通过将谐波平衡信号注入耦接至斯特林机的线性电机/交流发电机的电枢来平衡谐波频率下的振动

摘要

通过将谐波平衡信号注入耦接至斯特林机的线性电机/交流发电机的电枢来减少谐波频率下的振动。感测振动以提供表示机械振动的信号。通过利用用于各谐波的自适应滤波器的自适应滤波算法处理所感测的振动信号来为选定的工作频率的谐波生成谐波平衡信号。将各谐波的参考输入在选定的谐波的频率处施加于自适应滤波算法。将所有谐波的谐波平衡信号与主控制信号相加。所述谐波平衡信号修改主电驱动电压，并利用与各谐波处的振动相反的驱动电压分量驱动电机/交流发电机。

说明书

背景技术

本发明一般涉及减小或消除机械振动，尤其是在包括驱动地联接至电 磁线性电机或交流发电机的斯特林循环机的耦接对中，更具体地涉及通过 将本发明的控制系统与现有技术的控制和振动平衡器集成来减小或消除 耦接对往复运动的基本工作频率的谐波(harmonics)处的机械振动。

许多机器由于作为其一部分的一个或多个周期性移动质块(mass)的 反复加减速而振动。在一些环境下，振动会非常不舒服、令人分心或烦恼， 而在一些环境下，振动可干扰其它设备的操作且甚至可导致损坏。减小振 动的一个方式是通过中间减振器将振动机安装至另一个质块，减振器可以 是吸收部分振动能量的装置或材料。然而，由于该方式仅可部分地减小振 动，因此消除或至少使振动的幅度最小化的更有效方式是将振动平衡器刚 性安装至振动机。振动平衡器产生对抗振动的力，即其产生振幅相等或几 乎相等但是相位相反的力，从而抵销或几乎抵销振动产生的力。

振动平衡器一般有两种类型，分为被动振动平衡器和主动振动平衡 器，一些振动平衡器也称作调谐质块避振器、主动质块避振器或减振器。 被动振动平衡器本质上为谐振弹簧和质块系统，其被调谐成振动机的工作 频率，但被设置成以与振动产生的力相差180°的相位将来自其加速和减速 质块的力施加至振动机。主动振动平衡器本质上为质块，且也可以联接至 弹簧，但是质块的运动由反馈控制系统控制，反馈控制系统感测振动并以 与振动相反的方向驱动质块。

尽管被动平衡器比较便宜，但是缺点在于其仅能够响应于其被调谐成 的一个谐振频率下的振动。主动平衡器可响应微小的振动频率变化，且可 以更好地以抵销振动的振幅施加补偿力，但是主动平衡器较昂贵，且需要 控制器来以所需的振幅和相位驱动主动平衡器。据我所知，被动平衡器和 主动平衡器在振动机的基本工作频率的谐波处的振动均不平衡。

因此，本发明的目的和特征是提供用于减少或消除机器在其基本工作 频率的谐波处的振动。

本发明进一步的目的和特征是不仅使机器在基本工作频率的谐波处 的振动平衡，而且不增加任何机械结构来实现该平衡。

发明内容

本发明为使包括驱动地联接至原动机或负载的线性电机/交流发电机 的耦接对的振动平衡的方法。线性电机/交流发电机具有电枢绕组，且其工 作频率下的往复运动由数字处理器根据命令输入控制。该方法使耦接对在 工作频率的谐波处的振动最小化。

由于在现有技术中，主控制信号根据命令输入在工作频率下产生，且 该主控制信号被施加于功率级，功率级通过向电枢绕组施加交流主电驱动 电压来控制耦接对。对于本发明，感测耦接对的振动以提供表示感测的耦 接对的机械振动的感测振动信号。为至少一个选定的工作频率的谐波产生 谐波平衡信号，且优选为选定的几个谐波的每一个产生谐波平衡信号。每 一个谐波平衡信号通过利用自适应滤波器的自适应滤波算法对感测振动 信号进行处理产生。每一个选定的谐波的自适应滤波算法在选定的谐波的 频率处具有参考输入。将所有选定的谐波的谐波平衡信号与主控制信号相 加。在工作频率的每一个选定的谐波处的每一个谐波平衡信号从而修改主 电驱动电压，并利用每一个选定的谐波的驱动电压分量(与在每一个选定 的谐波处的振动相反)来驱动耦接对的电机/交流发电机。

