專利名稱：自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)控制的制作方法
專利說明自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)控制 這項(xiàng)發(fā)明屬于驅(qū)動(dòng)直線交流發(fā)電機(jī)的自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的電子控制領(lǐng)域。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)在與內(nèi)燃機(jī)對(duì)比時(shí)以有外部熱源為特色。外部熱源可以來(lái)自礦物燃料的燃燒、集中的太陽(yáng)能、來(lái)自放射性同位素衰變的熱量、來(lái)自柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的灼熱廢氣、或任何其它的熱源。早期的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)使用空氣作為工作流體，但是現(xiàn)代的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)使用諸如壓力在30大氣壓左右的氦之類的氣體。為了在諸如發(fā)電機(jī)之類的負(fù)載上實(shí)現(xiàn)有用的機(jī)械功，有兩種傳輸來(lái)自斯特林動(dòng)力活塞的力的主要方法。在所謂的“動(dòng)力型”設(shè)計(jì)中，動(dòng)力活塞與在傳統(tǒng)汽車的內(nèi)燃機(jī)中一樣與曲軸連接，而且旋轉(zhuǎn)諸如轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)之類的負(fù)載。在這種情況下，動(dòng)力活塞行程范圍被限制在活塞對(duì)曲軸的剛性機(jī)械連接建立的極限范圍內(nèi)。第二種配置是所謂的“自由活塞”斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)(“FPSE”)，其中機(jī)械上不受限制的活塞按照簡(jiǎn)諧振動(dòng)以名義上等于由活塞質(zhì)量和用氣動(dòng)的、機(jī)械的或其它方法提供的各種不同的復(fù)位彈簧剛度決定的固有方式的頻率移動(dòng)。通常，F(xiàn)PSE活塞位移是受輸入熱通量和機(jī)械負(fù)載之間適當(dāng)?shù)膭?dòng)態(tài)平衡控制的，為的是避免行程范圍超過將會(huì)引起不想要的與汽缸末端碰撞的設(shè)計(jì)極限。在一種典型的FPSE應(yīng)用中，動(dòng)力活塞被剛性連桿連接到與直線交流發(fā)電機(jī)的固定的定子部分結(jié)合的圓筒形磁性結(jié)構(gòu)(往往被稱為“原動(dòng)機(jī)”)上。原動(dòng)機(jī)/動(dòng)力活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)在交流發(fā)電機(jī)的輸出端產(chǎn)生交流電壓。在一些應(yīng)用中，F(xiàn)PSE配置對(duì)于它的運(yùn)動(dòng)學(xué)替代方案是優(yōu)選的，一個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)是FPSE本質(zhì)上消除了活塞-汽缸壁之間的法向力，借此避免潤(rùn)滑這些表面的需求和提供隔離不能容忍潤(rùn)滑劑的發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的方法。統(tǒng)稱FPSE/直線交流發(fā)電機(jī)(FPSE/LA)組合10的剖視圖是在

圖1中舉例說明的，其中FPSE部分50在圖的左邊，交流發(fā)電機(jī)部分60在圖的右邊。氣密的容器12包含用固定的壓氣活塞桿16導(dǎo)向的自由移動(dòng)的壓氣活塞14?？梢苿?dòng)的動(dòng)力活塞18與永久磁鐵結(jié)構(gòu)20連接。各種不同的環(huán)形密封件(未予以列舉)可以用來(lái)形成壓氣活塞14和動(dòng)力活塞18和容器12的內(nèi)在部份之間的氣密密封。另一方面，密封的徑向間隙可以用來(lái)限制活塞和壓氣活塞零部件周圍的漏泄流。原動(dòng)機(jī)使用一個(gè)或多個(gè)永久磁鐵元件在與多匝電樞線圈22鏈接的固定鐵芯24中產(chǎn)生場(chǎng)通量。原動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生隨時(shí)間變化的線圈磁鏈和所謂的“內(nèi)電壓”的必然發(fā)生的感應(yīng)現(xiàn)象。內(nèi)電壓按原動(dòng)機(jī)的頻率振蕩而且其振幅與線圈磁鏈隨時(shí)間變化的速率成比例。當(dāng)外部負(fù)載被接到電樞線圈上的時(shí)候，所產(chǎn)生的內(nèi)電壓將驅(qū)動(dòng)電流通過外部負(fù)載阻抗并借此能夠把有用的電力遞送給消耗性負(fù)載元件。通過外部負(fù)載的電樞電流本身又引起必須靠動(dòng)力活塞作用力克服的原動(dòng)機(jī)的反作用力。這意味著動(dòng)力活塞遞送給原動(dòng)機(jī)的機(jī)械功率被轉(zhuǎn)換成電功率。通常，容器里面的四個(gè)主要空間命名如下。在壓氣活塞14和容器12之間的空間是膨脹空間32；壓氣活塞14里面的空間可以充當(dāng)氣體彈簧34，在壓氣活塞和動(dòng)力活塞18之間的空間是壓縮空間36；而在動(dòng)力活塞18和容器12之間的空間是反彈空間38。容器12可以被安裝在機(jī)械彈簧(未予以列舉)上。開動(dòng)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的熱能是用在容器12外面壓氣活塞14對(duì)面的加熱器40供應(yīng)的。任何能加熱膨脹空間32中的氣體的熱源都是可用的。在容器12里面，壓氣活塞14周圍的是蓄熱室42。在操作周期的一個(gè)部分中，來(lái)自膨脹空間的氣體被迫通過入口空間44，從膨脹空間32經(jīng)由蓄熱室42通過出口空間46到壓縮空間36。在該周期的第二部分中，來(lái)自壓縮空間的氣體經(jīng)由出口空間46、蓄熱室42和入口空間44回到膨脹空間。冷卻器48在鄰近出口空間46的位置包圍容器12。如同眾所周知的那樣，為了實(shí)現(xiàn)最大的熱力學(xué)效率，冷卻器應(yīng)該盡可能多地冷卻出口空間46中的氣體。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的操作原則直覺上不比蒸氣機(jī)或內(nèi)燃機(jī)的那些明顯。通過引證在此并入的2000年5月16日授權(quán)給Kerwin等人美國(guó)專利第6,062,023號(hào)“交流4懸臂式曲軸斯特林循環(huán)機(jī)器(Cantilevered Crankshaft Stirling Cycle M交流hine)”描述了總稱斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的四階段熱力學(xué)周期。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是在1816年由Robert Stirling發(fā)明的，而且其基本原理在技術(shù)上是廣為人知的。簡(jiǎn)短的歷史綜述被包含在1992年9月15日授權(quán)給Moscrip的美國(guó)專利第5,146,750號(hào)“磁電共振發(fā)動(dòng)機(jī)”(Magnetoelectric Resonance Engine)之中而且在此通過引證被并入。不像運(yùn)動(dòng)型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，在圖1舉例說明的FPSE/LA組合10中，沒有防止壓氣活塞14或活塞18撞擊容器12的某些部份的東西。設(shè)計(jì)者們一直在尋找將會(huì)限制活塞和壓氣活塞行程范圍并因此防止撞擊以便讓發(fā)動(dòng)機(jī)在不同的操作條件下以穩(wěn)定的方式運(yùn)行的設(shè)計(jì)。在FPSE的情況下，熱通量輸入和機(jī)械活塞功率輸出(例如，經(jīng)由活塞驅(qū)動(dòng)的直線交流發(fā)電機(jī)和電氣負(fù)載)是兩個(gè)可控制的因素，它們可以被用來(lái)影響活塞和壓氣活塞的行程范圍。不幸的是，熱通量控制在控制這些行程范圍方面通常不是有用的，因?yàn)檫@種控制不能被足夠快速地實(shí)現(xiàn)以便能處理不得超越的活塞或壓氣活塞行程范圍限制，因?yàn)樵谶@些機(jī)器的許多應(yīng)用中交流發(fā)電機(jī)上的電氣負(fù)載可能經(jīng)受非常迅速的變化。在不同的活塞負(fù)載條件下解決活塞和壓氣活塞行程范圍控制問題的各種不同的辦法已被利用。一類解決辦法包括借助諸如氣孔排列之類自動(dòng)控制機(jī)制維持活塞和壓氣活塞行程范圍的控制，其中，舉例來(lái)說，這些行程范圍在不需要外部負(fù)載控制的情況下就能被維持。各種不同的問題和缺點(diǎn)已與這些類型的解決辦法相關(guān)聯(lián)，包括，舉例來(lái)說，氣孔可能被由諸如外部零部件的表面隨著時(shí)間推移的磨傷之類正常的發(fā)動(dòng)機(jī)操作產(chǎn)生的物質(zhì)阻塞這一事實(shí)。除此之外，這些現(xiàn)有技術(shù)的解決部分也容易產(chǎn)生損失，負(fù)面的沖擊效應(yīng)。另一類現(xiàn)有技術(shù)的解決辦法已指向?qū)崿F(xiàn)對(duì)放在用活塞驅(qū)動(dòng)的交流發(fā)電機(jī)之上的電氣負(fù)載的控制。在這種情況下，鎮(zhèn)流器或輔助負(fù)載被用來(lái)不顧在外部負(fù)載功率要求的改變而維持交流發(fā)電機(jī)上的負(fù)載恒定不變。因此，這些解決辦法利用下述事實(shí)，即，對(duì)于給定的對(duì)FPSE的熱流輸入，只要使交流發(fā)電機(jī)負(fù)載保持恒定不變，活塞行程范圍就能被限制在特定的范圍。然而，這些解決辦法代表對(duì)于控制由于負(fù)載變化產(chǎn)生的活塞振幅和可能的行程范圍無(wú)效的技術(shù)。使用恒定不變的交流發(fā)電機(jī)負(fù)載控制的解決辦法的例子是1989年10月17日授權(quán)給Dhar的美國(guó)專利第4,873,826號(hào)。Dhar揭示了通過交流發(fā)電機(jī)輸出和公用高壓輸電網(wǎng)之間的連接控制發(fā)動(dòng)機(jī)操作。盡管這種解決辦法有許多好處，例如，有能力維持發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載恒定不變，但是由此產(chǎn)生的操作特性通常受下述事實(shí)的限制，即，發(fā)動(dòng)機(jī)的操作必須與輸電網(wǎng)的工作頻率相匹配。這個(gè)限制阻止獲得或許以別的方式借助在高于50Hz或60Hz輸電網(wǎng)頻率的頻率下操作能實(shí)現(xiàn)的較高的FPSE/LA功率密度。此外，頻率隨著時(shí)間變化不能實(shí)現(xiàn)，即使在特定環(huán)境中，例如，在較低的空氣彈簧剛度支持低于名義額定值的頻率下操作之時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)升溫期間，或在強(qiáng)行制約的工作頻率迅速下降可能幾乎瞬間減少活塞和壓氣活塞行程范圍的情況下的緊急超界條件期間，它在其它方面是有益的。最后，在便攜式應(yīng)用的情況下，如同Dhar要求的那樣與輸電網(wǎng)連接往往是不可行的。各種現(xiàn)有技術(shù)的例子交替地提供在不與公用高壓輸電網(wǎng)連接的控制。