應空氣的溫度。流過蒸發器16的製冷劑流量是壓縮機速度和電子EEV24的位置(S卩，打開/關閉)的函數。如果對於蒸發器16內所吸收的熱量而言提供了過大的製冷劑流量，則蒸發器16的輸出處所提供的製冷劑將會保持處於兩相狀態或液態。如果提供給蒸發器16的製冷劑流量不足，則所有製冷劑將會蒸發並且將會繼續吸收蒸發器16內的熱量，使得蒸發器16的輸出處所提供的製冷劑具有高於期望溫度的溫度。因此，EEV 24的位置對於確保製冷系統12的適當操作而言是重要的。在圖I所示的實施例中，處理單元12執行EEV控制算法以通過選擇性地控制EEV24的位置來選擇性地控制流向蒸發器16的製冷劑流量。EEV控制算法由兩個控制環組成過熱(SH)控制環和最大操作壓力(MOP)控制環,過熱控制環基於蒸發器16的輸出處的製冷劑溫度，最大操作壓力控制環基於蒸發器16的輸出處的製冷劑壓力。在正常操作期間，SH控制算法控制EEV 24的位置，使得製冷劑溫度保持在期望值(例如，高於與製冷劑相關的飽和蒸氣線18度)。MOP控制算法在必要時接管以將MOP保持成低於期望最大操作壓力(MOP)0具體地，本發明的EEV控制算法起作用以使SH控制算法和MOP控制算法之間的過渡平滑。圖2是功能性框圖，示出了處理器單元32所執行的用於實施根據本發明實施例的EEV控制算法的操作。由於EEV控制算法而提供的控制指令被提供到EEV馬達控制器36，其基於所接收的控制指令命令EEV馬達24到期望位置。EEV控制算法包括過熱(SH)控制環40和最大操作壓力(MOP)控制環42。SH控制環40將蒸發器16輸出處的製冷劑的被監視的壓力Vevap_out和溫度levap_out接收為輸入，被監視的壓力 evap_out和溫度levap_out分別由壓力傳感器28和溫度傳感器30提供。被監視的壓力Vevap_out和溫度levap_out被提供到SH計算器44,其響應性地產生過熱值SH_m人過熱被定義為蒸發器中的給定壓力下的製冷劑沸騰時的溫度與製冷劑氣體離開蒸發器時的溫度之間的差。因此，過熱值SH_^7的計算基於蒸發器16的輸出處所監視的壓力Vevap_out和溫度Tevap_out 二者。為了避免液體製冷劑被提供到壓縮機20a、20b,製冷劑的期望過熱應當大於零。通常，為了給誤差提供一些餘地，過熱值被保持在大於零的值(例如18度過熱)以確保蒸發器16處的氣態輸出。在塊46處,將計算的過熱值SH_ca7與期望過熱值SH_re/比較，以計算期望過熱值和測量的或計算的過熱值之間的差或誤差SH_arr。計算的誤差SH_arr被提供到比例積分(PI)控制塊48,其基於過熱反饋計算過熱步驟輸出SILste/ ,過熱步驟輸出SILste/ 代表EEV 24的期望位置(S卩，打開/關閉的步驟)。例如，計算的過熱值SH_ca7大於過熱參考值SH_re/可導致EEV 24打開以增大進入蒸發器16的製冷劑流量。相反，計算的過熱值SH_cal小於過熱參考值SH_re/可導致EEV 24關閉以減小進入蒸發器16的製冷劑流量。
MOP控制環42將蒸發器16輸出處的製冷劑的被監視的壓力Vevap_out接收為輸入。在塊50處，將被監視的壓力Vevap_out與壓力閾值M0P_re/比較，以計算期望壓力值和測量的壓力值之間的差或誤差M0P_err。計算的誤差M0P_err被提供到PI控制塊52，其基於壓力反饋計算壓力步驟輸出MOP-Ste/ ,壓力步驟輸出MOP-Ste/ 代表EEV 24的期望位置(即，打開/關閉的步驟)。選擇器塊54分別從SH控制環40和MOP控制環42接收SH步驟輸出和MOP步驟輸出MOP.ste/ 二者，並且在各步驟輸出之間選擇代表最大數量的關閉步驟(即，EEV 24的最關閉位置)的步驟輸出，以便提供給EEV位置計算器56作為EEV參考值EEV_ref。這樣，儘管兩個控制環40、42均提供了關於EEV 24的期望位置的輸出，但僅有一個控制環有效地「控制"EEV 24的位置。儘管在任何給定時間僅有一個控制環有效地「控制"EEV24的位置，所選的最大關閉值EEV_re/作為反饋被提供到「未處於控制的」環積分器。