一种自由活塞直线发电机上止点位置的控制方法及系统

技术领域

本公开属于自由活塞直线发电机上止点位置的控制技术领域，尤其涉及一种自由活塞直线发电机上止点位置的控制方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

目前，常见的自由活塞直线发电机(FPLG)结构主要分为单活塞式、对置双活塞式(简称对置式)和背置双活塞式(简称背置式)三种。和传统内燃机相比，FPLG减少了曲柄连杆机构，结构简单，摩擦力小，热效率提高，具有较好的应用前景，但FPLG存在活塞运动难以控制的难点。FPLG主要包括发动机、直线电机和动子等几个主要部件，一般情况下，直线电机在启动过程中提供动力，作为电动机拖动活塞运动，达到启动条件后，该直线电机从电动机模式转换为发电模式，输出电能。正常运行过程中，FPLG中动子的运动取决于发动机缸内燃烧压力、电机产生的电磁负载以及摩擦力。当FPLG运行在某一频率工况时，摩擦力大小基本为常数，动子运动主要取决于燃烧压力和电机产生的电磁负载。

由于发动机燃烧循环变动的影响，若不对直线电机负载进行控制，则动子可能无法达到上止点位置或者超过上止点位置，导致爆震或失火等问题的产生，进而导致停机。若运行过程中仅调整发电机负载，由于调整方法或灵敏度等问题，可能存在调整误差，导致上止点可能达到的位置波动幅度较大。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本公开提供了一种自由活塞直线发电机上止点位置的控制方法，基于电机和发动机联合控制实现FPLG的稳定运行。

为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

第一方面，公开了一种自由活塞直线发电机上止点位置的控制方法，包括：

基于FPLG动子能够运动到上止点位置时，上止点位置前某一位置处动子运动速度和点火时刻对应关系，获得两者关系MAP图；

根据MAP图和上止点位置前某一位置处动子实际速度或实际速度与目标速度偏差，插值计算最佳点火时刻，基于最佳点火时刻控制发动机火花塞按最佳点火时刻点火，保证动子所能到达的实际上止点位置和设定的上止点位置接近，以保证FPLG稳定运行。

进一步的技术方案，测量上止点位置前某一位置处动子实际速度，对比该处速度和目标速度大小，若实际速度大于目标速度，则提前点火，若实际速度小于目标速度则延迟点火。

进一步的技术方案，动子能够运动到上止点位置的过程中，直线电机需要提供一定的拖动力或发出一定电能，以保证动子运动到指定上止点位置。

进一步的技术方案，还包括：启动过程：当动子运动到指定位置，且动子运动频率满足启动频率要求时，则控制发动机点火燃烧完成启动过程；当动子不能满足启动条件时，则电机继续提供左向和右向的拖动力，如此反复，直到满足启动条件，发动机点火燃烧，完成启动过程。

进一步的技术方案，正常启动后，发动机燃烧做功，推动动子运动，为了保证动子能够达到设计上止点位置，电磁负载需要根据实时燃烧状态进行调整，基于能量守恒，计算每循环发电机所做的功即冲程发电量。

进一步的技术方案，基于计算得到冲程发电量后，控制冲程实际发电量逼近目标发电量，使动子逼近设计上止点附近。

第二方面，公开了一种自由活塞直线发电机上止点位置的控制系统，包括：

MAP图获取模块，被配置为：基于FPLG动子能够运动到上止点位置时，上止点位置前某一位置处动子运动速度和点火时刻对应关系，获得两者关系MAP图；

点火时刻控制模块，被配置为：根据MAP图和上止点位置前某一位置处动子实际速度或实际速度与目标速度偏差，插值计算最佳点火时刻，基于最佳点火时刻控制发动机火花塞按最佳点火时刻点火，保证动子所能到达的实际上止点位置和设定的上止点位置接近，以保证FPLG稳定运行。

