一种自由活塞内燃发电机的活塞位置检测处理方法

摘要

本发明公开了一种自由活塞内燃发电机的活塞位置检测处理方法，该方法在自由活塞内燃发电机沿动子轴向布置两个静态磁头；保证所述两个静态磁头输出两路信号正交。在检测时，两个静态磁头输出的信号经转换输入单片机，单片机据此计算活塞位移，进而还可以确定运动方向。本发明无需额外安装位移传感器，采用静态磁头测定动子运动过程中磁通变化，间接获得活塞位移，从而解决了位置检测的问题，避免了冗余安装，节省了系统空间。

说明书

技术领域

本发明涉及自由活塞内燃发电机技术，尤其涉及一种自由活塞内燃发电机的活塞位置检 测处理方法。

背景技术

自由活塞式内燃机20世纪30年代发展起来的一种新型动力装置，它取消了曲柄连杆机 构，活塞仅做往复直线运动，且行程不受机械约束，结合了发动机和线性感应电动机彼此的 技术特点，作为一种新型发电机理念而备受关注。该装置的结构如图1所示，利用直线电机 固定连接2个发动机。当左缸内进行燃烧做膨胀冲程时，活塞右行，对右气缸进行压缩冲程； 当活塞达到本循环的上止点时，右气缸开始进行点火燃烧做膨胀冲程；如是，活塞在直线电 机中进行往复运动，切割发电机中的磁力线产生感应电动势，对外输出电能。

对于整个系统而言，无论在启动还是未定运转过程中，每个循环的点火正时、供油量都 将直接影响系统的运行频率、效率、输出功率、带载能力等。而自由活塞式内燃发电机不同 于传统内燃机可通过曲柄端的旋转运动来标定活塞的位移，故对其设计一种新式的活塞位置 检测系统并实现对活塞位置的精确判断尤为必要。只有精准获得了活塞位置，才能进一步实 现对系统输入参量的控制。

发明内容

有鉴于此，本发明结合直线电机含永磁栅式动子的实际情况，提供了一种自由活塞内燃 发电机的活塞位置检测处理方法，无需额外安装位移传感器，利用安装在自由活塞内燃发电 机上的静态磁头，测定动子运动过程中的磁通变化，继而获得活塞位移。

该检测处理方法包括如下步骤：

步骤一、在自由活塞内燃发电机沿动子轴向布置两个静态磁头，保证所述两个静态磁头 输出两路信号正交；

步骤二、静态磁头的模拟Sin/Cos编码器输出两路Sin信号和两路Cos信号，分别记为 Sin+、Sin-、Cos+、Cos-，将Sin+、Sin-信号和Cos+、Cos-信号分别进行差分放大，获得 -1.5V～+1.5V的Sin、Cos信号，然后采用同相加法电路将Sin、Cos信号变换为单片机可识别 的1V～4V的Sin、Cos信号，输入单片机；

步骤三、单片机将接收到的Sin、Cos信号归一化到（-1,1）区间内，令归一化后的Sin 信号=a，Cos信号=b，当a>0时，采用公式求解出当前位移对应的电气角度 θ，否则，采用公式求解出当前位移对应的电气角度θ；

采用如下公式计算活塞位移S：

$S=\frac{\theta }{360}\times U$

其中，U为自由活塞内燃发电机中直线电机同轴磁栅的磁极距。

在上述步骤三中，可以进一步根据归一化后的Sin信号、Cos信号确定活塞运动方向：

当a>0时，判断是否满足当前时刻与上一时刻相比b值增大的条件，如果是，则确定活 塞运动方向为下行，否则为上行；

当a≤0时，判断是否满足当前时刻与上一时刻相比b值增减小的条件，如果是，则确定 活塞运动方向为下行，否则为上行。

有益效果：无需额外安装位移传感器，采用静态磁头测定动子运动过程中磁通变化，间 接获得活塞位移，从而解决了位置检测的问题，避免了冗余安装，节省了系统空间。

附图说明

图1为自由活塞内燃发电机的结构图。

图2为静态磁头结构简图。

图3为信号处理方法简图。

图4为静态磁头输出信号示意图。

图5为位移处理方法流程图。

图6为移动方向处理流程图。

具体实施方式

原理上讲，自由活塞内燃发电机中的活塞动子做直线运动，可以通过安装位移传感器， 实现活塞位置的检测。但是这需要额外安装传感器。实际上，自由活塞内燃发电机中的直线 电机内含磁体运动件（如本例所含磁棒）即可视为永磁栅式动子，通过配备静态磁头（静态 磁头结构如图2所示），与永磁栅式动子构成磁通传感器，可以测定动子运动过程中的磁通变 化，磁通量反馈信号经变换处理，继而获得活塞位置。

基于此，本发明沿自由活塞内燃发电机动子轴向布置两个静态磁头，保证两个静态磁头 输出两路信号正交（磁头的间距与磁极距相关，当磁头的间距为磁极距的1/4时即可保证两 个静态磁头输出两路信号正交）。而且，配置时采用两个静态磁头，使得在没有相对运动的情 况下，静态磁头也有信号输出。采用两个静态磁头，可以同时判断活塞的位移和运动方向， 从而解决位置检测问题，避免了冗余安装，节省了系统空间。