這些控制系統(tǒng)的例子是在教授一種提供可調(diào)的鎮(zhèn)流器負(fù)載和交流發(fā)電機(jī)電樞抽頭連接來(lái)維持發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載在用戶負(fù)載改變時(shí)恒定不變的控制系統(tǒng)的于1987年2月10日授權(quán)給Redlich的美國(guó)專利第4,642,547號(hào)，和也使用可變的負(fù)載構(gòu)件在操作期間動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)負(fù)載并借此控制活塞行程來(lái)控制操作的于2000年4月18日授權(quán)給Gentsler等人的美國(guó)專利第6,050,092號(hào)中揭示的。在用這些解決辦法實(shí)踐時(shí)，使用交流發(fā)電機(jī)鎮(zhèn)流器負(fù)載維持發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載恒定不變是無(wú)效的。另外，這些方法和所揭示的實(shí)施方案不提供強(qiáng)行制約發(fā)動(dòng)機(jī)頻率變化的方法，如上所述，這由于許多理由是符合需要的。作為通過控制交流發(fā)電機(jī)輸出上的電氣負(fù)載控制活塞行程的替代方案，如同1995年1月31日授權(quán)給Beale的美國(guó)專利第5,385,021號(hào)和1996年4月2日授權(quán)給Beale的美國(guó)專利第5,502,968號(hào)所揭示的那樣，推薦了各種不同的使用可控制的閥門、彈簧和聯(lián)動(dòng)裝置的機(jī)械方法。盡管這些解決方案宣稱實(shí)現(xiàn)了活塞行程控制，但是它們不使用工作頻率的控制。此外，所描述的可控制剛度的電磁彈簧元件將必然招致繞組電阻損失、磁滯損失和渦流損失，所有這些都危及發(fā)電裝置的總效率。一方面是提供維持FPSE發(fā)動(dòng)機(jī)操作特性在可接受的范圍內(nèi)的控制系統(tǒng)。另一方面是提供維持活塞行程范圍在可接受的范圍內(nèi)的控制系統(tǒng)。還有另一方面是提供維持壓氣活塞行程范圍在可接受的范圍內(nèi)的控制系統(tǒng)。另一方面是提供不需要與固定的輸電網(wǎng)連接的控制系統(tǒng)。還有進(jìn)一步方面是提供允許FPSE便攜性的控制系統(tǒng)。還有另一方面是提供為了控制FPSE里面的活塞和/或壓氣活塞行程范圍，允許實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)交流發(fā)電機(jī)接線端的電壓振幅和電壓波形頻率的控制系統(tǒng)。另一方面是提供用來(lái)控制FPSE中的活塞和/或壓氣活塞行程范圍的方法。還有進(jìn)一步方面是提供為了控制FPSE里面的活塞和/或壓氣活塞行程范圍使用對(duì)交流發(fā)電機(jī)接線端的電壓振幅和電壓波形頻率的調(diào)節(jié)的控制方法。另一方面是在不需要非常大、笨重和昂貴的零件和零部件的情況下提供用于FPSE里面的活塞和/或壓氣活塞控制的方法。本發(fā)明的控制系統(tǒng)的優(yōu)選形式包括各種不同的實(shí)施方案。一個(gè)這樣的實(shí)施方案包括接在直線交流發(fā)電機(jī)/FPSE發(fā)電裝置中的交流發(fā)電機(jī)的接線端和用戶電氣負(fù)載之間的可控制功率的電子裝置的使用。這套裝置起同步大功率變換器(“SPC”)的作用，以致它能在強(qiáng)行制約交流發(fā)電機(jī)接線端電壓的振幅和頻率的同時(shí)通過把交流發(fā)電機(jī)功率轉(zhuǎn)移給電負(fù)載吸收交流發(fā)電機(jī)功率。依照本發(fā)明的教導(dǎo)，系統(tǒng)控制通常是用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)實(shí)現(xiàn)的，而且該大功率電子裝置使同一有利的交流發(fā)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)操作條件能夠借助和大輸電網(wǎng)的連接獲得，而且有可幾乎同時(shí)控制電壓振幅和頻率的附加利益。此外，依照本發(fā)明的FPSE/LA系統(tǒng)可以作為獨(dú)立的發(fā)電裝置操作，不需要與輸電網(wǎng)連接。本發(fā)明的SPC包括諸如可充電電池之類的儲(chǔ)能元件，以適應(yīng)短暫的負(fù)載變化。此外，因?yàn)镾PC是雙向的，所以該儲(chǔ)能元件可以用來(lái)把功率暫時(shí)遞送給交流發(fā)電機(jī)，以致它可以作為電動(dòng)機(jī)操作，幫助FPSE開始運(yùn)行。依照本發(fā)明的教導(dǎo)，SPC是嵌入便攜的或固定的FPSE/LA發(fā)電裝置保證系統(tǒng)里面的活塞和壓氣活塞行程范圍保持在設(shè)計(jì)極限之內(nèi)的可控制的大功率電子組件。這通常是通過能夠調(diào)節(jié)直線交流發(fā)電機(jī)的接線端的電壓振幅和波形頻率兩者的系統(tǒng)和方法實(shí)現(xiàn)的。通過控制這些操作方面，與FPSE中的活塞和壓氣活塞相關(guān)聯(lián)的速度和行程范圍都可以受到控制。在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明的系統(tǒng)允許確定關(guān)于附著在直線交流發(fā)電機(jī)的接線端的SPC的電能的出處和去處。在一些操作特性之下，SPC有電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的能力，在這種情況下它把來(lái)自電池或其它能量?jī)?chǔ)存裝置的功率提供給交流發(fā)電機(jī)作為啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)操作它，而在其它的操作特性之下，SPC吸收功率而且把它遞送給用戶負(fù)載或者把它儲(chǔ)存在諸如電池之類的存儲(chǔ)裝置中。本發(fā)明進(jìn)一步包括用來(lái)控制FPSE/LA系統(tǒng)的操作(并且具體地說是用來(lái)控制操作期間活塞和壓氣活塞的行程范圍)的方法。該方法要求把上述的SPC連接到交流發(fā)電機(jī)的接線端和電氣負(fù)載的接線端之間而且控制在接線端與電壓振幅和頻率兩者有關(guān)的電壓波形。通過堅(jiān)持關(guān)于交流發(fā)電機(jī)的這些控制，發(fā)動(dòng)機(jī)操作能受到控制，以致活塞和壓氣活塞行程范圍能被維持在系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)定的限度之內(nèi)。依照上述內(nèi)容，提供一種用于自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)，所述的自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)有動(dòng)力活塞，所述的控制系統(tǒng)包括a)與所述的動(dòng)力活塞機(jī)械連接的電磁換能器；以及b)與所述的電磁換能器電氣連接的可控制的振蕩功率系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠把功率遞送給該電磁換能器或接受來(lái)自該電磁換能器的功率，同時(shí)強(qiáng)行制約在電磁換能器接線端電壓的規(guī)定振幅和規(guī)定頻率。另外提供一種自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電裝置，其中包括a)動(dòng)力活塞；b)與所述的動(dòng)力活塞機(jī)械連接的電磁換能器；以及
c)與所述的電磁換能器電氣連接的可控制的振蕩功率系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠把功率遞送給該電磁換能器或接受來(lái)自該電磁換能器的功率，同時(shí)強(qiáng)行制約在電磁換能器接線端電壓的規(guī)定振幅和規(guī)定頻率。此外，提供一種控制有驅(qū)動(dòng)電磁換能器的動(dòng)力活塞的自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，該方法包括下述步驟a)選擇最佳的發(fā)動(dòng)機(jī)振蕩頻率和活塞位移；以及b)使用振蕩功率系統(tǒng)通過強(qiáng)行制約所述電磁換能器的接線端電壓的振幅和頻率強(qiáng)迫所述的動(dòng)力活塞按照所述的選定的頻率和位移操作。此外，提供一種用于有驅(qū)動(dòng)電磁換能器的動(dòng)力活塞的受控的自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的控制方法，該方法包括下述步驟a)通過使用強(qiáng)行制約所述電磁換能器輸出端電壓的頻率的振蕩功率系統(tǒng)強(qiáng)行制約動(dòng)力活塞的振動(dòng)頻率；b)測(cè)定所述動(dòng)力活塞的位移；以及c)調(diào)節(jié)受振蕩功率系統(tǒng)強(qiáng)行制約的電磁換能器接線端電壓的振幅建立預(yù)期的動(dòng)力活塞位移。如同下面將進(jìn)一步詳細(xì)地描述和熟悉這項(xiàng)技術(shù)的人將會(huì)理解的那樣，本發(fā)明的其它的實(shí)施方案也是可能的。現(xiàn)在參照僅僅作為例子給出的本發(fā)明的優(yōu)選形式和附圖，將更詳細(xì)地描述本發(fā)明，在這些附圖中圖1示出了技術(shù)上已知的FPSE/LA系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)；圖2是一組示范依照本發(fā)明的教導(dǎo)，通過強(qiáng)行制約交流發(fā)電機(jī)接線端電壓的振幅和頻率控制活塞位移的曲線圖；圖3是依照其一個(gè)實(shí)施方案舉例說明本發(fā)明的控制和功率系統(tǒng)的方框圖；圖4是依照其另一個(gè)實(shí)施方案舉例說明本發(fā)明的控制和功率系統(tǒng)的方框圖；圖5是更具體地舉例說明依照本發(fā)明的圖4所示實(shí)施方案的控制和功率系統(tǒng)的電路系統(tǒng)的電路圖；圖6是形成圖5所示電路圖中的開關(guān)的MOSFET裝置的例證；圖7(a)和7(b)是包括一組依照本發(fā)明的實(shí)施方案舉例說明PWM時(shí)間安排的波形的曲線圖。現(xiàn)在介紹圖1-7舉例說明的實(shí)施方案，其中相似的數(shù)字用來(lái)處處指定相似的部份。依照本發(fā)明的教導(dǎo)，“SPC”接在FPSE/LA功率系統(tǒng)的交流發(fā)電機(jī)和電氣負(fù)載的接線端之間?？梢詰?yīng)用本發(fā)明的教導(dǎo)的FPSE/LA功率系統(tǒng)的交流發(fā)電機(jī)可以是任何直線交流發(fā)電機(jī)，包括，舉例來(lái)說，圖1描繪的直線交流發(fā)電機(jī)。其它配置和類型的直線交流發(fā)電機(jī)也可以使用。通過使用SPC在交流發(fā)電機(jī)接線端控制電壓振幅和波形頻率，F(xiàn)PSE活塞位移能被控制在預(yù)期的操作范圍之內(nèi)。就說明這些的目的而言以及如同熟悉這項(xiàng)技術(shù)的人將很容易理解的那樣，僅僅討論活塞行程范圍。在FPSE的情況下，控制活塞行程范圍、壓氣活塞行程范圍能作為這些FPSE元素的操作特性交叉耦合的結(jié)果同樣受到控制。盡管討論如同提到的那樣局限于活塞控制，但是熟悉這項(xiàng)技術(shù)的人將很容易理解，本發(fā)明的教導(dǎo)很容易適應(yīng)把壓氣活塞行程范圍直接控制在限定范圍內(nèi)。