這樣，每個PI控制塊48、52的「未處於控制」的環積分器函數輸出正在被「處於控制」的環計算(連續地重置)的相同值。在一個實施例中，與PI控制塊48、52相關的每個環積分器具有下限和上限，其確保積分器的輸出保持在所限定的極限內。在該實施例中，被提供給「未處於控制」的環積分器的反饋被提供給環積分器的下限輸入，由此保持「未處於控制」的環的輸出非常接近「處於控制」的環的輸出。該布置的益處在於，當控制從SH控制塊40切換到MOP控制塊42或者反過來時，其降低了被提供給EEV位置計算器56的步驟輸出EEV_re/中的顯著變化。也就是說，將「處於控制」的控制環的步驟輸出反饋地提供給「未處於控制」的控制環的效果是使得兩個控制環之間的過渡平滑(即，無波動過渡)。另外，在一個實施例中，SH控制環40中所包括的PI控制塊48採用非線性增益函數。具體地，當計算的過熱值SH_m7降低到低於過熱參考值SH_re/，這代表液體可被提供到壓縮機20a、20b的情況，帶有潛在地極其嚴重的後果。因此，這比計算的過熱值
大於過熱參考值SH_re/的情況更加關鍵。當計算的過熱值SH_ca7低於過熱參考值SH_re/時，採用非線性增益函數允許PI控制器48所提供的響應更加動態(即更快的響應，其中，增益更大)。在其他較不關鍵的區域，可採用較小的增益值。非線性增益輸入實行了可變增益以適應作為過熱誤差SH_Arr的函數的蒸發器16的動態響應中的變化。
在另一個實施例中，PI控制器48接收前饋速度輸入以考慮壓縮機速度的變化對於製冷劑過熱的影響。例如，壓縮機速度的增大(由於增加的冷卻需求)減小了蒸發器16的輸出處的製冷劑壓力，這是由於壓縮機20a、20b的入口處的額外的抽吸造成的。結果，儘管EEV 24的位置沒有改變，但製冷劑的過熱仍然由於流過蒸發器16的顯著更高的製冷劑流量而減小。為了補償壓縮機速度對過熱的影響，壓縮機20a、20b的速度被前饋到PI控制器48以最小化過熱值的變化。在一個實施例中，前饋速度輸入被表示為壓縮機20a、20b的速度的變化率，其被加入PI控制器48的積分器函數的輸入。例如，壓縮機20a、20b的速度的增大導致正值(代表正的變化率)被加入PI控制器48的積分器輸入，這增大了增益並從而增大了 PI控制器48的響應時間。在其他實施例中，前饋速度在PI控制器48的積分器函數的下遊被提供。在這些實施例中，前饋速度輸入可被提供為速度值、變化率值等，其被用於適應壓縮機速度的變化。基於選擇器塊54所提供的步驟輸出EEV_re/，EEV位置計算器56計算EEV命令EEY_cmd以便提供到EEV馬達控制器36。在圖2所示的實施例中，EEV位置計算器56不接 收關於EEV 24的位置的反饋。為了補償，EEV位置計算器56包括一種機制，用於將EEV 24預定位到特定位置(例如完全關閉)且跟蹤EEV 24的位置的所有後續變化以保持EEV 24的當前位置。在其他實施例中，EEV 24的位置可被反饋地提供到EEV位置計算器56，由此不再需要連續地監視/跟蹤EEV位置(但需要額外的硬體/傳感器，用於探測EEV 24的位置)。在圖2所示的實施例中，塊58將代表EEV 24的期望位置的步驟輸出EEV_re/與當前EEV位置卿_Cal_Pos比較以計算差值其代表為了獲得EEV 24的期望位置所需的打開/關閉的步驟。在塊62，將計算的差WN_delta_st印s乘以方波(由方波發生器64提供)以產生EEV命令信號WlCmd，以便提供到EEV馬達控制器36。另外，將差值砂}Ldelta_sUps提供到EEV位置計算器60，EEV位置計算器60使用該差值(代表EEV 24的位置的變化)來更新EEV 24的位置估計EEV_fe7_/^s。計算的位置估計基於EEV24的初始位置(由輸入閥預位置指示)以及EEV 24的打開/關閉速率(由方波發生器64的調製率指示)的信息。這樣，縱使缺乏來自實際值的反饋，EEV位置計算器仍能夠保持對於EEV 24的位置的準確估計。雖然已經參照(一個或多個)示例性實施例描述了本發明，但本領域技術人員將會理解，在不偏離本發明範圍的情況下可作出各種變化並且可用等同物來替代其元件。另外，在不偏離本發明實質範圍的情況下，可在本發明的教導下進行許多修改以適應具體情形或者材料。因此所意圖的是，本發明不限於所公開的(一個或多個)具體實施例，而是本發明將會包括落入所附權利要求範圍內的所有實施例。
