蔡炯炯，祝 亮，劉 雷，施彥濤，瞿 曉

(1.浙江科技學(xué)院 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310023；2.思科渦旋科技(杭州)有限公司，浙江 杭州 310053)

0 引 言

渦旋壓縮機(jī)主要是指渦旋式空氣壓縮機(jī)、渦旋式膨脹機(jī)、渦旋式真空泵等渦旋式機(jī)械。渦旋壓縮機(jī)以容積式方式工作，具有容積效率高、轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)、噪音小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊等諸多優(yōu)點(diǎn)，在制冷、熱泵、列車(chē)制動(dòng)、新能源燃料電池，甚至航空航天等領(lǐng)域具有獨(dú)特的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)[1-5]。

但在高速運(yùn)行工況下，渦旋壓縮機(jī)在平動(dòng)方向和軸向易發(fā)生泄露，這給渦旋壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)和加工帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)，阻礙了其往高壓力、大容量、長(zhǎng)壽命和無(wú)油方向的發(fā)展[6-8]。以壓縮機(jī)為例，就軸向而言，其軸向氣體分離力隨主軸轉(zhuǎn)角和壓縮機(jī)出口氣體壓力的變化而大幅度變化，過(guò)壓密封會(huì)導(dǎo)致渦盤(pán)嚴(yán)重磨損，欠壓密封會(huì)導(dǎo)致氣體泄漏，壓縮效率降低[9-12]。

因此，如何對(duì)渦旋壓縮機(jī)的軸向氣體分離力進(jìn)行動(dòng)態(tài)平衡，實(shí)現(xiàn)高性能的軸向動(dòng)態(tài)密封，已成為渦旋壓縮機(jī)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[13-19]。

針對(duì)目前渦旋壓縮機(jī)軸向力的平衡問(wèn)題，有學(xué)者提出了高推力密度的電磁動(dòng)態(tài)平衡方案。該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，利用電磁機(jī)構(gòu)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)變化的電磁力，來(lái)平衡渦旋壓縮機(jī)內(nèi)部的軸向氣體力。但由于對(duì)電磁力的控制上存在著滯后的問(wèn)題[20-25]，使得其軸向氣體力的平衡效果不佳，導(dǎo)致渦旋壓縮機(jī)易發(fā)生漏氣或者磨損現(xiàn)象。為解決這個(gè)問(wèn)題，該學(xué)者提出了自適應(yīng)提前跟蹤算法進(jìn)行跟蹤控制，最后對(duì)于該滯后問(wèn)題進(jìn)行了優(yōu)化。

本文在自適應(yīng)提前跟蹤算法的基礎(chǔ)上，研究高推力密度電磁動(dòng)態(tài)平衡方案，針對(duì)不同轉(zhuǎn)速或者頻率工況下，電磁力跟蹤滯后特性的不同，提出全轉(zhuǎn)速范圍自適應(yīng)參數(shù)電磁動(dòng)態(tài)跟蹤方法，并進(jìn)行相關(guān)的模擬實(shí)驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證該控制方法的有效性，為渦旋壓縮機(jī)軸向的動(dòng)態(tài)密封控制提供有益的參考。

1 渦旋機(jī)軸向力電磁平衡控制

渦旋壓縮機(jī)工作時(shí)，壓縮腔內(nèi)的軸向氣體力有使得動(dòng)、靜渦旋盤(pán)分離和軸向間隙增大的趨勢(shì)，導(dǎo)致制冷劑和壓縮氣體泄漏增加。因此，針對(duì)目前渦旋壓縮機(jī)動(dòng)靜渦盤(pán)間軸向動(dòng)態(tài)密封性不足的問(wèn)題，筆者提出一種渦旋機(jī)軸向力電磁動(dòng)態(tài)平衡機(jī)構(gòu)，從而改善渦旋壓縮機(jī)軸向的動(dòng)態(tài)密封性能。