在描述本發(fā)明的系統(tǒng)和方法之前，結(jié)合圖2簡(jiǎn)單明了地討論經(jīng)由交流發(fā)電機(jī)接線端電壓振幅和頻率的強(qiáng)行制約的活塞控制特性。如同熟悉這項(xiàng)技術(shù)的人將會(huì)認(rèn)識(shí)到的那樣，圖2中的曲線圖表明活塞位移Xp能通過強(qiáng)行制約交流發(fā)電機(jī)接線端電壓振幅Va受到控制。除此之外，圖2進(jìn)一步示出活塞位移Xp在標(biāo)準(zhǔn)化的電壓大小Va接近每單位1.0(pu)的時(shí)候?qū)﹄妷侯l率的控制也是非常敏感的。圖2中頂部的曲線圖示出在若干標(biāo)準(zhǔn)化的電壓頻率下活塞位移和交流發(fā)電機(jī)接線端電壓振幅之間的關(guān)系的各種不同的曲線，而圖2中底部的曲線圖示出在若干標(biāo)準(zhǔn)化的電壓振幅下活塞位移和交流發(fā)電機(jī)接線端電壓頻率之間的關(guān)系的各種不同的曲線。這些曲線是借助MathCAD和MicroCAP SPICE之類的工具通過使用數(shù)字分析技術(shù)建立FPSE/LA行為模型產(chǎn)生的。這些工具可以而且已被用來(lái)預(yù)測(cè)FPSE/LA系統(tǒng)在特定的操作條件下的動(dòng)態(tài)性能。具體地說，可適用方程的解和在圖2中顯示的結(jié)果是使用從數(shù)學(xué)軟件(MathSoft)得到的MathCAD 2001i通用計(jì)算工具獲得的。人們應(yīng)該注意到在該分析中固有的“等溫模型”以下述簡(jiǎn)化假設(shè)為基礎(chǔ)，即，各種不同的發(fā)動(dòng)機(jī)體積在固定的溫度下操作。諸如由模型提供的活塞位移和交流發(fā)電機(jī)輸出功率之類的有關(guān)參數(shù)的估計(jì)大體上與原型結(jié)果一致，并且為了證明與本發(fā)明的系統(tǒng)和方法相關(guān)聯(lián)的特性，被看作是足夠精確的模型。首先參照在圖2的頂部的曲線圖，人們能見到在所有測(cè)試電壓頻率(標(biāo)準(zhǔn)化的頻率0.95、0.98、1.00和1.03)下，在標(biāo)準(zhǔn)化的活塞振幅和標(biāo)準(zhǔn)化的交流發(fā)電機(jī)接線端外加電壓振幅之間是一種接近線性的關(guān)系。作為這種關(guān)系的結(jié)果，而且使用在此討論的控制技術(shù)，活塞位移能在特定的操作環(huán)境需要時(shí)使用SPC通過規(guī)定交流發(fā)電機(jī)接線端的電壓振幅得以控制。類似地，在圖2的底部的曲線圖表明在測(cè)試電壓振幅(標(biāo)準(zhǔn)化的電壓0.6、0.8和大約0.9)下，標(biāo)準(zhǔn)化的活塞位移在標(biāo)準(zhǔn)化電壓振幅接近1.0的時(shí)候可控制地變成響應(yīng)于頻率變化。給定這種關(guān)系，而且通過施加這樣的電壓振幅，人們能見到強(qiáng)行制約交流發(fā)電機(jī)接線端電壓頻率也能有效地穩(wěn)定或控制活塞位移?，F(xiàn)在參照?qǐng)D3，描述的是與依照本發(fā)明的教導(dǎo)的FPSE/LA系統(tǒng)的直線交流發(fā)電機(jī)60連接的SPC元器件100的方框圖。在圖3中展示的并結(jié)合圖3描述的實(shí)施方案代表并非特別適合產(chǎn)品推廣應(yīng)用而主要是為了測(cè)試用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的可仿效的實(shí)施方案。這主要是因?yàn)樵诒景l(fā)明的這個(gè)實(shí)施方案中沒有存儲(chǔ)裝置和輸電網(wǎng)供電的實(shí)驗(yàn)室裝置被用來(lái)模擬SPC的操作。如同熟悉這項(xiàng)技術(shù)的人將會(huì)理解的那樣，SPC 100的電路和元器件可能裝在一個(gè)盒子或其它的外殼里面。優(yōu)選的是，外部接線端連接在外殼上是可用的，以允許很容易把交流發(fā)電機(jī)60的接線端與SPC 100連接起來(lái)和斷開。如同前面間接提到的和下面將進(jìn)一步詳細(xì)討論的那樣，SPC 100是為具有電動(dòng)機(jī)(電源)模式和發(fā)電機(jī)(吸能器)模式兩種模式的功能設(shè)計(jì)的。除此之外，SPC 100提供電源和控制功能，共同地用來(lái)維持穩(wěn)定的發(fā)動(dòng)機(jī)操作，尤其是在限制活塞行程范圍方面。在電動(dòng)機(jī)模式中，SPC 100給FPSE/LA系統(tǒng)供電。在這個(gè)實(shí)施方案中，因?yàn)闆]有存儲(chǔ)裝置，電動(dòng)機(jī)模式功率是由頻率/振幅可變的電源110提供的。這個(gè)模式通?？梢杂脕?lái)啟動(dòng)FPSE，也可以在短暫的加載事件期間提高發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性。盡管本實(shí)施方案不包括存儲(chǔ)裝置，但是在可展開的系統(tǒng)中，SPC 100內(nèi)的優(yōu)選存儲(chǔ)裝置是電池，雖然也可以使用其它能夠儲(chǔ)存電能的元器件。例子不受限制地包括調(diào)速輪裝置、超級(jí)電容器或任何能夠吸收和附加地在需要時(shí)提供電能的其它裝置。另一方面，當(dāng)在作為SPC 100的典型的操作條件的發(fā)電機(jī)模式中，交流發(fā)電機(jī)60把電能供應(yīng)給SPC 100，后者把能量遞送給被連接的用戶負(fù)載和/或把能量?jī)?chǔ)存在上述的存儲(chǔ)裝置中。從電動(dòng)機(jī)模式向發(fā)電機(jī)模式的轉(zhuǎn)變(例如，在啟動(dòng)期間)發(fā)生在與活塞驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)相反發(fā)動(dòng)機(jī)開始驅(qū)動(dòng)活塞之時(shí)。此時(shí)，電流開始流進(jìn)SPC 100，在與接線端電壓的相位關(guān)系中對(duì)應(yīng)于交流發(fā)電機(jī)60功率輸出，與電流從SPC 100中流出然后進(jìn)入交流發(fā)電機(jī)60相反。電流方向的改變起因于在該模式轉(zhuǎn)變點(diǎn)，作為發(fā)動(dòng)機(jī)操作的結(jié)果交流發(fā)電機(jī)60所產(chǎn)生的內(nèi)電壓超過交流發(fā)電機(jī)內(nèi)阻抗下降和用SPC 100維持的接線端電壓之和這一事實(shí)。如同熟悉這項(xiàng)技術(shù)的人將會(huì)理解的那樣，為了使交流發(fā)電機(jī)內(nèi)電壓到達(dá)電流流進(jìn)SPC 100的那個(gè)點(diǎn)，活塞18和耦合的交流發(fā)電機(jī)原動(dòng)機(jī)必須獲得等于弧度頻率和峰值位移的乘積的峰值線性速度，這將感生足以克服交流發(fā)電機(jī)電樞線圈22的內(nèi)阻抗和在交流發(fā)電機(jī)電樞線圈接線端的電勢(shì)兩者的內(nèi)電壓。因?yàn)榛钊?8的速度和交流發(fā)電機(jī)60產(chǎn)生的內(nèi)電壓名義上是成比例的，所以通過控制交流發(fā)電機(jī)60的接線端在特定頻率下的電壓，活塞18的運(yùn)動(dòng)在速度和行程范圍兩個(gè)方面依照本發(fā)明的教導(dǎo)能得到控制。舉例來(lái)說，如果從給定的穩(wěn)定操作點(diǎn)開始，SPC強(qiáng)行制約的交流發(fā)電機(jī)接線端電壓振幅被逐漸增加，那么這個(gè)電壓和內(nèi)電壓振幅之間的差將會(huì)不斷地減少。作為結(jié)果，交流發(fā)電機(jī)電流和這個(gè)電流造成的原動(dòng)機(jī)的反作用力也將減少。在施加在動(dòng)力活塞上的原動(dòng)機(jī)反作用力比較小的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)振蕩壓力波將遇到較小的阻力并且傾向于增加活塞和原動(dòng)機(jī)的位移并因此增加所產(chǎn)生的內(nèi)電壓。因此，人們將會(huì)理解交流發(fā)電機(jī)接線端電壓的強(qiáng)制增加將導(dǎo)致逐漸增加活塞行程范圍。通過類似的推論，人們將會(huì)理解逐漸減少交流發(fā)電機(jī)接線端電壓振幅將導(dǎo)致減少活塞行程范圍。重要的是注意用SPC強(qiáng)行制約交流發(fā)電機(jī)接線端電壓的頻率和振幅使FPSE/LA系統(tǒng)以幾乎與傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的同步發(fā)電機(jī)將與諸如國(guó)家輸電網(wǎng)之類較大的供電系統(tǒng)同步相同的方式與SPC同步。FPSE/LA的同步通過在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)FPSE之時(shí)開始操作交流發(fā)電機(jī)將很容易實(shí)現(xiàn)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度足以產(chǎn)生振幅足以克服內(nèi)在的系統(tǒng)損失的活塞驅(qū)動(dòng)的振蕩壓力波的時(shí)候，交流發(fā)電機(jī)的電動(dòng)機(jī)模式電流將會(huì)減少到零，然后按照交流發(fā)電機(jī)方向增大，沒有與SPC強(qiáng)行制約電壓同步的損失。如果當(dāng)SPC被接到交流發(fā)電機(jī)接線端上的時(shí)候FPSE工作流體(氣體)已經(jīng)在工作溫度下，那么只有短暫的瞬間電動(dòng)機(jī)-模式電流流動(dòng)以啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)振蕩而且發(fā)電機(jī)模式的操作在其后立刻跟著發(fā)生。回到圖3舉例說明的特定的實(shí)施方案，SPC 100包括若干功能性元器件。電源110提供可控制頻率和振幅的單相交流功率。在這個(gè)實(shí)施方案中，電源110不能吸收FPSE/LA產(chǎn)生的功率。為了模擬這種用于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試目的的能力，鎮(zhèn)流器負(fù)載140與電源110的輸出端并聯(lián)。電源110維持鎮(zhèn)流器負(fù)載140兩端的電壓恒定不變，并因此使遞送給這個(gè)負(fù)載的功率保持固定，例如，在102公斤米/秒(1000瓦)的數(shù)值。如同在圖3中可以見到的那樣，可調(diào)自耦變壓器120的輸入端也被跨接在電源110的輸出端上，而且在這個(gè)變壓器的輸出抽頭上的可調(diào)節(jié)的電壓強(qiáng)行制約在交流發(fā)電機(jī)60和串聯(lián)的功率因子校正電容器130的接線端的電壓。當(dāng)交流發(fā)電機(jī)接受功率(例如，為了啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī))(例如，10.2公斤米/秒(100W))的時(shí)候，電源110提供的總功率是供應(yīng)給鎮(zhèn)流器負(fù)載140的功率和供應(yīng)給充當(dāng)電動(dòng)機(jī)的交流發(fā)電機(jī)的功率之和，并因此從102.0公斤米/秒增加到112.2公斤米/秒(從1000瓦增加到1100瓦)。當(dāng)用FPSE驅(qū)動(dòng)的交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生功率(例如，51公斤米/秒(500W))的時(shí)候，它向鎮(zhèn)流器負(fù)載140流動(dòng)，并因此電源110上的負(fù)載被減少這個(gè)數(shù)量，從102公斤米/秒減少到51公斤米/秒(從1000瓦減少到500瓦)。