第三方面，公开了一种自由活塞直线发电机上止点位置的控制装置，控制器及测量单元，所述测量单元被配置为：测量上止点位置前某一位置处动子实际速度；

所述控制器被配置为：

基于FPLG动子能够运动到上止点位置时，上止点位置前某一位置处动子运动速度和点火时刻对应关系，获得两者关系MAP图；

根据MAP图和上止点位置前某一位置处动子实际速度或实际速度与目标速度偏差，插值计算最佳点火时刻，基于最佳点火时刻控制发动机火花塞按最佳点火时刻点火，保证动子所能到达的实际上止点位置和设定的上止点位置接近，以保证FPLG稳定运行。

进一步的技术方案，测量单元为位置传感器，所述控制器根据位置传感器记录拖动过程的运动信息，并判断动子能否达到目标位移，若没有达到，则进行下一个冲程的拖动；

若达到目标位移，则记录该过程所用时间，计算该冲程动子运动频率，并和启动频率对比，若不满足启动频率，则继续下个冲程的拖动。若满足，则控制发动机喷油点火燃烧。

第四方面，公开了一种自由活塞直线发电机，所述自由活塞直线发电机按照上述控制方法使得动子所能到达的实际上止点位置和设定的上止点位置接近。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

本公开技术方案根据实时燃烧状况调整发电机负载，使动子能够达到设计上止点附近，并结合上止点位置前某一位置处动子速度监测，根据该处实际速度和目标速度差异，确定下一个最佳点火时刻，进而保证活塞可以更稳定的运行到下一个上止点，实现上止点位置波动较小，进而实现FPLG的稳定运行。

本公开技术方案针对发电机输出电能调整方法或灵敏度等问题，可能存在调整误差，导致上止点可能达到的位置波动幅度较大，为了稳定上止点位置，可基于模拟及仿真获得在上止点前某一位置(称为特定位置)，动子要达到指定上止点位置应具有的速度，并将该速度设置为目标速度。实时监测动子运动状态信息，获得动子在特定位置的实时速度。通过模拟或实验获得点火时刻和动子特定位置实时速度与目标速度偏差之间的关系曲线，以实时速度和目标速度误差作为反馈参数，基于实时速度调整点火时刻，使动子能更稳定达到指定上止点位置。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开技术方案位置示意图；

图2为本公开技术方案控制方法流程图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本公开技术方案所提及的背置式FPLG结构为现有技术，此处对该结构本身不做具体描述。

整体构思：

本发明以背置式自由活塞直线发电机为例进行阐述。该控制方法包括：启动时，根据动子质量和目标位移等确定电机所需提供的驱动力F

如此往复循环，通过每个循环调整两次发电机的输出电能，并调整两次点火时刻，确保活塞顺利达到两侧上止点位置。

实施例一

本实施例公开了一种自由活塞直线发电机上止点位置的控制方法，一方面根据发动机缸内实时燃烧状况，调整发电机负载，使动子能够到达上止点附近；另一方面，结合发动机点火控制，根据动子在上止点前某一特殊位置处的目标速度和实际速度偏差，调整点火时刻，使动子尽可能达到发动机要求上止点位置，实现FPLG的稳定运行，发挥其优势。

(1)启动过程，直线电机作为电动机拖动活塞运动到指定上止点位置，为了保证动子运动到指定上止点位置，电动机需要提供一定的拖动力。设动子先向左拖动，则动子从初始位置运动到目标位置需要的拖动力F

式中，P

动子向右拖动时，电动机则提供右向拖动力，拖动力F

当动子运动到指定位置，且动子运动频率满足启动频率要求时，则控制器控制发动机点火燃烧完成启动过程。当动子不能满足启动条件时，则电机继续提供左向和右向的拖动力，如此反复，直到满足启动条件，发动机点火燃烧，完成启动过程。