權利要求
1.一種控制製冷系統中使用的電子膨脹閥(EEV)的位置的方法，所述方法包括 在第一控制環中基於與所述製冷系統相關的過熱反饋產生第一 EEV位置信號； 在第二控制環中基於與所述製冷系統相關的壓力反饋產生第二 EEV位置信號； 選擇所述第一 EEV位置信號或所述第二 EEV位置信號作為用於控制所述EEV的位置的位置信號；以及 將所選位置信號反饋地提供到所述第一控制環和所述第二控制環二者。
2.如權利要求I所述的方法，其中，選擇所述第一EEV位置信號或所述第二 EEV位置信號包括選擇所述第一 EEV位置信號或所述第二 EEV位置信號中的較大者。
3.如權利要求I所述的方法，其中，產生所述第一EEV位置信號包括 基於與所述製冷系統相關的監視的壓力和監視的溫度計算過熱值； 將計算的過熱值與參考過熱值比較以產生過熱誤差值；以及 將過熱誤差值應用到第一比例積分控制器以產生所述第一 EEV位置信號。
4.如權利要求3所述的方法，其中，所選位置信號被反饋地提供以重置所述第一比例積分控制器的積分器值。
5.如權利要求3所述的方法，其中，所述第一比例積分控制器採用非線性增益函數，其中，當計算的過熱值小於參考過熱值時，所述第一比例積分控制器採用較大的增益值，並且當計算的過熱值大於參考過熱值時，所述第一比例積分控制器採用較小的增益值。
6.如權利要求3所述的方法，其中，所述第一比例積分控制器接收關於壓縮機速度的前饋輸入，以被包括在所述第一 EEV位置信號的計算中。
7.如權利要求I所述的方法，其中，產生所述第二EEV步驟信號包括 將與所述製冷系統相關的監視的壓力與最大操作壓力(MOP)參考值比較以產生MOP誤差值；以及 將MOP誤差值應用到第二比例積分控制器以產生所述第二 EEV步驟信號。
8.如權利要求7所述的方法，其中，所選位置信號被反饋地提供以重置所述第二比例積分控制器的積分器值。
9.如權利要求I所述的方法，還包括 通過將所選位置信號與當前閥位置信號比較來計算閥位置命令信號；以及 基於閥位置命令信號來更新當前閥位置信號。
10.一種用於控制製冷系統中包括的電子膨脹閥(EEV)的位置的控制器系統，所述控制器系統包括 EEV馬達控制器，所述EEV馬達控制器命令所述EEV到期望位置；和處理單元，所述處理單元接收關於所述製冷系統中的監視的壓力和溫度的反饋，所述處理單元執行過熱(SH)控制環，所述過熱控制環基於過熱反饋計算第一 EEV位置信號，所述過熱反饋是基於所述監視的壓力和溫度來計算的，所述處理單元執行最大操作壓力(MOP)控制環，所述最大操作壓力控制環基於所述製冷系統的監視的壓力計算第二 EEV位置信號，其中，所述處理單元選擇所述第一 EEV位置信號或所述第二 EEV位置信號作為用於控制所述EEV的位置的位置信號並且將所選位置信號作為反饋提供到所述SH控制環和所述MOP控制環二者。
11.如權利要求10所述的控制器系統，其中，所述處理單元選擇所述第一EEV位置信號或所述第二 EEV位置信號中的較大者作為用於控制所述EEV的位置的位置信號。
12.如權利要求10所述的控制器系統，其中，所述SH控制環將過熱反饋與期望過熱值比較以產生過熱誤差信號，所述SH控制環包括第一比例積分(PI)控制器，所述第一比例積分控制器基於所述過熱誤差信號和作為反饋提供到所述SH控制環和所述MOP控制環二者的所選位置信號產生所述第一 EEV位置信號。
13.如權利要求12所述的控制器系統，其中，所述第一PI控制器實行非線性增益函數，其中，當計算的過熱值小於參考過熱值時，所述第一 PI控制器採用較大的增益值，並且當計算的過熱值大於所述參考過熱值時，所述第一 PI控制器採用較小的增益值。