這樣，提供給鎮(zhèn)流器140的功率不管交流發(fā)電機(jī)60究竟是功率來(lái)源還是需要功率都保持恒定不變?；谏鲜鰞?nèi)容，優(yōu)選的是鎮(zhèn)流器140被設(shè)計(jì)成能應(yīng)付稍微高于最大發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的功率最大值。因此，人們將會(huì)理解電源和鎮(zhèn)流器負(fù)載的組合適合模擬SPC的可展開的實(shí)施方案的供應(yīng)/吸收功率的功能性。依照本發(fā)明的教導(dǎo)，電源110是為了維持進(jìn)入鎮(zhèn)流器負(fù)載140的功率的恒定水平而操作的。這是通過維持鎮(zhèn)流器負(fù)載140的接線端的電壓振幅恒定不變實(shí)現(xiàn)的。這個(gè)實(shí)施方案的鎮(zhèn)流器負(fù)載140可以是，舉例來(lái)說，技術(shù)上已知的能夠依據(jù)特定時(shí)間的能量吸收需求對(duì)不同水平的電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)的大的電阻網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)在再一次參照?qǐng)D3，討論在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中SPC 100的組成和它們彼此之間的關(guān)系。依照前面的討論，SPC 100的功能是提供一種能在需要時(shí)從交流發(fā)電機(jī)60吸收功率或把功率供應(yīng)給交流發(fā)電機(jī)60同時(shí)依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件強(qiáng)行制約交流發(fā)電機(jī)60的規(guī)定的接線端電壓振幅和頻率的系統(tǒng)。電源110是為了在鎮(zhèn)流器負(fù)載140兩端供應(yīng)恒定不變的電壓Vs而安排的。這產(chǎn)生供應(yīng)給鎮(zhèn)流器負(fù)載140的功率為PL的平均供給功率Ps。電源110也是為了供應(yīng)頻率可調(diào)的可調(diào)節(jié)的電壓振幅而選定的，這將在此進(jìn)一步討論。電源110是為單向操作而配置的而且也可以把功率供應(yīng)給鎮(zhèn)流器140或交流發(fā)電機(jī)60，但是電源110不能吸收功率。變壓比可變的自耦變壓器120位于與鎮(zhèn)流器負(fù)載140和電源110兩者并聯(lián)的位置。變壓比可變的自耦變壓器120允許調(diào)節(jié)交流發(fā)電機(jī)接線端電壓振幅同時(shí)維持鎮(zhèn)流器140兩端恒定不變的電壓振幅。當(dāng)鎮(zhèn)流器負(fù)載電壓保持恒定不變的時(shí)候，可以在操作期間手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)節(jié)變壓比可變的自耦變壓器120以便控制交流發(fā)電機(jī)60的接線端電壓振幅。交流發(fā)電機(jī)輸入/輸出功率PA被變壓比可變的自耦變壓器120接受或遞送，功率在正常操作期間流入自耦變壓器120，而在諸如啟動(dòng)期間之類特定的時(shí)刻從自耦變壓器120中流出。交流發(fā)電機(jī)輸入/輸出功率PA導(dǎo)致流入或流出交流發(fā)電機(jī)60的電流IA和橫跨交流發(fā)電機(jī)60的接線端的電壓VA。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，大約200到500微法的功率因子電容器130可以被放在變壓比可變的自耦變壓器120和交流發(fā)電機(jī)60之間以便補(bǔ)償交流發(fā)電機(jī)60的內(nèi)感抗。使用上述的SPC系統(tǒng)模型，活塞行程能通過改變出現(xiàn)在交流發(fā)電機(jī)60的接線端的電壓振幅或電壓波形頻率兩者或其中之一得到控制。盡管強(qiáng)行制約頻率在固定值的電壓振幅控制通常是最有效的控制活塞行程的方法，然而在正常的活塞行程范圍界限已被違反或者另一種非典型的條件出現(xiàn)的時(shí)候，基于頻率的控制可以被使用而且在恢復(fù)范圍內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)操作特性方面可能特別有益。舉例來(lái)說，在啟動(dòng)期間，氣體溫度和由此產(chǎn)生的氣體壓力都比較低，因此，靠活塞上的氣動(dòng)作用實(shí)現(xiàn)的彈簧剛度也比較低。本發(fā)明可以被用來(lái)允許發(fā)動(dòng)機(jī)在啟始期間在這種比較低的頻率下操作并且隨著發(fā)動(dòng)機(jī)升溫逐漸提高工作頻率。請(qǐng)注意，已經(jīng)結(jié)合本發(fā)明的可仿效實(shí)驗(yàn)室實(shí)施方案提供了本發(fā)明的系統(tǒng)和方法的一般綜述，下面提供關(guān)于基于本發(fā)明的教導(dǎo)更容易展開的實(shí)施方案的討論?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖4，該圖依照優(yōu)選實(shí)施方案提供本發(fā)明的系統(tǒng)的主要元器件的方框圖。從該圖左邊開始，交流發(fā)電機(jī)260經(jīng)由交流發(fā)電機(jī)接線端電氣連接到交流/直流功率雙向轉(zhuǎn)換器210上。如上所述，電流能如同交流/直流功率轉(zhuǎn)換器210控制的那樣要么流進(jìn)交流發(fā)電機(jī)260要么從交流發(fā)電機(jī)260流出。如同下面進(jìn)一步詳細(xì)討論的那樣，交流/交流功率轉(zhuǎn)換器210由若干元器件組成。舉例來(lái)說，在優(yōu)選的實(shí)施方案中，交流/直流功率轉(zhuǎn)換器210包括一組按照“H-電橋”布局安排的四個(gè)開關(guān)，它們被用來(lái)以諸如在交流發(fā)電機(jī)接線端產(chǎn)生頻率和振幅可控制的有效正弦電壓之類的脈寬調(diào)制方式有選擇地把交流發(fā)電機(jī)260的接線端與直流鏈路202相連接。除此之外，交流/直流功率轉(zhuǎn)換器210包括接在直流鏈路202的接線端之間的直流鏈路電容器。交流/直流功率轉(zhuǎn)換器210進(jìn)一步包括若干用來(lái)測(cè)知電流和電壓的傳感器，例如，用來(lái)測(cè)知直流鏈路202兩端電壓的電壓傳感器、用來(lái)測(cè)知流入或流出交流發(fā)電機(jī)260的電流的電流傳感器和用來(lái)測(cè)知交流發(fā)電機(jī)260兩端電壓的電壓傳感器。交流/直流功率轉(zhuǎn)換器210還包括優(yōu)選作為用來(lái)控制交流/直流功率轉(zhuǎn)換器210的全部操作的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)集成電路實(shí)現(xiàn)的控制處理器。關(guān)于交流/直流功率轉(zhuǎn)換器210的元器件和操作的更多的細(xì)節(jié)由下面結(jié)合圖5提供。在本發(fā)明的系統(tǒng)中依照其優(yōu)選實(shí)施方案還包括分別用于電池組215的充電和放電的降壓轉(zhuǎn)換器220和升壓轉(zhuǎn)換器230。降壓轉(zhuǎn)換器220包括(轉(zhuǎn)換器220和230兩者共享的)降壓/升壓電感元器件和一對(duì)MOSFET(轉(zhuǎn)換器220和230兩者共享的)。當(dāng)電池組215充電的時(shí)候，兩個(gè)MOSFET之一被轉(zhuǎn)換成脈寬調(diào)制方式，而且另一個(gè)不變。未被切換的MOSFET提供本征二極管功能。在電池組215放電期間，因?yàn)槭苌龎恨D(zhuǎn)換器230控制，情況恰恰相反。在這種情況下，被切換的和未被切換的MOSFET都被顛倒作為提供本征二極管功能的MOSFET。關(guān)于經(jīng)由降壓轉(zhuǎn)換器220和升壓轉(zhuǎn)換器230的充電和放電功能的進(jìn)一步的細(xì)節(jié)描述在下面提供。用圖4所示方框圖舉例說明的本發(fā)明的系統(tǒng)的另外一個(gè)可能的方面是直流/交流變換器270，它把從直流鏈路202吸收的直流功率轉(zhuǎn)換成固定頻率(例如，50、60或400Hz)的交流功率，以供在標(biāo)準(zhǔn)電壓(例如，120Vrms，60Hz)下操作的交流負(fù)載290使用。變換器270可以基于電池充電狀態(tài)的充分程度被控制到有選擇地操作。以這種方式，對(duì)用戶連接的交流負(fù)載的連接可以被有選擇地推遲，直到電池組215或另一個(gè)存儲(chǔ)裝置有滿足預(yù)定的閾值的充電水平。類似地，當(dāng)給直流負(fù)載供電的時(shí)候，例如，在汽車的12VDC應(yīng)用中，直流/直流降壓轉(zhuǎn)換器280能用來(lái)逐步降低和調(diào)節(jié)所需要的直流輸出電壓。舉例來(lái)說，在直流鏈路202上的電壓可以大約為100VDC或200VDC或更高，而且能在需要時(shí)經(jīng)由直流/直流降壓轉(zhuǎn)換器280被逐步降低到12VDC?，F(xiàn)在因?yàn)橐呀?jīng)依照優(yōu)選的實(shí)施方案提供了本發(fā)明的元器件的一般綜述，所以現(xiàn)在將特定的電路和相關(guān)的功能性更詳細(xì)地描述如下。依照結(jié)合圖4一般討論過而且現(xiàn)在結(jié)合圖5更具體地討論的實(shí)施方案，圖3討論的電路的基本特征被使用，而且增加了附加元器件，包括有給電子裝置供電功能的存儲(chǔ)元器件和自動(dòng)控制。關(guān)于這個(gè)實(shí)施方案，交流發(fā)電機(jī)接線端306通過在系統(tǒng)頻率fs下，通過由切換裝置335、345、355和365構(gòu)成的轉(zhuǎn)換電橋，并以與可控制的連接工作循環(huán)一致的方式被交替地首先與直流鏈路的正接線端302連接，然后與直流鏈路的負(fù)接線端304連接。同時(shí)，在與交流發(fā)電機(jī)接線端306的切換的同步中，交流發(fā)電機(jī)接線端308被交替地首先與直流鏈路的負(fù)接線端304連接，然后與直流鏈路的正接線端302連接。直流鏈路的接線端302和304形成給變換器的直流輸入，盡管該變換器由直流鏈路202供應(yīng)的直流功率按照標(biāo)準(zhǔn)的固定的負(fù)載工作頻率(例如，50、60或400Hz)和標(biāo)準(zhǔn)電壓(例如，120Vrms)被轉(zhuǎn)換成交流功率，或者經(jīng)由變換器或直流/直流轉(zhuǎn)換器322被轉(zhuǎn)換成逐步降低的直流電壓.變換器和/或直流/直流轉(zhuǎn)換器322可以在需要時(shí)受(下面討論的)DSP 400控制。變換器和/或直流/直流轉(zhuǎn)換器322被直接連接到一個(gè)或多個(gè)用戶交流和/或直流負(fù)載324上。圖5是單一交流發(fā)電機(jī)與本發(fā)明的SPC連接時(shí)的例證。雖然未展示，但是該系統(tǒng)可能被這樣交替地構(gòu)成，以致不止一個(gè)交流發(fā)電機(jī)可能如同圖5舉例說明的那樣受單一SPC控制。在這種情況下，每個(gè)這樣的交流發(fā)電機(jī)以與圖5對(duì)一個(gè)交流發(fā)電機(jī)舉例說明的方式相同的方式與直流鏈路的接線端302和304并聯(lián)。另一個(gè)替代方案是多個(gè)交流發(fā)電機(jī)與單一的切換電橋(例如，下面要描述的電橋)串聯(lián)。另一方面，單一的切換電橋可能與每個(gè)交流發(fā)電機(jī)相關(guān)聯(lián)，所有的電橋?qū)?huì)與共用的直流鏈路連接?