渦旋壓縮機(jī)軸向力電磁動(dòng)態(tài)平衡機(jī)構(gòu)的工作原理是，利用環(huán)型電磁鐵產(chǎn)生的電磁吸力平衡軸向氣體力。

渦旋壓縮機(jī)主要由動(dòng)靜渦旋盤(pán)、電磁鐵、壓力傳感器、被吸銜鐵等機(jī)構(gòu)組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 渦旋壓縮機(jī)軸向氣體力電磁動(dòng)態(tài)平衡機(jī)構(gòu)示意圖1-壓力傳感器；2-被吸銜鐵；3-電磁鐵；4-靜渦卷；5-動(dòng)渦卷；6-壓縮腔；7-機(jī)架

圖1所示的電磁平衡機(jī)構(gòu)中，靜渦盤(pán)與被吸銜鐵剛性連接可縱向移動(dòng)；壓力傳感器和電磁鐵相連固定在機(jī)架上。

其中，傳感器檢測(cè)電磁吸力大小，電磁鐵產(chǎn)生快速變化的電磁吸力動(dòng)態(tài)平衡渦旋機(jī)產(chǎn)生的軸向力，實(shí)現(xiàn)近零摩擦力動(dòng)態(tài)接觸密封。

2 全轉(zhuǎn)速范圍自適應(yīng)參數(shù)電磁動(dòng)態(tài)跟蹤方法

針對(duì)電磁力動(dòng)態(tài)跟蹤渦旋機(jī)軸向氣體力的問(wèn)題，有文獻(xiàn)提出了自適應(yīng)提前跟蹤PID算法(一種針對(duì)相位滯后而提出的能有效優(yōu)化相位滯后誤差的算法)[26]?；谠撍惴?，該研究者分別研究了轉(zhuǎn)速頻率在30 Hz～50 Hz情況下的跟蹤效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：轉(zhuǎn)速頻率越高提前補(bǔ)償?shù)牟綌?shù)也越多。

由于該算法是固定轉(zhuǎn)速情況下的電磁力動(dòng)態(tài)控制算法，對(duì)于渦旋機(jī)變工況工作時(shí)的電磁力動(dòng)態(tài)跟蹤難以實(shí)現(xiàn)。因此，筆者在自適應(yīng)提前跟蹤PID算法的基礎(chǔ)上，提出了全轉(zhuǎn)速范圍自適應(yīng)參數(shù)電磁跟蹤控制方法。該控制方法的步驟如下：

首先，該方法提前自動(dòng)尋優(yōu)不同轉(zhuǎn)速下最優(yōu)的提前步數(shù)，并建立轉(zhuǎn)速與最優(yōu)提前步數(shù)關(guān)系的數(shù)據(jù)庫(kù)；然后，根據(jù)渦旋機(jī)不同轉(zhuǎn)速工況，進(jìn)行快速跟蹤補(bǔ)償，從而進(jìn)一步改善渦旋壓縮機(jī)變工況情況下的動(dòng)態(tài)密封性能。

2.1 全轉(zhuǎn)速范圍提前量數(shù)據(jù)庫(kù)建立方法

全轉(zhuǎn)速范圍提前量數(shù)據(jù)庫(kù)主要是，通過(guò)改變主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速的大小，自動(dòng)記錄當(dāng)前轉(zhuǎn)速下的最優(yōu)提前步數(shù)，然后將不同轉(zhuǎn)速下的最優(yōu)提前量N統(tǒng)計(jì)成數(shù)據(jù)庫(kù)，并保存到系統(tǒng)內(nèi)存。

該算法的具體流程如圖2所示。

圖2 全頻率范圍提前量N自適應(yīng)生成算法流程圖

其具體步驟如下：

開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，該算法首先對(duì)提前步長(zhǎng)閾值M、提前提前步數(shù)N、轉(zhuǎn)速范圍n等變量做初始化處理，在確定主軸轉(zhuǎn)速和跟蹤的軸向力曲線后，運(yùn)行PID，記入當(dāng)前軸向力曲線一個(gè)周期內(nèi)的實(shí)際誤差；