(2)发电量确定：正常启动后，发动机燃烧做功，推动动子运动。动子运动特点完全取决于左右缸缸内的燃烧状况、电磁负载和摩擦。当FPLG运行在某一工况时，摩擦可看成常数，因此，动子运动完全取决于燃烧和电磁负载。由于燃烧循环变动，每循环燃烧产生的能量都存在差异，因此，为了保证动子能够达到设计上止点位置，电磁负载需要根据实时燃烧状态进行调整。基于能量守恒，每循环发电机所做的功可近似描述为：

或

式中，x

(3)发电量控制：基于式(3)计算得到冲程发电量后，该值反馈给控制系统，控制系统控制冲程实际发电量逼近目标发电量，使动子逼近设计上止点附近。

(4)特殊位置动子速度测量：测量动子运动信息，并确定上止点前某一特殊位置处(点火时刻前)的动子速度v，并对比该处速度v和目标速度v

根据能量守恒，特殊位置处动子具有速度可近似满足关系式：

式中：F

(5)MAP图获得：通过实验或模拟分析FPLG动子能够运动到上止点位置时，特殊位置处动子运动速度和点火时刻对应关系，获得两者关系MAP图，或获得动子速度偏差和点火时刻对应关系MAP图。

(6)发动机的点火时刻控制：根据MAP和特殊位置处动子实际速度或实际速度与目标速度偏差，插值计算最佳点火时刻，并将时刻反馈给控制器，控制器控制发动机火花塞按最佳点火时刻点火，保证动子所能到达的实际上止点位置和设计上止点位置接近，以保证FPLG稳定运行。

更为具体的，启动过程：

启动过程开始，动子在力的作用下一般处于行程中部附近，设行程中部动子所在位置为参考位置，可设该处x＝0，动子向左运动时，位移为负，向右运动时位移为正；

为了保证发动机顺利启动，动子在直线电机拖动力的作用下向左或向右运动，且当动子的运动频率和动子所能达到的上止点位置达到发动机启动条件时，发动机才能点火燃烧，该启动条件根据FPGL中选用或设计的发动机要求确定；

计算动子运动到目标位置需要的拖动力，设动子先向左拖动，则动子从行程中部运动到目标位置需要的拖动力F

根据位置传感器记录第一个拖动过程的运动信息，并判断动子能否达到目标位移，若没有达到，则进行下一个冲程的拖动。若达到目标位移，则记录该过程所用时间T

当目标位移和目标频率都不能满足启动条件时，则计算从左侧上止点到右侧目标位置需要的拖动力F

将拖动力F

当第二次拖动仍不能满足启动条件时，则进行第三次拖动，动子从右侧上止点拖动到左侧目标位置，需要拖动力为F

当动子运动到指定位置，且动子运动频率满足启动频率要求时，则控制器控制发动机点火燃烧完成启动过程。当动子不能满足启动条件时，则电机继续提供式(1)和式(2)所示的左向和右向的拖动力，如此反复，直到满足启动条件，发动机点火燃烧，完成启动过程。

FPLG系统启动完成后，一侧发动机点火燃烧，燃烧能量足够大时，该能量就可以推动动子克服摩擦移动到另一侧上止点位置，同时还有一部分能量可用于发电。

由于燃烧循环变动，即使相同运行工况，不同循环燃烧也存在明显差异，即每循环产生的燃烧能量不同，而要保证系统工况稳定，动子运动频率就可看成常数，因此，每循环摩擦力大小、系统散热、动子应具有的动能就可看成常数，要使动子能够达到设计上止点位置附近，就需要调整发电量来协调燃烧循环变动的影响。

燃烧一旦完成，燃烧产生的能量就是定值，该冲程的发电量也就存在一个目标值。模拟分析表明，保证稳定运行的条件下，冲程目标发电量与动子运动最大速度和加速度等参数密切相关。根据能量守恒定律及动力学理论，动子在到达下一上止点位置时，冲程发电量可近似估计。