，F(xiàn)在回到圖5而且在那張圖中從左向右討論，人們能見到，交流發(fā)電機(jī)與功率和控制系統(tǒng)這樣連接，以致交流發(fā)電機(jī)的接線端A和B經(jīng)由串聯(lián)的功率因子校正電容器Cpfc330和電流傳感器312與H-電橋的節(jié)點(diǎn)C和D連接。如圖所示以及如同前面討論過的那樣，交流發(fā)電機(jī)已經(jīng)與其內(nèi)電壓Vint390，內(nèi)電感La和內(nèi)電阻Ra相關(guān)聯(lián)。電壓傳感器314是為了在交流發(fā)電機(jī)接線端A和B監(jiān)測(cè)交流發(fā)電機(jī)接線端電壓Va而提供的。電流傳感器312是為了監(jiān)測(cè)流進(jìn)或流出交流發(fā)電機(jī)的電流Ialt而提供的。使用圖5所示的單向開關(guān)S1335，S2355，S3345和S4來(lái)實(shí)現(xiàn)的H-電橋是優(yōu)選實(shí)例。每個(gè)單向開關(guān)由單一的MOSFET組成。MOSFET的詳細(xì)視圖是在圖6中提供的。依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，MOSFET包括國(guó)際整流器(International Rectifier)IRFP260N器件或類似的MOSFET，其電壓和電流的額定值適合調(diào)節(jié)交流發(fā)電機(jī)的額定功率和有利于與直流鏈路連接的其它功率轉(zhuǎn)換電路的低成本實(shí)現(xiàn)和有效操作的直流鏈路電壓。這些考慮在技術(shù)上是眾所周知的。隔離柵雙極晶體管(IGBTs)可以作為替代用來(lái)實(shí)現(xiàn)H-電橋開關(guān)而且可以是為功率較高的應(yīng)用(例如，2549公斤米/秒(25千瓦))優(yōu)選的，因?yàn)樗鼈兣c電壓、電流和功率的額定值適當(dāng)?shù)腗OSFET相比可以提供較低的傳導(dǎo)損失。此外，在非常高的功率水平(例如，10197公斤米/秒(100千瓦))，電壓、電流和功率的額定值適當(dāng)?shù)腗OSFET可能是沒有的。然而，因?yàn)镮GBT器件不提供MOSFET內(nèi)在的反向二極管功能，所以外部的二極管器件必須安裝在與每個(gè)IGBT器件并聯(lián)的支路中，該二極管的陰極與IGBT的集電極接線端連接，而該二極管的陽(yáng)極與IGBT的發(fā)射極接線端連接。類似地，任何能夠提供與MOSFET或IGBT開關(guān)和內(nèi)在的或分開的反向二極管類似的功能，并且在大約5kHz或更高的載波頻率下支持脈寬調(diào)制操作的其它開關(guān)器件都能被使用，包括本身可以提供雙向的傳導(dǎo)和阻斷的器件。作為例子，在替代實(shí)施方案中，H-電橋開關(guān)可以是雙向的并且由在它們的源極接線端背靠背連接的兩個(gè)MOSFET組成。為了其余的討論，將假定使用圖6所示的單一的單向MOSFET器件。用單向開關(guān)形成的H-電橋有選擇地允許電流流進(jìn)入或流出交流發(fā)電機(jī)，取決于特定的開關(guān)連接配置和交流發(fā)電機(jī)的內(nèi)電壓和接線端電壓的振幅。FPSE/LA系統(tǒng)的振蕩將自動(dòng)地與SPC同步，因此交流發(fā)電機(jī)內(nèi)電壓的頻率和在其接線端的頻率總是相同的。人們從圖5能見到，開關(guān)S1335和S4365是成對(duì)的，以致這些開關(guān)要么兩者都是“開(ON)”，要么兩者都是“關(guān)(OFF)”。同樣的事情適用于S2355和S3345開關(guān)對(duì)。開關(guān)對(duì)S1-S4和開關(guān)對(duì)S2-S3的傳導(dǎo)工作周期是受技術(shù)上廣為人知的脈寬調(diào)制(PWM)裝置控制的，以致在交流發(fā)電機(jī)接線端產(chǎn)生的有效電壓波形是頻率和振幅可控制的正弦曲線。為了實(shí)現(xiàn)保真度可接受的有效正弦電壓，PWM切換或載波頻率有大約30倍于交流發(fā)電機(jī)接線端電壓的最高基本頻率的最小值。在這點(diǎn)上，為了使MOSFET切換損失最小，希望使用最低的PWM載波頻率提供適當(dāng)?shù)碾妷翰ㄐ伪Ｕ娑取Ｈ藗儜?yīng)該注意到，交流發(fā)電機(jī)的電感將會(huì)抑制或許以別的方式受PWM合成的非理想的正弦電壓的諧波成份驅(qū)動(dòng)的電流成份的流動(dòng)。因?yàn)榻涣靼l(fā)電機(jī)電流而不是接線端電壓的畸變對(duì)于FPSE/LA性能(尤其是振動(dòng)和損失)將會(huì)產(chǎn)生較大的影響，所以在考慮到載波頻率和隨之發(fā)生的MOSFET切換損失低的利益時(shí)，交流發(fā)電機(jī)接線端電壓適度的畸變是可接受的。如同技術(shù)上眾所周知的那樣，合成的交流發(fā)電機(jī)接線端電壓的有效振幅是受PWM工作周期瞬時(shí)控制的。為了實(shí)現(xiàn)名義上的正弦波形，工作周期是以預(yù)期的接線端電壓頻率依照正弦曲線調(diào)制指令樣板改變的。此外，為了控制合成的交流發(fā)電機(jī)有效電壓的振幅，正弦曲線指令樣板可以在需要時(shí)依比例縮放。以將會(huì)產(chǎn)生預(yù)期的交流發(fā)電機(jī)接線端正弦有效電壓的方式控制H-電橋開關(guān)所需要的PWM信號(hào)可以是用一些技術(shù)上廣為人知的方法產(chǎn)生的。一種這樣的方法是“正弦-三角形”法，其中在交流發(fā)電機(jī)接線端電壓的所預(yù)期的頻率下，并被適當(dāng)依比例決定以產(chǎn)生預(yù)期的交流發(fā)電機(jī)接線端電壓振幅的正弦曲線樣板信號(hào)是與在PWM載波頻率下的三角形波形相比較的。當(dāng)三角形載波的振幅超過樣板的振幅的時(shí)候，二進(jìn)制PWM信號(hào)狀態(tài)被切換(例如，從門控驅(qū)動(dòng)“開”到門控驅(qū)動(dòng)“關(guān)”)。當(dāng)三角形載波振幅重新回到樣板振幅以下的時(shí)候，PWM信號(hào)狀態(tài)被切換到先前的狀態(tài)(例如，從門控驅(qū)動(dòng)“關(guān)”到門控驅(qū)動(dòng)“開”)。作為替代，必不可少的PWM信號(hào)狀態(tài)可以是用作為數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)器件400的主要部份形成的專門設(shè)計(jì)的反比較器數(shù)字電路確定的。反比較器是有效的DSP外圍設(shè)備，而且它的操作參數(shù)能用控制寄存器位狀態(tài)的狀態(tài)來(lái)配置?？刂萍拇嫫髋渲每梢允峭ㄟ^作為DSP固件的一部份駐留在也可以是DSP芯片400的主要部份的非易失性程序存儲(chǔ)器中的初始化子程序來(lái)建立。在使用TI TMS320LF2406A DSP或功能能力相似的DSP器件的優(yōu)選實(shí)施方案中，初始化子程序配置時(shí)間間隔記數(shù)測(cè)量器控制寄存器用來(lái)產(chǎn)生有優(yōu)選的載波頻率(例如，2.5kHz)的H-電橋開關(guān)PWM的控制信號(hào)。具體地說，反比較器是為作為周期等于PWM載波頻率周期的向上/向下(UP/DOWN)計(jì)數(shù)器操作而優(yōu)選配置的。初始化配置更進(jìn)一步的方面可以包括在每個(gè)PWM載波周期結(jié)束時(shí)產(chǎn)生的中斷。因此在每個(gè)PWM載波周期結(jié)束時(shí)激活的中斷服務(wù)程序(ISR)將會(huì)計(jì)算下一個(gè)PWM周期所需要的工作周期。ISR的一部分產(chǎn)生用從發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)(ECS)收到的頻率設(shè)定點(diǎn)指令410確定的頻率正弦曲線樣板。ECS的功能可以是用DSP或與SPC分開的微型計(jì)算機(jī)單元實(shí)現(xiàn)的，在后一種情況下頻率設(shè)定點(diǎn)指令可以以模擬信號(hào)形式傳達(dá)給SPC DSP，而且可以用也被集成在DSP芯片400內(nèi)的混頻(模擬和數(shù)字)電路提供的十六位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)信道之一讀出。另一方面，分開實(shí)現(xiàn)的ECS可以通過串聯(lián)或并聯(lián)的數(shù)字鏈路把頻率設(shè)定點(diǎn)指令傳達(dá)給SPC DSP。在ECS的功能靠控制SPC的同一DSP實(shí)現(xiàn)的場(chǎng)合，頻率設(shè)定點(diǎn)指令是通過DSP程序里面的數(shù)字方法傳達(dá)的。樣板的振幅是用實(shí)現(xiàn)受ECS指揮的活塞位移所需要的交流發(fā)電機(jī)接線端電壓確定的。與頻率設(shè)定點(diǎn)指令的情況一樣，活塞位移設(shè)定點(diǎn)指令可以用分開的ECS DSP或微型計(jì)算機(jī)產(chǎn)生，并且借助模擬或數(shù)字方法傳達(dá)給SPC DSP。在ECS和SPC的功能靠共用的DSP實(shí)現(xiàn)的場(chǎng)合，活塞位移設(shè)定點(diǎn)是用DSP程序里面的數(shù)字方法傳達(dá)的。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，所需要的電壓振幅是通過把活塞位置傳感器指出的當(dāng)前活塞位置(信號(hào)445)與指定的活塞位移420進(jìn)行比較確定的?；钊恢脗鞲衅餍盘?hào)445是用第三個(gè)ADC信道讀出的。負(fù)責(zé)計(jì)算下一個(gè)PWM工作周期的ISR部分可以通過執(zhí)行下述步驟操作1.讀出交流發(fā)電機(jī)電壓頻率指令的當(dāng)前數(shù)值；2.使用該頻率指令數(shù)值更新UP計(jì)數(shù)器，產(chǎn)生在周期結(jié)束時(shí)復(fù)位到零的單調(diào)遞增的數(shù)值；
3.取出當(dāng)前的計(jì)數(shù)器數(shù)值作為在代表從-180度到180度的正弦曲線相位的-1到1的范圍中的標(biāo)準(zhǔn)化角度的指示，并且計(jì)算這個(gè)角度的正弦的多項(xiàng)式近似值；4.讀出當(dāng)前的ECS活塞位移指令；5.使用由活塞位置傳感器提供的當(dāng)前的活塞位置指示以更新最新峰值活塞位移的當(dāng)前估計(jì)；6.把峰值活塞位移的最新估計(jì)與命令指定的活塞位移進(jìn)行比較并且把由此產(chǎn)生的誤差信號(hào)應(yīng)用于控制系統(tǒng)計(jì)算，更新使誤差最小所需要的交流發(fā)電機(jī)接線端電壓的估計(jì)振幅。為了這個(gè)目的，控制系統(tǒng)計(jì)算可以實(shí)現(xiàn)比例-積分(PI)或比例-積分-微分(PID)控制程序；7.使用剛剛算出的接線端電壓振幅的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值依比例確定在步驟3中算出的正弦數(shù)值；以及8.使用這個(gè)依比例確定后的正弦樣板數(shù)值建立下一個(gè)PWM周期的工作周期。