附图说明

图1是图示本发明的操作的框图。

图2是图示作为本发明的组件的自适应平衡信号发生器的操作的框 图。

图3是图示本发明的实施方案的图。

图4是图示本发明的另一个实施方案的图。

图5是图示本发明的再另一个实施方案的图。

在描述附图图示的本发明的优选实施方案时，为了清楚起见，将采用 特定术语。然而，并非旨在使本发明限制于所选定的特定术语，而应当理 解为，每个特定术语均包括所有以相似方式操作以实现相似目的的技术等 同物。

具体实施方式

美国专利7,511,459通过引用并入本申请。本现有技术专利示出用于 控制驱动地联接至斯特林机的线性电机/交流发电机且可与本发明的实施 方案一起使用的控制系统的实例。更具体地，本专利公开了在文中被称为 主控制系统的实例，主控制系统用于向电机/交流发电机电枢绕组施加主电 驱动电压和电流以控制其在其工作频率下的操作。

术语和现有技术基本原理

斯特林机常常驱动地联接至线性电机或线性交流发电机。斯特林发动 机可以是连接至线性交流发电机以发电的原动机。在热泵模式下工作的斯 特林机可连接至线性电动机并由线性电动机驱动，并将热能从其一个热交 换器泵送至其另一个热交换器。当其目的是冷却质块时，泵送热量的斯特 林机有时被称为冷却器，而当其目的是加热质块时，泵送热量的斯特林机 有时被称为热泵。斯特林热泵和斯特林冷却器在根本上是应用了不同术语 的相同机器。两种机器均可将热能从一个质块转移至另一个质块。因此， 当应用于基本机器时，术语冷却器/热泵，冷却器和热泵可以等同使用。由 于斯特林机可以是发动机(原动机)或冷却器/热泵，因此一般使用术语斯 特林"机"来包括斯特林发动机和斯特林冷却器/热泵。其基本上为能够将能 量在两种类型的能量(机械能和热能)之间任意转换的相同换能器。

同样地，线性电动机和线性交流发电机为相同的基本装置。其具有定 子(一般具有电枢绕组)和包括一个或多个磁铁(通常为永久磁铁)的往 复运动构件。线性电机/交流发电机可由原动机机械驱动进行往复运动以作 为交流发电机工作从而发电，或由交流电源驱动以作为电机工作，提供机 械往复运动输出。因此，术语线性电机/交流发电机可用于指该基本机电装 置。

由于上述操作的对偶性，作为发动机工作的斯特林机可用于线性交流 发电机，且线性电机可用于驱动在热泵模式下工作的斯特林机。在这两种 情况下，斯特林机通常直接连接至线性电机或交流发电机的往复运动构 件，以便其作为单元进行往复运动。此外，线性电动机和斯特林发动机可 用于驱动其它负载，例如用于压缩气体(例如冰箱中)，或用于泵送流体 的压缩机的活塞。

本发明的实施方案的现有技术部分

本发明的所有实施方案均为本发明的控制系统与现有技术控制系统 的组合(二者集成并组合)，该现有技术控制系统控制耦接对，该耦接对 驱动地联接至原动机或负载，最优选为斯特林机的线性电机/交流发电机。 这种耦接对在现有技术中是公知的。电机/交流发电机具有主控制信号被施 加于其的电枢绕组。斯特林机或电机/交流发电机为原动机，而另外一个为 负载，且存在多种控制系统用于控制这种耦接对。当电机/交流发电机用作 交流发电机来发电时，电枢绕组提供电力输出。当电机/交流发电机用作电 机时，驱动电机的电力受到控制，并包括主控制信号。在这两种情况下， 本发明适用的现有技术控制类型通过向电机/交流发电机施加控制电压来 完成其控制。该控制使得往复运动对在工作频率下往复运动，防止超行程 (overstroke)，使负载功率需求与原动机的功率输出相匹配，控制热泵实 施方案的温度和/或使耦接对的效率最大化。