根据式(3)计算得到的发电量可能为正也可能为负；

当W>0时，表明系统具有足够的能量发电，将该值反馈给控制系统，控制系统控制发电机使实际电能输出值逼近期望值，完成冲程发电。

当W<0时，表明系统最大速度和加速度都比较小，说明缸内燃烧状况不佳甚至出现失火，则将该值反馈给控制系统，控制系统判断该值为负，则控制电机转换电动机状态，并提供适当拖动力，拖动力所做的功等于W，辅助动子顺利到达下个目标上止点。当绕组提供的拖动力为常数时，则该拖动力大小可表示为

通过上述电机发电量或电磁力的控制，动子基本能够到达设计上止点附近，但可能和上止点位置存在一定偏差。传统发动机工作过程中，当转速一定时，点火位置不变。但对FPLG而言，若只控制发电量，则动子在上止点附近波动幅度可能较大。为了保证动子能够更加逼近上止点，则还需要对发动机点火位置进行联合控制。

当FPLG工作在某一工况下时，根据实时燃烧状况对电机发电量进行控制后，在动子到达下一上止点位置前，准确的说是下一点火时刻前，动子速度接近于零，此时电机发电量几乎可以忽略，动子所受的摩擦力几乎也可以忽略，动子所受的一侧缸内气体压力接近大气压力，而另一侧气体压力则为压缩压力，在这种受力状态下，动子要逼近设计上止点位置，则应具有足够的动能克服即将产生的缸内燃烧压力即可。

设发动机在某工作频率下的设计点火时刻对应的位置为S

为了保证动子能够逼近设计上止点位置，就要保证S

特殊位置S

S

特殊位置S

当v>v

当v

v-点火时刻对应关系或(v-v

发动机的点火时刻控制：根据MAP和特殊位置处动子实际速度或实际速度与目标速度偏差，插值计算最佳点火时刻，并将时刻反馈给控制器，控制器控制发动机火花塞按最佳点火时刻点火，保证动子所能到达的实际上止点位置和设计上止点位置接近，以保证FPLG稳定运行。

整个联合控制过程流程图2如附图所示。

实施例子二

该实施例子公开了一种自由活塞直线发电机上止点位置的控制系统，包括：

MAP图获取模块，被配置为：基于FPLG动子能够运动到上止点位置时，上止点位置前某一位置处动子运动速度和点火时刻对应关系，获得两者关系MAP图；

点火时刻控制模块，被配置为：根据MAP图和上止点位置前某一位置处动子实际速度或实际速度与目标速度偏差，插值计算最佳点火时刻，基于最佳点火时刻控制发动机火花塞按最佳点火时刻点火，保证动子所能到达的实际上止点位置和设定的上止点位置接近，以保证FPLG稳定运行。

实施例子三

该实施例子公开了一种自由活塞直线发电机上止点位置的控制装置，控制器及测量单元，所述测量单元被配置为：测量上止点位置前某一位置处动子实际速度；

所述控制器被配置为：

基于FPLG动子能够运动到上止点位置时，上止点位置前某一位置处动子运动速度和点火时刻对应关系，获得两者关系MAP图；

根据MAP图和上止点位置前某一位置处动子实际速度或实际速度与目标速度偏差，插值计算最佳点火时刻，基于最佳点火时刻控制发动机火花塞按最佳点火时刻点火，保证动子所能到达的实际上止点位置和设定的上止点位置接近，以保证FPLG稳定运行。

测量单元为位置传感器，所述控制器根据位置传感器记录第一个拖动过程的运动信息，并判断动子能否达到目标位移，若没有达到，则进行下一个冲程的拖动；

若达到目标位移，则记录该过程所用时间，计算该冲程动子运动频率，，并和启动频率对比，若不满足启动频率，则继续下个冲程的拖动。若满足，则控制发动机喷油点火燃烧。

实施例子四

该实施例子公开了一种自由活塞直线发电机，所述自由活塞直线发电机按照上述控制方法使得动子所能到达的实际上止点位置和设定的上止点位置接近。

以上实施例的装置中涉及的各步骤与方法实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质；还应当被理解为包括任何介质，所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本公开中的任一方法。

本领域技术人员应该明白，上述本公开的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本公开不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。