用數(shù)字比較器把先前描述的向上/向下(UP/DOWN)計(jì)數(shù)器的當(dāng)前數(shù)值與當(dāng)前依比例確定的正弦樣板數(shù)值進(jìn)行比較。當(dāng)計(jì)數(shù)器數(shù)值超過樣板數(shù)值的時(shí)候，相關(guān)聯(lián)的PWM輸出信號(hào)狀態(tài)被改變(例如，門控驅(qū)動(dòng)從“開”(ON)到“關(guān)”(OFF))。當(dāng)計(jì)數(shù)器數(shù)值跌落到樣板數(shù)值以下的時(shí)候，PWM輸出信號(hào)狀態(tài)被恢復(fù)到先前的狀況(例如，門控驅(qū)動(dòng)從“關(guān)”(OFF)到“開”(ON))。向上/向下(UP/DOWN)計(jì)數(shù)器的使用提供已知將減少交流發(fā)電機(jī)接線端合成的有效正弦電壓的諧波內(nèi)容的所謂對(duì)稱的PWM波。能用同一個(gè)DSP反比較器外圍設(shè)備實(shí)現(xiàn)的替代程序使用向上(UP)計(jì)數(shù)器造成不怎么符合需要的不對(duì)稱的PWM波。DSP反比較器的外圍設(shè)備電路也優(yōu)選包括保證在從S1和S4開(ON)向S2和S3開(ON)轉(zhuǎn)變之時(shí)S1和S2或S3和S4不同時(shí)處在開(ON)狀態(tài)的方法。這是通過在所有的開關(guān)都處在OFF狀態(tài)時(shí)，在門控信號(hào)中插入的短暫(例如，2微秒)的“死”或“消隱”的時(shí)間間隔完成的——一種技術(shù)上眾所周知的實(shí)踐。缺乏這種保護(hù)，S1和S2或S3和S4的同時(shí)傳導(dǎo)將會(huì)導(dǎo)致“擊穿”狀態(tài)，其中DC鏈路電壓可能驅(qū)動(dòng)相對(duì)無(wú)限的電流通過這些開關(guān)而且?guī)缀鹾翢o(wú)疑問地使它們出故障。請(qǐng)注意，下面描述的門控驅(qū)動(dòng)器電路也可以提供死的或消隱的時(shí)間間隔。DSP400或門控驅(qū)動(dòng)器或兩者可以用來(lái)防止擊穿危險(xiǎn)。圖7(a)和7(b)是使用關(guān)于應(yīng)用的PWM波形和由此產(chǎn)生的交流發(fā)電機(jī)接線端內(nèi)電壓的SPICE模擬軟件生成的曲線圖。圖7(a)舉例說明高邊710和低邊720的PWM波形，該波形在用來(lái)控制H-電橋開關(guān)時(shí)將產(chǎn)生有效的交流發(fā)電機(jī)接線端電壓。波形730代表所產(chǎn)生的用來(lái)控制工作周期的正弦曲線樣板。圖7(b)舉例說明由此產(chǎn)生的交流發(fā)電機(jī)接線端內(nèi)電壓波形740。低通濾波被用來(lái)展示與正弦曲線樣板波形730對(duì)比的波形750所表示的有效正弦曲線數(shù)值。請(qǐng)注意，在PWM電壓波形740上小的正弦漣漪是由于在DC鏈路302上電壓起伏造成的。這種漣漪能通過增加DC鏈路電容398的大小，或經(jīng)由降壓/升壓轉(zhuǎn)換器316和DC鏈路302之間的連接的電池315提供的電壓調(diào)節(jié)得到抑制。適量的漣漪振幅(例如，5％到10％峰-峰)可能是可接受的。如上所述，SPC將借助交流發(fā)電機(jī)接線端電壓振幅的調(diào)節(jié)依照ECS控制的設(shè)定點(diǎn)數(shù)值控制峰值活塞位移。然而，DSP固件也把近乎瞬時(shí)的活塞位置(例如，起源于活塞位置傳感器輸出的最新的4個(gè)ADC子樣的移動(dòng)平均數(shù))與安全操作活塞的位移閾值進(jìn)行比較。檢測(cè)到或許由于瞬間的或無(wú)法恢復(fù)的故障造成的違反這個(gè)閾值之時(shí)，開始立即減少交流發(fā)電機(jī)接線端電壓振幅和/或同時(shí)減少電壓頻率以及協(xié)調(diào)地減弱發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)。DSP固件特征可以是為了停止FPSE/LA操作或?yàn)榱嗽噲D從瞬間故障條件恢復(fù)操作而提供的，在后一種情況下重復(fù)違反活塞行程范圍將會(huì)使FPSE/LA系統(tǒng)停止。如同剛剛描述過的那樣，功率和控制系統(tǒng)300的優(yōu)選實(shí)施方案也包括數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)器件(在優(yōu)選實(shí)施方案中，該器件是得克薩斯儀器公司(Texas Instruments Incorporated)制造和銷售的TMS320LF2406A)或另一種能力相似的DSP裝置。盡管DSP典型地提供大部份必需的功能性，但是最后與DSP的輸入端口和輸出端口接口的輔助集成電路和其它電子元器件可以被包括在內(nèi)，以便完成信號(hào)的濾波、緩沖或其它方面的調(diào)節(jié)。DSP控制器400包括各種不同的模擬和二進(jìn)制的輸入端和輸出端，這些端口用來(lái)提供分別在DSP400、交流發(fā)電機(jī)的電流傳感器312和電壓傳感器314之間的接口，發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)(未展示)和各種不同的其它的零部件包括在功率和控制系統(tǒng)300之內(nèi)。輸入到DSP400的輸入410和420分別是發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)(ECS)產(chǎn)生的操作頻率輸入和活塞位移設(shè)定點(diǎn)指令輸入。ECS的功能可以用分開的DSP、“通用”微型計(jì)算機(jī)或同一個(gè)控制SPC的DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)。ECS給DSP的指令輸入是作為模擬信號(hào)展示在圖5中的，但是這些也可以呈串行或并行的數(shù)字格式。在ECS和SPC控制功能用共用的DSP實(shí)現(xiàn)時(shí)，這些指令可以是分別借助ECS程序和SPC程序?qū)懭牒妥x出的固件變量。如同技術(shù)上已知的那樣，ECS起控制全部的FPSE操作的作用，包括控制燃料和燃燒空氣流速以維持預(yù)期的加熱頂點(diǎn)溫度。ECS是為把ECS估計(jì)值將提供預(yù)期的性能特性(包括，舉例來(lái)說，最快速的升溫或最佳的燃料效率)的，用于工作頻率和活塞位移的上述設(shè)定點(diǎn)指令遞送給SPC而配置的。這些設(shè)定點(diǎn)指令是用SPC觀測(cè)的，而頻率指令設(shè)定點(diǎn)被直接用來(lái)調(diào)節(jié)交流發(fā)電機(jī)接線端電壓的頻率。SPC還把瞬時(shí)活塞位移(直接用適當(dāng)?shù)幕钊恢脗鞲衅饔^測(cè)的或從交流發(fā)電機(jī)內(nèi)電壓振幅推論出的)與ECS提供的活塞位移設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行比較，并且根據(jù)從這個(gè)比較獲得的位移“誤差”控制交流發(fā)電機(jī)接線端電壓的振幅，以實(shí)現(xiàn)指令數(shù)值。反饋控制環(huán)可以用于這個(gè)目的，其中交流發(fā)電機(jī)接線端電壓的振幅被調(diào)節(jié)到使“比例”誤差及其非必選的積分和導(dǎo)數(shù)最小。替代方法也可以用于這個(gè)目的，例如，“非周期性”控制、前饋控制和模糊邏輯技術(shù)。至此，已經(jīng)討論了SPC對(duì)頻率和活塞位移設(shè)定點(diǎn)指令的響應(yīng)。此外，SPC把當(dāng)前交流發(fā)電機(jī)功率輸出465和電池455或等價(jià)的能量存儲(chǔ)單元的充電狀態(tài)(SOC)報(bào)告給ECS。ECS可以使用該交流發(fā)電機(jī)功率指示作為燃燒系統(tǒng)的前饋輸入，以便提供對(duì)加熱頂點(diǎn)溫度更有效的控制。功率前饋信號(hào)465提供需要追加或減少熱輸入的“預(yù)告”以滿足交流發(fā)電機(jī)負(fù)載條件方面的改變，預(yù)見在加熱頂點(diǎn)溫度方面由于這種新的負(fù)載條件造成的待處理的改變。SPC還把電池充電狀態(tài)的指示提供給ECS，該充電狀態(tài)指示可以被ECS用來(lái)確定最佳的FPSE/LA功率水平，以便在留下足以吸收突然的需求量減少的“存儲(chǔ)空間”的同時(shí)維持足以滿足突然的功率需求量增加的存儲(chǔ)能量。DSP輸出465和455把這些指示提供給ECS。盡管這些輸出是作為模擬信號(hào)在圖5中識(shí)別的，但是它們也可以呈串行或并行的數(shù)字格式。在用共用的DSP實(shí)現(xiàn)ECS和SPC控制功能的情況下，這些交流發(fā)電機(jī)功率和電池SOC指示可以是分別借助SPC和ECS的程序?qū)懭牒妥x出的固件變量。電池315的充電狀態(tài)可以依照在技術(shù)上已知的各種方法借助DSP 400確定。在舉例來(lái)說可能涉及使用VRLA(閥門調(diào)節(jié)的鉛酸)電池作為電池315的優(yōu)選實(shí)施方案中，充電狀態(tài)可以如下所述以“庫(kù)侖計(jì)算”方式確定。最初增加動(dòng)力消耗時(shí)，充電狀態(tài)可以通過觀察標(biāo)準(zhǔn)化到每電池伏特?cái)?shù)的空載電壓確定。一旦運(yùn)行并且在把負(fù)載放在系統(tǒng)上之后，相對(duì)于首先通過觀察空載電池電壓確定的初始充電狀態(tài)的偏離可以通過積分流入和流出電池的電流然后用電池315的額定安培小時(shí)容量標(biāo)準(zhǔn)化該積分?jǐn)?shù)值計(jì)算出來(lái)。對(duì)DSP 400的附加輸入包括代表交流發(fā)電機(jī)接線端電壓Va的輸入430和通過輸入440提供給DSP 400的流進(jìn)或流出交流發(fā)電機(jī)的電流。此外，優(yōu)選實(shí)施方案包括用于一個(gè)或多個(gè)活塞位置傳感器的輸入445，在這種情況下這樣的器件被用來(lái)監(jiān)測(cè)活塞位移。即使采用多活塞FPSE，一個(gè)活塞位移傳感器也可能滿足需要，因?yàn)槟芷谕诤芎玫卦O(shè)計(jì)和制造的單元中活塞位移名義上是相等的。另一方面，通過進(jìn)行通過減去內(nèi)電阻和電感元件兩端的電壓降推演內(nèi)電壓的適當(dāng)計(jì)算從交流發(fā)電機(jī)接線端電壓314推斷活塞位置是可能的。為了補(bǔ)償在原動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)強(qiáng)度方面可能隨著時(shí)間和溫度改變的不確定性，調(diào)節(jié)可能也是必要的。一組兩個(gè)脈寬調(diào)制(PWM)輸出450和460被DSP 400變成可用的。這些信號(hào)用來(lái)分別控制開關(guān)對(duì)S1/S3和S2/S4。雖然在圖5中未展示，但是實(shí)現(xiàn)“高邊”和“低邊”門控驅(qū)動(dòng)電路的緩沖電路優(yōu)選置于在DSP 400的PWM輸出450、460和MOSFET門連接之間。舉例來(lái)說，這些緩沖元件可能是諸如國(guó)際整流器公司(International Rectifier，Inc.)制造并在市場(chǎng)上銷售的IR2110之類高電壓特定用途集成電路(ASICs)。這樣，來(lái)自DSP 400的3.3V輸出信號(hào)能被轉(zhuǎn)換成適合控制H-電橋MOSFET開關(guān)的15V的門控驅(qū)動(dòng)信號(hào)。具體地說，用來(lái)操作高邊開關(guān)S1 335和S3 345的高邊驅(qū)動(dòng)器必須是為使DSP PWM指令輸出與這些門的高共態(tài)電勢(shì)分離而設(shè)計(jì)的。這種能力是借助作為例證的IR2110門驅(qū)動(dòng)器裝置實(shí)現(xiàn)的。向圖5的右邊繼續(xù)工作，包括用來(lái)儲(chǔ)存和提供電能的電池315的各種其它的元器件被包括在內(nèi)。高邊MOSFET(有本征二極管)開關(guān)375和低邊MOSFET(有本征二極管)開關(guān)385(如同前面關(guān)于開關(guān)討論的那樣兩者也可能是，舉例來(lái)說，國(guó)際整流器公司(International Rectifier)的IRFP260N)被用來(lái)控制下面描述的電池充電和電池放電功能。