通過(guò)改變提前步數(shù)N，使得N值在0到閾值M區(qū)間內(nèi)迭代尋優(yōu)，并記錄每次N改變后的實(shí)際誤差，比較得出最優(yōu)提前步數(shù)N；

最后根據(jù)不同轉(zhuǎn)速n對(duì)應(yīng)的最優(yōu)提前步數(shù)統(tǒng)計(jì)，生成全轉(zhuǎn)速范圍的提前量數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.2 提前量自適應(yīng)電磁動(dòng)態(tài)跟蹤方法

提前量自適應(yīng)電磁動(dòng)態(tài)跟蹤方法算法流程圖如圖3所示。

圖3 全頻率范圍自適應(yīng)電磁力動(dòng)態(tài)跟蹤算法流程圖

其具體步驟如下：

開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，該算法首先對(duì)提前步長(zhǎng)閾值、提前量、主軸轉(zhuǎn)速頻率，以及由圖2算法所生成的“轉(zhuǎn)速-N”數(shù)據(jù)庫(kù)等數(shù)據(jù)，做初始化處理；

在確定了跟蹤的軸向力曲線后，通過(guò)查表法查找數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，每當(dāng)檢測(cè)到當(dāng)前轉(zhuǎn)速與數(shù)據(jù)庫(kù)中轉(zhuǎn)速相等時(shí)，系統(tǒng)就輸出相應(yīng)N加入到變頻率時(shí)電磁力動(dòng)態(tài)跟蹤算法中，進(jìn)行提前跟蹤運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)快速跟蹤軸向氣體力(注：該算法中步長(zhǎng)閾值M取359，轉(zhuǎn)速增量值dn為10，k_max為360)。

2.3 電磁動(dòng)態(tài)跟蹤半實(shí)物實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

為了驗(yàn)證理論分析和提出的控制方法，筆者搭建了基于電磁動(dòng)態(tài)平衡機(jī)構(gòu)的半實(shí)物模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)概況

其實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 半實(shí)物實(shí)驗(yàn)?zāi)M平臺(tái)參數(shù)

其中，高推力密度電磁補(bǔ)償機(jī)構(gòu)由圓形電磁鐵、被吸銜鐵和壓力傳感器組成；在渦旋機(jī)工作時(shí)，采用圖2和圖3的控制算法對(duì)電磁鐵進(jìn)行控制，產(chǎn)生的電磁力為靜渦盤(pán)提供動(dòng)態(tài)的背壓力，模擬平衡動(dòng)靜渦盤(pán)受到的軸向氣體力，使得動(dòng)靜渦盤(pán)實(shí)時(shí)緊密?chē)Ш?，?shí)現(xiàn)在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)渦旋機(jī)軸向動(dòng)態(tài)密封。

旋轉(zhuǎn)變壓器檢測(cè)渦旋壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速頻率，為自適應(yīng)控制算法提供反饋信號(hào)。

2.3.1 全轉(zhuǎn)速范圍最優(yōu)提前步數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)

筆者根據(jù)全頻率范圍提前量N自適應(yīng)生成算法，建立最優(yōu)提前步數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，如表2所示。

表2 全轉(zhuǎn)速范圍提前步數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)

由表2可知：在渦旋機(jī)所需轉(zhuǎn)速頻率范圍內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)速頻率的增加，最優(yōu)提前步數(shù)N逐步增加；同時(shí)，也反應(yīng)出不同轉(zhuǎn)速情況電磁力滯后逐漸變大。

由此可知，轉(zhuǎn)速變化時(shí)，固定轉(zhuǎn)速電磁力動(dòng)態(tài)跟蹤算法無(wú)法適合實(shí)際的工作要求。

2.3.2 跟蹤結(jié)果及其評(píng)價(jià)