其中，根据磁通变化判断活塞的位移具体原理为：

静态磁头读出信号的原理是磁栅利用它的漏磁通的变化来产生感应电势的。磁栅与磁头 间的漏磁通Φ₀经磁头分成两部分，一部分Φ₂通过磁头的铁心；另一部分Φ₃通过气隙，则有

${\Phi }_2={\Phi }_0·\frac{R_{\delta }}{R_{\delta }+R_T}---\left(1\right)$

式中，R_δ为气隙磁阻；R_T为铁心磁阻；

一般可以认为R_δ不变，而R_T与激励线圈所产生的激磁磁通Φ₁有关，由于铁心P、Q两 端的截面积很小，激磁电压u变化一个周期，铁心饱和两次，R_T变化两个周期。因此，可以 近似认为

Φ₂＝Φ₀(a₀+a₂sin2ωt)    (2)

式中，a₀、a₂为与磁头结构参数有关的常数；ω为激磁电源电压的角频率。

当磁栅与磁头没有相对运动时，因Φ₀是一个常量，输出绕组产生的感应电势为

$u_0=N_2\frac{d{\Phi }_2}{\mathrm{dt}}=N_2·\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[{\Phi }_0(a_0+a_2\sin 2\mathrm{\omega t})\right]=2N_2{\Phi }_0{a}_2\omega \cos 2\mathrm{\omega t}=k{\Phi }_0\cos 2\mathrm{\omega t}---\left(3\right)$

式中，k＝2N₂ω为常数；N2为输出绕组匝数。

当磁栅与磁头有相对运动时，因漏磁通是磁栅位置的周期函数，磁栅与磁头相对移动一 个节距W，漏磁通就变化一个周期，漏磁通近似为

${\Phi }_0={\Phi }_m\sin \frac{2\mathrm{\pi x}}{W}---\left(4\right)$

由公式(2)有

${\Phi }_2={\Phi }_m\sin \frac{2\mathrm{\pi x}}{W}(a_0+a_2\sin 2\mathrm{\omega t})---\left(5\right)$

则输出绕组产生的感应电势为

$u_0=N_2\frac{d{\Phi }_2}{\mathrm{dt}}=k{\Phi }_m\sin \frac{2\mathrm{\pi x}}{W}\cos 2\mathrm{\omega t}---\left(6\right)$

式中，x为磁栅磁头相对位移；Φ_m为漏磁通的峰值。

由公式(6)可见，静态磁头输出信号是一个调制波形，其幅值为

$U_m=k{\Phi }_m\sin \frac{2\mathrm{\pi x}}{W}---\left(7\right)$

由上式可知，静态磁头输出信号电压幅值随x呈正弦函数变化，它是平衡调幅波的包络 线，频率为激磁电压频率的2倍。

如图3所示，静态磁头的位移反馈采用模拟Sin/Cos编码器，其输出信号为Sin+、Sin-、 Cos+、Cos-，以此4路差分信号为基础，计算活塞组件的位移。首先将Sin+、Sin-信号和Cos+、 Cos-信号分别进行差分放大，获得-1.5V～+1.5V的Sin、Cos信号。然后通过同相加法电路将 其变换为可信度高且单片机可识别的1V～4V的Sin、Cos信号，输入单片机。

单片机负责根据Sin、Cos信号计算活塞位移。具体来说，磁栅磁极距U=71.2mm，对应 360度电气角度，角度与位移线性对应。活塞行程D=50mm，因此信号处理电路输出的位移 信号是不是完整的正余弦信号，如图4所示。COS信号关于最低点轴对称，利用SIN信号对 计算进行分段，利用COS信号在分段区间内的单调特性求解电气角度，进而求解出位移。如 图5所示，首先将Sin、Cos信号归一化到（-1,1）区间内，令Sin信号=a，Cos信号=b，当 a>0时，采用公式求解出当前位移对应的电气角度θ，否则，采用公式 求解出当前位移对应的电气角度θ。接着采用如下公式计算活塞位移S：

$S=\frac{\theta }{360}\times U=\frac{\theta }{360}\times 71.2$

根据上述Sin信号和Cos信号还能进一步判断活塞运动方向，具体来说：

由图4可以看到Cos信号在整个行程50mm中在20mm处单调性发生变化。因此容易知 道cos信号单调性变化的点为a=0的点，设a=0点的位置为s1，当0<S<s1时，a>0，也就是 Cos信号单调下降段，b随着时间减小则意味着S增大，b随着时间增大则意味着S减小；反 之，当s1<S<50时，a≤0，也就是Cos信号单调上升段，b随着时间减小则意味着S减小， b随着时间增大则意味着S增大。那么如图6所示，活塞运动方向的判定流程为：

在对Sin信号、Cos信号归一化后，进一步根据a、b的值进行判断；

当a>0时，判断是否满足当前时刻与上一时刻相比b值增大的条件，即b_n+1-b_n>0，如果 是，则确定活塞运动方向为下行，否则为上行；

当a≤0时，判断是否满足当前时刻与上一时刻相比b值增减小的条件，即b_n+1-b_n<0，如 果是，则确定活塞运动方向为下行，否则为上行；

其中，b_n+1和b_n的下角标表示时刻；上行即位移增大，下行即位移减小。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在 本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护 范围之内。