如同先前描述的H-電橋的情況，提供MOSFET及其本征反向二極管的功能性并且能在大約5kHz或更高的載波頻率下支持脈寬調(diào)制操作的任何開關(guān)裝置都可以用來(lái)分別實(shí)現(xiàn)高邊和低邊開關(guān)375和385。這些開關(guān)只需要提供單向的傳導(dǎo)和阻斷控制。然而，反向二極管必須提供給每個(gè)開關(guān)。MOSFET裝置的本征反向二極管提供這種功能，但是在IGBT的情況下必須提供分開的反向二極管，其中二極管的陽(yáng)極與IGBT發(fā)射極連接，二極管的陰極與IGBT集電極連接。給DSP 400的模擬輸入470代表DC鏈路正接線端302和DC鏈路負(fù)接線端304之間的電壓。給DSP 400的模擬輸入480代表電流傳感器感知的流進(jìn)和流出電池315的電流Ibat。給DSP 400的模擬輸入415代表電池315接線端兩端的電壓Vbat。來(lái)自DSP 400的PWM輸出490提供對(duì)與電池充電和放電操作有關(guān)的MOSFET Q5的控制。類似地，來(lái)自DSP 400的PWM輸出425提供在電池充電和放電操作期間對(duì)MOSFET Q6的控制。PWM輸出信號(hào)490和425借助前面關(guān)于DSP 400的其它輸出描述的高邊和低邊門驅(qū)動(dòng)器功能被緩沖。最后，如同先前描述的那樣，DSP 400優(yōu)選包括饋送給發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的兩個(gè)模擬輸出455和465。在優(yōu)選實(shí)施方案中，輸出信號(hào)455把交流發(fā)電機(jī)功率前饋數(shù)據(jù)提供給發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，以便規(guī)定預(yù)期的發(fā)動(dòng)機(jī)未來(lái)熱功率需求。此外，輸出信號(hào)465把電池充電狀態(tài)數(shù)據(jù)提供給發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，以允許發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)使用關(guān)于當(dāng)前電池儲(chǔ)存水平的數(shù)據(jù)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)操作。如同先前注意到的那樣，這些報(bào)告給ECS的SPC DSP輸出也可以是串行或并行格式的數(shù)字信號(hào)的形式。如果ECS和SPC的控制功能性是用共用的DSP實(shí)現(xiàn)的，那么這些參數(shù)可以是分別用ECS和SPC固件程序?qū)懭牒妥x出的程序變量。由于已經(jīng)有了依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案提交本發(fā)明的電路及其相關(guān)元器件的綜述，下面的討論將覆蓋在功率和控制系統(tǒng)300里面用來(lái)給電池315充電和放電的過程。舉例來(lái)說，如果電池315的儲(chǔ)存水平對(duì)于未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)功率需求的準(zhǔn)備而言是低的給電池315充電，或在外部負(fù)載突然中斷之后短暫地維持立即加載的交流發(fā)電機(jī)可能是符合需要的。另一方面，舉例來(lái)說，萬(wàn)一增大的負(fù)載被突然接到FPSE/LA發(fā)電裝置上時(shí)，為了暫時(shí)增加可用的FPSE功率使電池315放電可能是符合需要的。來(lái)自電池315的附加功率可以在有限的時(shí)間里被提供給增加的負(fù)載，直到追加的熱量能供應(yīng)給發(fā)動(dòng)機(jī)支持附加的負(fù)載。為了給電池315充電，啟動(dòng)下面的程序。正常情況下MOSFET開關(guān)Q5 375和Q6 385處在關(guān)(OFF)/非導(dǎo)通狀態(tài)。此外，二極管D5和D6的極性是相對(duì)的，以致沒有電流能在基本操作條件下從直流鏈路的正極導(dǎo)軌302流向直流鏈路的負(fù)極導(dǎo)軌304。為了啟動(dòng)充電操作，DSP 400把PWM信號(hào)經(jīng)由輸出490提供給晶體管Q5，這樣的信號(hào)有瞬間的MOSFET門控驅(qū)動(dòng)脈沖從而導(dǎo)致一個(gè)合適的時(shí)間，在這個(gè)時(shí)間內(nèi)電流可以從直流鏈路的正極導(dǎo)軌302通過MOSFET開關(guān)Q5。這個(gè)行動(dòng)把電感線圈LBuck/Boost316在節(jié)點(diǎn)E的導(dǎo)線拉到在導(dǎo)軌302的電壓，作為結(jié)果，電感線圈和電池315中的電流將迅速上升。迅速上升將以V/L的斜率發(fā)生，其中V是電感線圈兩端的電壓，而L是電感線圈的電感。因此，該斜率是隨著時(shí)間推移保持恒定的。在來(lái)自輸出490的正脈沖結(jié)束之時(shí)，Q5 375變成非導(dǎo)通的，雖然電流繼續(xù)流動(dòng)而且靠慣性滑行通過MOSFET的本征二極管D6 385。因此，電流回路被暫時(shí)形成。這個(gè)回路包括通過電感線圈、通過Ibat的電流傳感器318、進(jìn)入電池315的接線端、然后向上到二極管D6的陽(yáng)極、通過二極管、從D6的陰極出來(lái)、然后進(jìn)入電感線圈316的右手邊接線端。正在流動(dòng)的電流發(fā)生衰減，然后提供新的脈沖以提供追加的電池充電。脈沖是按固定的PWM載波頻率比率(例如，5kHz)和依照脈沖的工作周期提供的，電池315能被充電到預(yù)期的水平。依照優(yōu)選實(shí)施方案，加給Q5 375的脈沖的工作周期受實(shí)現(xiàn)外部的和內(nèi)部的電壓和電流的比例-積分(PI)控制器的DSP控制。外部回路PI控制器借助傳感器326觀測(cè)直流鏈路電壓，然后把這個(gè)數(shù)值與固定的設(shè)定點(diǎn)數(shù)值進(jìn)行比較，并且計(jì)算被用來(lái)合并之后形成充當(dāng)用于內(nèi)部電流回路PI控制器的設(shè)定點(diǎn)的電壓控制器輸出的比例-積分項(xiàng)。內(nèi)部電流回路PI控制器把電流傳感器318觀測(cè)到的電池電流與外部回路電壓控制器指令的電流進(jìn)行比較，并且計(jì)算被用來(lái)合并之后形成確定降壓開關(guān)Q5 375的PWM工作周期的控制輸出的比例-積分項(xiàng)。這種嵌套的外部電壓和內(nèi)部電流回路配置被采用，為的是提供有利的動(dòng)態(tài)控制特性——例如，在提供把電池電流限制到安全數(shù)值的方法的同時(shí)有快速響應(yīng)和最小過調(diào)量的穩(wěn)定操作。當(dāng)由于外部負(fù)載的突然中斷造成的直流鏈路電壓上升受到抑制的時(shí)候，充電模式結(jié)束。為暫時(shí)維持在外部負(fù)載突然降低之后加載的交流發(fā)電機(jī)而開始的電池充電的持續(xù)時(shí)間受由交流發(fā)電機(jī)功率前饋指示的突然下降發(fā)起的ECS輸入的發(fā)動(dòng)機(jī)熱通量同時(shí)減少的限制。其它的充電策略也可以被采用(例如，在不變的電池接線端電壓下充電，直到電池電流跌落到指示充電條件的上限狀態(tài)的閾值以下)。在這種情況下，DSP實(shí)現(xiàn)的充電控制器將會(huì)調(diào)節(jié)傳感器320報(bào)告的電池接線端電壓同時(shí)監(jiān)測(cè)電池電流傳感器318觀測(cè)到的電池電流。用來(lái)產(chǎn)生控制MOSFET開關(guān)Q5 375的PWMH信號(hào)的DSP固件方法類似于先前就H-電橋開關(guān)描述的那些。電池放電是通過下述過程完成的。一個(gè)脈沖串在DSP 400的輸出端425被供應(yīng)給MOSFET Q6 385的門極。當(dāng)Q6385被這個(gè)脈沖選通開(ON)的時(shí)候，它變成導(dǎo)通的，于是電池315被電感線圈316短路。在這種情況下，電流在順時(shí)針回路中流動(dòng)并且與以前一樣按斜率V/L迅速上升。然而，在這種情況下，V本質(zhì)上是電池315兩端的電壓。迅速上升被完成，然后Q6 385當(dāng)發(fā)源于DSP 400的輸出425的門極開啟脈沖完結(jié)時(shí)被斷開。此時(shí)，從電感線圈流出的電流靠慣性滑行通過MOSFET的本征二極管D5并且給直流鏈路電容器398充電。在給直流鏈路電容器遞增地放電之后，新的門極開啟脈沖被加到MOSFET Q6 385上繼續(xù)進(jìn)行電池315的放電，為的是支持直流鏈路電壓在預(yù)期的范圍內(nèi)。依照優(yōu)選實(shí)施方案，加到Q6 385上的脈沖的工作周期受DSP實(shí)現(xiàn)的外部的和內(nèi)部的電壓和電流的比例-積分(PI)控制器的控制。外部回路PI控制器借助傳感器326觀測(cè)直流鏈路電壓，把這個(gè)數(shù)值與固定的設(shè)定點(diǎn)數(shù)值進(jìn)行比較，并且計(jì)算被用來(lái)合并后形成用于內(nèi)部電流回路PI控制器的設(shè)定點(diǎn)的電壓控制器輸出的比例-積分項(xiàng)。內(nèi)部電流回路PI控制器把電流傳感器318觀測(cè)到的電池電流與外部回路電壓控制器指令的電流進(jìn)行比較，并且計(jì)算被用來(lái)合并后形成確定升壓開關(guān)Q6385的PWM工作周期的控制輸出的比例-積分項(xiàng)。這種嵌套式外部電壓和內(nèi)部電流回路配置被采用以便提供有利的動(dòng)態(tài)控制特性，例如，在提供把電池電流限制在安全數(shù)值的方法的同時(shí)有相應(yīng)快速和過調(diào)量最小的穩(wěn)定操作。如同前面詳細(xì)地討論過的那樣，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，各種不同的SPC控制信號(hào)是用DSP 400接收和產(chǎn)生的。這些信號(hào)的特性在很大程度上已在前面予以討論。下面的討論提供關(guān)于DSP 400的編程的附加細(xì)節(jié)和在其優(yōu)選實(shí)施方案中與本發(fā)明的SPC的全部控制相關(guān)聯(lián)的其它相關(guān)方面。關(guān)于提供給DSP 400的輸入信號(hào)，包括，舉例來(lái)說，電池電流480、直流鏈路電壓470和活塞位置445，DSP ADC信道通常只接受單極的信號(hào)，以致，作為結(jié)果，雙極輸入必須有偏壓。如同技術(shù)上廣為人知的那樣，這可以借助多種方法之中的任何方法完成。在本發(fā)明的SPC中，PWM合成加在交流發(fā)電機(jī)和功率因子校正電容器的接線端上的輸電網(wǎng)電壓(受控的頻率和振幅)是必不可少的。這依次要求使用DSP 400產(chǎn)生的正弦波參考信號(hào)。再者，技術(shù)上已知的各種不同的方法之中的任何方法可以用于這個(gè)目的，包括，舉例來(lái)說，查表法或?qū)崟r(shí)計(jì)算法。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，為了實(shí)現(xiàn)預(yù)期的活塞行程，輸電網(wǎng)電壓振幅是依照用DSP發(fā)動(dòng)機(jī)控制例行程序(PID或PI控制器輸出)傳送的活塞行程指令受控的。為了根據(jù)控制帶寬或同樣可接受的階梯式改變響應(yīng)時(shí)間和過調(diào)量獲得有可接受的動(dòng)態(tài)性能的穩(wěn)定操作，經(jīng)由PI控制器使用積分反饋的活塞位移控制方法被用在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中。