图1、3、4和5均包括现有技术主控制系统。图1图示了本发明的基 本原理。现代的现有技术控制系统利用数字处理器，例如微处理器、微控 制器或数字信号处理器(DSP)。如本领域中的技术人员已知，通常根据通 过数字处理器执行的控制算法对信号进行的数学运算来描述数字控制电 路操作。"信号"包括以数字数据格式表示的模拟信号。操作常常根据执行 这种操作的传统原有模拟装置(例如，滤波器和信号发生器)来进行描述， 即便在现代电路中那些操作由被编程为执行算法的数字信号处理器来进 行。

参考图1，沿横跨数字处理器10顶部的路径图示了施加本发明的现 有技术主控制系统。如在现有技术中，主控制信号由主控制系统在往复运 动的工作频率下产生，并被施加于功率级，该功率级通过向电机/交流发电 机的电枢绕组施加交流主电驱动电压来控制耦接对。如大多数控制系统所 共有的是，存在施加于控制算法的命令输入12。命令输入12[A_cmd]为用于 在基本驱动频率下操作耦接对的振幅输入。命令输入A_cmd表示行程距离 (例如，以毫米计)或用于驱动电机/交流发电机的电枢线圈电压。主控制 系统的输出控制耦接对在其基本工作频率下的往复运动。

在图1中，如图示，现有技术控制算法被分成控制算法A和控制算 法B，这是因为(为了本发明的目的)二者之间存在示出的求和运算，或 求和结点14。其图示了来自本发明的控制信号被施加于主控制算法以根据 本发明修改主控制信号，但是可能在该求和运算之前以及之后进行了一些 现有技术控制操作。控制算法的运算结果通过数字模拟转换器16被施加 于功率级18，功率级18将控制信号转换成驱动电机/交流发电机所需的大 功率。功率级可包括附加控制电路。

功率级18的输出被施加于电机/交流发电机20的电枢绕组。电机/交 流发电机20通过机械联接件24驱动地连接至斯特林机22以形成耦接对， 耦接对的两个组件安装至示意性地图示为支撑件26的公共机械支撑件。 实际操作中，交流发电机的外壳和斯特林机的外壳一体成形或直接连接在 一起。耦接对还优选机械连接至被动平衡器，被动平衡器用于减小或消除 耦接对在其工作频率下的振动。

本发明

本发明的方法使耦接对在工作频率的谐波下的振动最小化。基本概念 是感测并反馈当前感测的作为基本工作频率的谐波的频率下的振动的振 幅、频率和相位。由于任何振动是所寻求消除的误差，因此感测振动在本 质上是误差检测。对于每一个谐波频率均产生了正弦变化的信号，且其振 幅和相位周期性地发生变化、被更新并被调整为产生每一个谐波的平衡信 号。通过将平衡信号注入控制耦接对在其基本工作频率下的操作的主控制 信号，每一个谐波的平衡信号被不断前馈。通过周期性更新，每一个平衡 信号的变化使平衡信号适应于任何当前感测的振动，以便每一个谐波的正 弦曲线平衡信号被不断地施加于线性电机/交流发电机以在合适的相位、振 幅和频率产生补偿力，从而使在每一个谐波处感测的振动最小化。这与需 要误差来驱动输出的标准闭合环路负反馈控制系统略有不同。此处，误差 (振动)被驱动至零，但是一旦振动被驱动至零，自适应算法便保持相同 的补偿输出，除非其感测到振动增大或减小，在这种情况下，自适应算法 修改补偿输出以再次使振动(误差)减小至零。

再次参考图1，振动传感器30以机械连接的方式安装至耦接对(20、 22)，例如通过安装至耦接对的外壳或外壳支撑件26，或安装至被动平衡 器28(其附接至耦接对)。振动传感器30可以是加速计，并感测耦接对的 振动以提供表示感测的振动的感测振动信号。

来自振动传感器30的感测振动信号通过模拟数字转换器32被施加以 由数字处理器10对其进行处理。数字格式的感测振动信号被施加于多个 自适应平衡信号发生器(图示为34、36和38)的每一个，每一个自适应 平衡信号发生器是产生基本工作频率的不同谐波的平衡信号的算法。因 此，每一个选定的谐波具有一个自适应平衡信号发生器。每一个自适应平 衡信号发生器被分配给并响应于一个谐波频率。尽管本发明可用于平衡单 个谐波，但是优选存在多个这种用于平衡多个不同谐波的平衡信号发生 器。尽管图示了用于三个谐波2ω、3ω和hω的三个平衡信号发生器，其 中ω为基本工作频率，h为第h个谐波，但是可具有多个平衡信号发生器 用于一样多个谐波，无论用于哪些谐波均由设计者来选定。