本文提出的全頻率范圍自適應(yīng)參數(shù)電磁力動(dòng)態(tài)跟蹤方法，其主要目的是在多轉(zhuǎn)速工況下，對(duì)軸向氣體力進(jìn)行有效的動(dòng)態(tài)跟蹤，實(shí)現(xiàn)渦旋機(jī)軸向的動(dòng)態(tài)密封。

電磁力動(dòng)態(tài)跟蹤效果如圖5所示。

圖5 電磁力動(dòng)態(tài)跟蹤效果

從圖5中可以看出：對(duì)于不同轉(zhuǎn)速工況，所建立的表2數(shù)據(jù)庫(kù)都能及時(shí)、準(zhǔn)確地提供所需的提前步數(shù)，并進(jìn)行相應(yīng)的提前補(bǔ)償；另一方面，也驗(yàn)證了圖3所示算法適用不同轉(zhuǎn)速情況，采用該算法能進(jìn)一步優(yōu)化電磁力的動(dòng)態(tài)跟蹤效果，改善渦旋機(jī)的軸向動(dòng)態(tài)密封性能。

全轉(zhuǎn)速范圍電磁力動(dòng)態(tài)跟蹤數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 全轉(zhuǎn)速范圍電磁力動(dòng)態(tài)跟蹤數(shù)據(jù)

表3以標(biāo)準(zhǔn)誤差作為電磁力跟蹤誤差的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，記錄了不同轉(zhuǎn)速工況下，渦旋機(jī)采用全轉(zhuǎn)速范圍自適應(yīng)參數(shù)電磁力動(dòng)態(tài)跟蹤算法，電磁力的跟蹤誤差。

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上可以看出：轉(zhuǎn)速頻率在25 Hz～70 Hz范圍內(nèi)，電磁力的動(dòng)態(tài)跟蹤性能較好，準(zhǔn)確度較高；采用全頻率范圍自適應(yīng)參數(shù)電磁動(dòng)態(tài)跟蹤方法，在低頻工況下能有效地改善渦旋機(jī)的軸向動(dòng)態(tài)密封，但隨著轉(zhuǎn)速頻率的增加跟蹤誤差會(huì)逐漸變大。經(jīng)分析，導(dǎo)致跟蹤誤差會(huì)逐漸變大的原因，可能是轉(zhuǎn)速提高后電磁力的跟蹤點(diǎn)數(shù)減少，導(dǎo)致累計(jì)誤差變大，影響了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)渦旋機(jī)軸向的動(dòng)態(tài)密封問(wèn)題進(jìn)行深入研究，設(shè)計(jì)了一種軸向氣體分離力的電磁平衡機(jī)構(gòu)，并提出了一種基于自適應(yīng)提前跟蹤PID算法的全轉(zhuǎn)速范圍的渦旋機(jī)軸向力電磁跟蹤控制方法;通過(guò)理論分析并搭建模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

(1)針對(duì)渦旋機(jī)工作時(shí)軸向氣體力的平衡問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)的電磁平衡機(jī)構(gòu)能有效地平衡渦旋機(jī)動(dòng)態(tài)變化的軸向氣體力;

(2)不同轉(zhuǎn)速工況下，基于全頻率范圍內(nèi)提前量N自適應(yīng)生成算法所建立的數(shù)據(jù)庫(kù)能及時(shí)準(zhǔn)確地為電磁力動(dòng)態(tài)跟蹤提供所需的最優(yōu)提前步數(shù)，驗(yàn)證了該算法的有效性;

(3)全頻率范圍自適應(yīng)參數(shù)電磁動(dòng)態(tài)跟蹤算法能有效地適應(yīng)渦旋機(jī)不同轉(zhuǎn)速工況下的工作情況，改善渦旋壓縮機(jī)的軸向動(dòng)態(tài)密封性能。

在后續(xù)的研究中，筆者將對(duì)上述問(wèn)題繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步研究高頻率時(shí)，渦旋機(jī)軸向氣體力的電磁跟蹤特性，增加其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。