為了實(shí)現(xiàn)可接受的動(dòng)態(tài)性能，使用比例-積分項(xiàng)是優(yōu)選的，但是導(dǎo)數(shù)項(xiàng)也可能不是必需的。在PI控制器或PID控制器的情況下，瞬時(shí)活塞位置被觀測(cè)，而且位移衡量標(biāo)準(zhǔn)是用DSP依據(jù)這些數(shù)值算出的。位移衡量標(biāo)準(zhǔn)可能要么是峰值位移，RMS位移，要么是經(jīng)過矯正的位置正弦波的平均值。依照本發(fā)明，最后的選項(xiàng)是優(yōu)選的實(shí)施方案，雖然對(duì)于熟悉這項(xiàng)技術(shù)的人顯而易見的是本發(fā)明不必局限于此。RMS或經(jīng)過矯正的位置正弦波計(jì)算結(jié)果的平均值優(yōu)選使用在一個(gè)循環(huán)的周期范圍內(nèi)算出的一致性平均值以便提供滯后最小的最新估計(jì)值。一致性平均由于下述事實(shí)變得容易，即發(fā)動(dòng)機(jī)-交流發(fā)電機(jī)的振蕩周期是已知的，因?yàn)樗怯稍贒SP控制之下合成的交流發(fā)電機(jī)接線端電壓的頻率所決定。用剛剛描述的衡量標(biāo)準(zhǔn)之一表征的位移被不斷地與ECS提供的位移設(shè)定點(diǎn)指令進(jìn)行比較，而且差值(誤差)被用來(lái)計(jì)算聚集成單一控制輸出的比例項(xiàng)、積分項(xiàng)和非必選的導(dǎo)數(shù)項(xiàng)。這個(gè)控制輸出用來(lái)調(diào)節(jié)正弦曲線樣板的振幅以產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)指令的活塞位移所需要的交流發(fā)電機(jī)接線端電壓振幅的增加或減少。DSP 400也負(fù)責(zé)維持直流鏈路上適當(dāng)?shù)碾妷骸Ｒ勒諆?yōu)選實(shí)施方案，如果該電壓太高，該鏈路經(jīng)由降壓轉(zhuǎn)換器用電池315加載。如果該電壓太低，該鏈路經(jīng)由升壓轉(zhuǎn)換器用電池315支持。如果電池的充電狀態(tài)被確定超出范圍使上述的動(dòng)作變成難以獲得的，在某些情況下可能開始關(guān)機(jī)。電池315的充電狀態(tài)也優(yōu)選用DSP 400控制算法予以維護(hù)。在優(yōu)選實(shí)施方案中，如果充電狀態(tài)太高但在預(yù)定的范圍界限之內(nèi)，前饋到發(fā)動(dòng)機(jī)控制器的充電狀態(tài)增益被逐漸增加。另一方面，如果充電狀態(tài)太低，但在范圍之內(nèi)，前饋到發(fā)動(dòng)機(jī)控制器的SOC增益被逐漸減少。DSP 400也負(fù)責(zé)其它的功能，例如，故障監(jiān)督，包括監(jiān)測(cè)諸如過電壓條件或欠電壓條件或過電流條件之類的故障條件。DSP 400還優(yōu)選為使診斷LED或其它的故障指示器在發(fā)生故障條件時(shí)點(diǎn)亮而編程。用來(lái)控制斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)和信號(hào)處理方法已被揭示。人們將理解前面提供的教導(dǎo)有很多的應(yīng)用，尤其是對(duì)于大體上往復(fù)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件的控制相關(guān)聯(lián)的那些。雖然本發(fā)明已結(jié)合FPSE驅(qū)動(dòng)的直線交流發(fā)電機(jī)予以揭示，但是本發(fā)明不必局限于此。舉例來(lái)說，在此的教導(dǎo)可以適用于FPSE驅(qū)動(dòng)的其它裝置，例如，包括各種不同的電磁換能器的換能器，包括但不限于交流發(fā)電機(jī)和其它裝置。盡管該主體發(fā)明已在附圖和前面的描述中被詳細(xì)地舉例說明和描述，但是所揭示的實(shí)施方案是說明性的而且在特色方面是不受限制的。所有在本發(fā)明的范圍之內(nèi)的變化和修正都被預(yù)期受到保護(hù)。
權(quán)利要求
1.一種用于自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)，所述的自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)有動(dòng)力活塞，所述的控制系統(tǒng)包括a)與所述的動(dòng)力活塞機(jī)械連接的電磁換能器；和b)與所述的電磁換能器電氣連接的可控制的振動(dòng)功率系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠把功率遞送給電磁換能器或接受來(lái)自電磁換能器的功率，同時(shí)強(qiáng)行制約電磁換能器接線端的電壓保持在規(guī)定的振幅和規(guī)定的頻率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的控制系統(tǒng)，其中所述的控制系統(tǒng)是可操作的，以便控制所述動(dòng)力活塞的行程范圍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的控制系統(tǒng)，其中所述的自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)一步包括壓氣活塞，而所述的控制系統(tǒng)是可操作的，以便控制所述壓氣活塞的行程范圍。
4.根據(jù)上述任何權(quán)利要求的控制系統(tǒng)，進(jìn)一步包括能夠儲(chǔ)存從所述的電磁換能器接受的能量的存儲(chǔ)裝置。
5.根據(jù)上述任何權(quán)利要求的控制系統(tǒng)，進(jìn)一步包括產(chǎn)生在頻率和振幅兩方面都被有選擇地控制的電壓的電源。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的控制系統(tǒng)，其中所述動(dòng)力活塞的行程范圍是通過改變所述電磁換能器兩端的電壓振幅控制的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的控制系統(tǒng)，其中所述動(dòng)力活塞的行程范圍是通過改變所述電磁換能器兩端的電壓波形頻率控制的。
8.根據(jù)上述的任何權(quán)利要求的控制系統(tǒng)，其中所述電磁換能器的接線端與一個(gè)H-電橋開關(guān)組電氣連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的控制系統(tǒng)，進(jìn)一步包括用于控制所述的H-電橋開關(guān)組的數(shù)字信號(hào)處理器，以便能有選擇地控制所述的電磁換能器兩端的電壓振幅和電壓頻率。
10.一種被自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電裝置，其中包括a)動(dòng)力活塞；b)與所述的動(dòng)力活塞機(jī)械連接的電磁換能器；以及c)與所述的電磁換能器電氣連接的可控制的振蕩功率系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠把功率遞送給電磁換能器或接受來(lái)自電磁換能器的功率，同時(shí)使電磁換能器接線端的電壓保持在規(guī)定的振幅和規(guī)定的頻率。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的被發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電裝置，其中所述的可控制的振蕩功率系統(tǒng)進(jìn)一步包括產(chǎn)生在頻率和振幅兩個(gè)方面都被有選擇地控制的電壓的電源。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的被發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電裝置，其中所述的動(dòng)力活塞的行程范圍通過改變所述電磁換能器兩端的電壓振幅控制的。
13.根據(jù)權(quán)利要求10的被發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電裝置，其中所述動(dòng)力活塞的行程范圍是通過改變所述的電磁換能器兩端的電壓波形頻率控制的。
14.根據(jù)權(quán)利要求10的被發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電裝置，其中所述電磁換能器的接線端與H-電橋開關(guān)組電氣連接。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的被發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電裝置，進(jìn)一步包括用來(lái)控制所述的H-電橋開關(guān)組的數(shù)字信號(hào)處理器，以便有選擇地控制所述電磁換能器兩端的電壓振幅和電壓頻率。
16.一種控制具有驅(qū)動(dòng)電磁換能器的動(dòng)力活塞的自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，該方法包括下述步驟a)選擇最佳的發(fā)動(dòng)機(jī)振蕩頻率和活塞行程；以及b)通過強(qiáng)行制約所述電磁換能器的接線端電壓的振幅和頻率，使用振蕩功率系統(tǒng)限制所述的動(dòng)力活塞按照所述的選定的頻率和位移操作。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中所述的電磁換能器的接線端與H-電橋開關(guān)組電氣連接。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，進(jìn)一步包括用來(lái)控制所述H-電橋開關(guān)組的數(shù)字信號(hào)處理器，以便有選擇地控制所述電磁換能器兩端的電壓振幅和電壓頻率。
19.一種用于受控的具有驅(qū)動(dòng)電磁換能器的動(dòng)力活塞的自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的控制方法，該方法包括下述步驟a)通過使用振蕩功率系統(tǒng)強(qiáng)行制約所述電磁換能器的輸出端的電壓頻率以強(qiáng)行制約動(dòng)力活塞振蕩頻率；b)測(cè)定所述動(dòng)力活塞位移；以及c)調(diào)節(jié)受振蕩功率系統(tǒng)強(qiáng)行制約的電磁換能器兩端端電壓的振幅建立預(yù)期的動(dòng)力活塞位移。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中所述電磁換能器的接線端與H-電橋開關(guān)組電氣連接。
全文摘要
一種用于自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)，該自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)有動(dòng)力活塞，該控制系統(tǒng)包括a)與動(dòng)力活塞機(jī)械連接的電磁換能器；和b)與電磁換能器電連接的可控制的振蕩功率系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠把功率遞送給電磁換能器或接受來(lái)自電磁換能器的功率，同時(shí)使電磁換能器接線端的電壓保持在規(guī)定的振幅和規(guī)定的頻率。
文檔編號(hào)F01B29/10GK1846050SQ200480024857
公開日2006年10月11日 申請(qǐng)日期2004年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月2日
發(fā)明者艾倫·切爾陶克 申請(qǐng)人:蒂艾克思股份有限公司