如下文更详细地描述的那样，每一个选定的谐波的谐波平衡信号通过 利用自适应滤波器的自适应滤波算法处理感测的振动信号产生。选定的谐 波的频率下的参考输入被施加于自适应滤波算法。因此，每一个谐波平衡 信号发生器34、36和38具有输出34B、36B和38B，输出34B、36B和 38B为平衡谐波平衡信号发生器所分配的谐波的平衡信号。

输出34B、36B和38B处的所有平衡信号与主控制信号相加。如图1 所图示，工作频率的每一个选定的谐波的谐波平衡信号在求和结点40相 加，然后其总和在求和结点14与主控制信号相加。因此，谐波平衡信号 的总和为这样一种前馈信号：该前馈信号修改电驱动电压从而利用每一个 选定的谐波的驱动电压分量(与在每一个选定的谐波处的振动相反)来驱 动耦接对的电机/交流发电机。因此，每一个谐波平衡信号发生器以某一频 率、振幅和相位向求和结点40提供输出信号，该输出信号以某一频率、 振幅和相位驱动线性电机/交流发电机以将谐波平衡信号发生器所分配的 谐波频率下的振动抵销至实用程度。

自适应滤波器

输出34B、36B和38B处的谐波平衡信号部分地通过使用自适应滤波 器产生。自适应滤波器技术在现有技术中已知了数十年。优选与本发明一 起使用的自适应滤波算法是半个世纪前发明的最小均方(LMS)滤波算法。 本领域已开发了各种可与本发明一起使用的经修改的LMS算法以及其它 自适应滤波算法。这些算法包括LMS算法的略微改变SLMS、归一化最 小均方(NLMS)滤波算法和递归最小平方(RLS)算法。由于LMS算法相对 简单且适合与本发明一起使用，因此优选LMS算法。LMS算法通过查找 与产生误差信号的最小均方有关的滤波系数来模拟所期望的滤波器。误差 信号为期望信号与实际信号之间的差值。在本发明中，由于期望信号没有 振动，因此误差信号为感测的振动。

自适应滤波器基本上为通过其自适应算法响应于感测的误差而改变 的可变滤波器。自适应滤波器基于当前感测的误差而自适应。通过算法处 理误差信号，然后该算法修改或更新可变滤波器。在本发明中，可变滤波 器为简单的增益，即倍增器(放大器)，其值通过算法可控地响应于感测 的误差而改变。通过将可变滤波器的值增大或减少由设计者选定并由算法 控制的量，响应于感测的误差对可变滤波器的值进行修改，且以设计者选 定并由算法控制的周期性速率修改可变滤波器的值。如此，算法以将误差 驱动至尽可能接近零的方式递增和递减可变滤波器，并在对于后续误差信 号来说需要时继续递增并递减可变滤波器以使误差尽可能接近零。自适应 滤波算法(例如，LMS算法)为文献中描述的被操作为将误差信号驱动 至零的标准算法。

本发明的自适应平衡信号发生器

对于每一个寻求平衡的谐波，存在分配给该特定谐波的自适应平衡信 号发生器。每一个自适应平衡信号发生器的目的是从感测的振动输入获得 并保持在线性电机/交流发电机内产生力的信号，该产生的力对抗并抵销自 适应平衡信号发生器所分配的谐波频率下的振动。图2图示了在图1中示 为框块的自适应平衡信号发生器34、36和38。除了每一个自适应平衡信 号发生器适于在分配给其的不同谐波频率下工作之外，这些自适应平衡信 号发生器均相同。每一个自适应平衡信号发生器50(图2)包括正交正弦 变化的参考信号发生器52和54。参考信号发生器52产生cos(hωt)，其中 h为分配给平衡信号发生器的第h个谐波，ω为耦接对的基本工作频率。 参考信号发生器54产生sin(hωt)。如从代表正交余弦和正弦函数的相量被 可视化，正交正弦信号为可相加形成合量(resultant)的分量。仅通过改 变这两个正交分量的振幅，合量便可在任何相位和任何振幅。在图3中可 见，可通过根据A_cmd控制参考信号发生器的振幅来控制参考信号发生器的 振幅，以便其振幅与A_cmd成比例。可替代地，如在图4和图5中所见，参 考信号发生器可具有恒定的单位振幅。正弦曲线参考信号发生器52和54 的目的是以所分配的谐波的频率产生一对正交正弦变化的余弦和正弦参 考信号。