14.如權利要求12所述的控制器系統，其中，所述第一PI控制器接收與壓縮機的速度相關的前饋速度輸入，所述壓縮機被包括作為所述製冷系統的一部分，其中，所述第一 PI控制器提供的所述第一 EEV位置信號考慮了壓縮機速度對所述過熱反饋的影響。
15.如權利要求10所述的控制器系統，其中，所述MOP控制環將所述監視的壓力與最大操作壓力(MOP)參考值比較以產生MOP誤差信號，所述MOP控制環包括第二比例積分(PI)控制器，所述第二比例積分控制器基於所述MOP誤差信號和作為反饋提供到所述SH控制環和所述MOP控制環二者的所選位置信號產生所述第二 EEV位置信號。
16.如權利要求10所述的控制器系統，其中，所述處理單元還包括EEVdelta步驟計算器，其將所選位置信號與當前閥位置信號比較以產生閥命令信號並且基於所產生的閥命令信號來更新當前閥位置信號。
17.—種系統,包括 蒸發器，所述蒸發器基於流過所述蒸發器的製冷劑的蒸發而對介質提供冷卻； 電子膨脹閥(EEV)，所述電子膨脹閥選擇性地打開和關閉以調節流過所述蒸發器的製冷劑的流量；和 處理單元，所述處理單元通過選擇性地控制所述EEV的打開和關閉來調節流過所述蒸發器的製冷劑的流量，所述處理單元執行過熱(SH)控制環，所述過熱控制環基於過熱反饋計算第一 EEV位置信號，所述過熱反饋是基於監視的壓力和溫度來計算的，所述處理單元執行最大操作壓力(MOP)控制環，所述最大操作壓力控制環基於所述監視的壓力計算第二EEV位置信號，其中，所述處理單元選擇所述第一 EEV位置信號或所述第二 EEV位置信號作為用於控制所述EEV的位置的位置信號並且將所選位置信號作為反饋提供到所述SH控制環和所述MOP控制環二者。
18.如權利要求17所述的系統，其中，所述SH控制環將過熱反饋與期望過熱值比較以產生過熱誤差信號，所述SH控制環包括第一比例積分(PI)控制器，所述第一比例積分控制器基於所述過熱誤差信號和作為反饋提供到所述SH控制環和所述MOP控制環二者的所選位置信號產生所述第一 EEV位置信號。
19.如權利要求18所述的系統，其中，所述第一PI控制器實行非線性增益函數，其中，當計算的過熱值小於參考過熱值時，所述第一 PI控制器採用較大的增益值，並且當計算的過熱值大於所述參考過熱值時，所述第一 PI控制器採用較小的增益值。
20.如權利要求18所述的系統，其中，所述第一PI控制器接收與壓縮機的速度相關的前饋速度輸入，所述壓縮機被包括作為所述系統的一部分，其中，所述第一 PI控制器提供的所述第一 EEV位置信號考慮了壓縮機速度對所述過熱反饋的影響。
21.如權利要求17所述的系統，其中，所述MOP控制環將所述監視的壓力與最大操作壓力(MOP)參考值比較以產生MOP誤差信號，所述MOP控制環包括第二比例積分(PI)控制器，所述第二比例積分控制器基於所述MOP誤差信號和作為反饋提供到所述SH控制環和所述MOP控制環二者的所選位置信號產生所述第二 EEV位置信號。
22.如權利要求17所述的系統，其中，所述處理單元還包括EEVdelta步驟計算器，其將所選位置信號與當前閥位置信號比較以產生閥命令信號並且基於所產生的閥命令信號來更新當前閥位置信號。
23.如權利要求17所述的系統，其中，所述處理單元選擇所述第一EEV位置信號或所述第二 EEV位置信號中的較大者作為用於控制所述EEV的位置的位置信號。
全文摘要
本發明涉及用於電子膨脹閥調節的控制算法。具體地，電子膨脹閥被用在製冷系統中以調節流過蒸發器的製冷劑的流量。通過第一控制環和第二控制環來控制所述電子膨脹閥的位置，所述第一控制環基於與所述製冷系統相關的過熱反饋產生第一位置信號，所述第二控制環基於與所述製冷系統相關的壓力反饋產生第二位置信號。選擇所述第一位置信號和所述第二位置信號中的較大者來控制所述電子膨脹閥值的位置，並且將所選位置信號反饋地提供到所述第一控制環和所述第二控制環二者。
文檔編號F25B49/00GK102748906SQ20121011734
公開日2012年10月24日 申請日期2012年4月20日 優先權日2011年4月21日
發明者B.R.施勒德, J.埃爾恩斯特, K.庫西, R.M.德羅伊, T.帕特爾 申請人:哈米爾頓森德斯特蘭德公司