自适应平衡信号发生器50还具有两个自适应滤波器56和58。自适 应滤波器56具有可变滤波器W0，可变滤波器W0通过其自适应LMS算 法LMS₀可控地变化。自适应滤波器58具有可变滤波器Wl，可变滤波器 Wl通过其自适应LMS算法LMS₁可变地受控。

感测的振动信号作为输入施加于控制一对可变滤波器的每一个的自 适应滤波算法。更具体地，感测的振动信号e(n)施加于自适应滤波算法 LMS₀和LMS₁。参考信号发生器52和54的输出也施加于由自适应滤波算 法控制的一对自适应滤波器的一对可变滤波器的每一个。更具体地，来自 参考信号发生器52(其产生cos(hωt))的信号施加于可变滤波器W0，而 来自参考信号发生器54(其产生sin(hωt))的信号施加于可变滤波器Wl。 因此，来自可变滤波器W0和Wl的输出信号为正交正弦信号，其每一个 具有由可变滤波器W0和Wl各自的增益确定的振幅。可变滤波器W0和 Wl各自的增益由其各自的自适应算法LMS₀和LMS₁确定，并周期性地更 新。来自W0和Wl的正交正弦信号为相量分量，相量分量可在求和结点 60相加(向量/相量和)以从求和结点60提供合量输出，合量输出在分配 给平衡信号发生器50的谐波频率处，并具有由LMS₀和LMS₁自适应滤波 算法确定的相位和振幅。这些自适应滤波算法为分配的谐波产生平衡信 号。该平衡信号具有振幅和相位，以便当与主控制信号相加并被前馈至电 机/交流发电机的电枢绕组时，其将产生对抗并从本质上抵销在自适应平衡 信号发生器50所分配的谐波频率下的振动的力。

自适应滤波器的设计参数相对简单。在现有技术中，算法本身很容易 获得。控制每一个可变滤波器的算法以增量步长更新可变滤波器。设计者 选定的两个参数为：(1)更新率(多长时间更新一次)和(2)更新量(每 一次更新可变滤波器的增益发生了多少变化)更新率为LMS算法多长时 间被处理一次。更新率选定为分配给平衡信号发生器的谐波的频率的若干 倍。通常，在分配的谐波的一个周期内，应发生5至10次更新。最好通 过重复试误法用试验方法确定每一次增量更新时可变滤波器的增益的变 化量。分别尝试一定范围内的若干个更新量，然后观察在减小振动方面的 稳定性、有效性，以及响应速度。每一次更新所选定的变化量一般是反馈 误差的函数(误差较小则变化较少)，且通常与误差振幅成比例。LMS或 其它控制算法基于误差的符号确定变化的方向。

来自每一次正弦变化的余弦和正弦参考信号发生器52和54的信号还 被乘以传递函数且乘积作为输入施加于自适应滤波器56和58的自 适应滤波算法LMS₀和LMS₁。传递函数为从平衡信号发生器50的输 出50B至感测的振动输入62的传递函数。传递函数是用于平衡信号发生 器50的整个外部系统的复杂数学表达式。众所周知，传递函数为输出除 以输入的比值，且在这种情况下为在输入62输入的感测振动信号除以在 平衡信号发生器50的输出50B处的输出。

传递函数提供了估计或预测响应以供自适应滤波算法LMS₀和LMS₁使用。就提供代表系统的传递函数的意义而言，传递函数创建了模型。传 递函数说明以下事实：外部系统的响应包括被动平衡器分量。其估计具有 被动平衡器的系统的行为，被动平衡器也产生对抗基本工作频率下的振动 的反作用力。如果平衡信号发生器50施加某些振动抵销信号，则传递函 数提供对将会产生的振动的估计。当然，预期系统在操作期间将发生很大 变化。但是，LMS算法使用该传递函数信号来决定改变可变滤波器W0 和Wl的增益的方向(增大或减小)以尝试将振动减小至零。

可通过沿传递函数代表的从输入至输出的路径确定每一个分量的传 递函数并将传递函数相乘以得到从输入至输出的总传递函数的传统方式 来确定传递函数然而，可替代地，由于那是一项复杂且困难的数学 演算，而不以此方式推到传递函数的数学表达式，因此可以(且优选)通 过实验室测量获得传递函数。对于每一个谐波的每一个在每一个输 出50B和输入62与电路断开连接且系统不工作的情况下，输入单位正弦 波施加于求和结点40。观察由振动传感器30(图1)输出的返回误差信号， 并测量其振幅和相位。测量的返回输出信号除以测量的注入输入信号为传 递函数。输入和输出均仅仅为每一个谐波h的振幅A、相位θ和频率hω。 因此，的输出是平衡信号发生器的外部系统的在平衡信号发生器所分 配的谐波处的预期输出，并代表预期误差e(n)。传递函数表示分配的谐波 的谐波平衡信号除以与选定的谐波处的振动对应的感测振动信号。

如上所述，通过相加可变滤波器W0和Wl的正交输出(相量/向量和) 获得分配给平衡信号发生器的选定的谐波的谐波平衡信号。求和运算由求 和结点60表示。再次参考图1，所有谐波的复合平衡信号通过相加所有谐 波的平衡信号、并将其总和与主控制信号相加产生。通过将输出34B、36B 和38B施加于求和结点40，并将该总和施加于求和结点14对此进行了图 示说明。

图3图示了本发明的实施方案。自适应平衡信号发生器334和336 与图1和2中图示的自适应平衡信号发生器相同。然而，在图3的实施方 案中，命令输入A_cmd被施加于所有参考信号发生器，例如余弦参考信号发 生器352和正弦参考信号发生器354。这使得参考信号的振幅与A_cmd成比 例地变化。根据A_cmd改变参考信号发生器的振幅提供了振幅前馈控制的附 加优点。

图3以及图4和5还更详细地图示了振动传感器330。优选通过将其 输出施加于放大器372的加速计370感测振动。放大的输出经低通滤波器 374滤波。低通滤波器374的截止频率高于所选定的最高谐波的频率，设 计者想要使用本发明的技术来使所选定的最高谐波的频率下的振动最小 化。其目的是过滤掉高于所选定的最高谐波频率的频率噪音。

通过数字处理器310的模拟数字转换器332从低通滤波器374施加于 数字处理器310的感测振动信号e(n)为复合模拟信号，该复合模拟信号为 在基本工作频率及其低于滤波器截止频率的所有谐波下的振动的总和。该 数字格式的复合信号被施加于每一个自适应平衡信号发生器，并因此包括 复合振动信号的所有谐波分量。然而，自适应滤波算法的一个固有特性是 其仅响应于在参考信号发生器52和54(图2)的频率处的傅里叶分量。 每一个平衡信号发生器在其所分配的谐波频率处具有参考信号发生器，因 此每一个平衡信号发生器仅响应于其分配频率。因此，没有必要进一步对 复合振动信号进行任何滤波以提取每一个谐波的傅里叶分量。

图4图示了本发明的另一个实施方案，且其自适应平衡信号发生器 434和436也与图1和图2中图示的自适应平衡信号发生器相同。在图4 的实施方案中，命令输入A_cmd(412)未施加于任何参考信号发生器(例如， 余弦参考信号发生器452和正弦参考信号发生器454)，除此之外图4的实 施方案与图3的实施方案相似。因此，其生成的参考信号的振幅总是具有 单位值，因此不存在与A_cmd成比例的振幅前馈。

图5是本发明的实施方案，该实施方案示出本发明与具有反馈引脚 (leg)580(其提供与主控制信号相加的前馈控制信号)的不同现有技术 主控制系统集成，除此之外该实施方案与图4的实施方案相似。本人的专 利7,511,459中示出并描述了图5中为本发明的现有技术并与本发明集成 的主控制系统。

结合附图所做的详细描述旨在主要作为对本发明当前优选实施方案 的描述，而并不代表构建或利用本发明的唯一形式。本描述结合图示的实 施方案阐述了实施本发明的设计、功能、装置和方法。然而应理解的是， 相同或等效的功能和特征可通过同样旨在包含在本发明的精神和范围内 的不同实施方案来实现，且在不脱离本发明或以下权利要求的范围的情况 下，可采用各种变形。