一種氣體軸承斯特林制冷機(jī)控制系統(tǒng)及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及氣體軸承斯特林制冷機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種氣體軸承斯特林制冷 機(jī)控制系統(tǒng)及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 氣體軸承斯特林制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)決定了制冷機(jī)的活塞處于自由狀態(tài)。制冷機(jī)處于停 機(jī)狀態(tài)時(shí)，活塞可能處于行程中的任意位置。當(dāng)制冷機(jī)垂直放置時(shí)，受重力作用的影響，活 塞會(huì)跌至行程的端部。此時(shí)啟動(dòng)制冷機(jī)，活塞會(huì)以行程端部為平衡點(diǎn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，必然會(huì)產(chǎn)生 啟動(dòng)撞缸問題。傳統(tǒng)的氣體軸承斯特林制冷機(jī)控制器采用小幅值脈沖定位的方法進(jìn)行啟 動(dòng)，這種啟動(dòng)方法在制冷機(jī)水平放置時(shí)，一定程度上能夠緩解啟動(dòng)撞缸的問題。但是當(dāng)制冷 機(jī)垂直放置時(shí)，仍然無法解決啟動(dòng)撞缸的問題，嚴(yán)重影響了制冷機(jī)的正常工作，甚至使制冷 機(jī)無法啟動(dòng)。因此，為了保證斯特林制冷機(jī)的可靠運(yùn)行，必須設(shè)計(jì)一種控制系統(tǒng)既能滿足斯 特林制冷機(jī)高效穩(wěn)定的輸出能力和溫控精度要求，又能解決各種工況下的啟動(dòng)撞缸問題， 保證斯特林制冷機(jī)能夠成功開機(jī)。另外，當(dāng)制冷機(jī)在低溫狀態(tài)下工作時(shí)，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)間隙 的增大，傳統(tǒng)的控制器工作時(shí)會(huì)出現(xiàn)撞缸的問題。因此，為了保證制冷機(jī)低溫下可靠運(yùn)行， 必須設(shè)計(jì)一種控制器保證制冷機(jī)低溫狀態(tài)下，能夠可靠運(yùn)行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種氣體軸承斯特林制冷機(jī)控制系統(tǒng)及其控制方法，該制 冷機(jī)控制系統(tǒng)及其控制方法能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中制冷機(jī)啟動(dòng)撞缸和低溫工作撞缸的問題， 不僅能夠保證制冷機(jī)在低溫下可靠運(yùn)行，滿足斯特林制冷機(jī)高效穩(wěn)定的輸出能力和溫控精 度要求，還能夠解決各種工況下的啟動(dòng)撞缸問題，保證斯特林制冷機(jī)能夠成功開機(jī)。
[0004] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：
[0005] -種氣體軸承斯特林制冷機(jī)控制系統(tǒng)，包括微處理器、用于采集制冷機(jī)制冷溫度 的制冷溫度采集電路、用于采集制冷機(jī)工作環(huán)境溫度的環(huán)境溫度采集電路、用于采集制冷 機(jī)工作電壓及電流的電壓電流采集電路和用于調(diào)整制冷機(jī)功率的功率控制電路。
[0006] 所述制冷溫度采集電路、環(huán)境溫度采集電路的輸出端分別與微處理器的輸入端相 連；所述微處理器的輸出端與功率控制電路的輸入端相連；所述功率控制電路的輸出端分 別與電壓電流采集電路的輸入端、制冷機(jī)的功率輸入端相連。
[0007] 進(jìn)一步的，所述微處器采用微軟公司的DSPIC30F6015芯片。
[0008] 進(jìn)一步的，所述制冷溫度采集電路包括安裝在制冷機(jī)冷頭上的第一溫度傳感器和 信號(hào)調(diào)理電路。
[0009] 所述信號(hào)調(diào)理電路包括第一運(yùn)算放大器U1、濾波電容C1、第二運(yùn)算放大器U2和第 一A/D轉(zhuǎn)換器。所述第一運(yùn)算放大器，其同相輸入端經(jīng)電阻R1接電源，其反向輸入端經(jīng)電 阻R2接地，其輸出端依次經(jīng)電阻R5、R6、R7接第二運(yùn)算放大器U2的同相輸入端。所述第一 運(yùn)算放大器，其同相輸入端還經(jīng)電阻R3連接到電阻R5與R6之間，其反相輸入端與輸出端 之間設(shè)有第一RC濾波電路。所述第二運(yùn)算放大器，其同相輸入端經(jīng)并聯(lián)連接的電阻R6與 電容C3接地，其反相輸入端依次經(jīng)電阻R8、R9接地，其輸出端依次經(jīng)電阻R12、第一A/D轉(zhuǎn) 換器接微處理器的輸入端。所述第二運(yùn)算放大器，其反相輸入端與輸出端之間設(shè)有第二RC 濾波電路；所述濾波電容，其正極連接到電阻R6與R7之間，其負(fù)極連接到電阻R8與R9之 間。所述第一溫度傳感器并聯(lián)在濾波電容兩端。所述第一RC濾波電路包括并聯(lián)連接的電 阻R4和電容C2。所述第二RC濾波電路包括并聯(lián)連接的電阻R11和電容C4。
[0010] 進(jìn)一步的，所述的環(huán)境溫度采集電路包括安裝在制冷機(jī)表面的第二溫度傳感器。 所述第二溫度傳感器連接在電源與微處理器之間。
[0011] 進(jìn)一步的，所述電壓電流采集電路包括電流傳感器、第二A/D轉(zhuǎn)換器和輸出分壓 電路。所述輸出分壓電路包括串聯(lián)連接的電阻R13與R14，該輸出分壓電路一端接制冷機(jī)的 輸入端或功率控制電路的輸出端，另一端接地。所述電流傳感器串聯(lián)在功率控制電路輸出 端與制冷機(jī)輸入端之間。所述第二A/D轉(zhuǎn)換器，其輸入端接電流傳感器的輸出端，其輸入端 還連接到電阻R13與R14之間的節(jié)點(diǎn)上，其輸出端接微處理器的輸入端。
[0012] 進(jìn)一步的，所述功率控制電路包括第一場(chǎng)效應(yīng)管VI、第二場(chǎng)效應(yīng)管V2、第三場(chǎng)效 應(yīng)管V3、第四場(chǎng)效應(yīng)管V4和預(yù)驅(qū)動(dòng)芯片。所述第一場(chǎng)效應(yīng)管VI、第二場(chǎng)效應(yīng)管V2、第三場(chǎng) 效應(yīng)管V3、第四場(chǎng)效應(yīng)管V4的柵極分別與預(yù)驅(qū)動(dòng)芯片的輸出端相連。所述預(yù)驅(qū)動(dòng)芯片的 輸入端接微處理器的輸出端；所述第一場(chǎng)效應(yīng)管VI，其漏極接電源，其源極接第二場(chǎng)效應(yīng) 管V2的漏極；所述第二場(chǎng)效應(yīng)管V2的源極接地。所述第三場(chǎng)效應(yīng)管V3,其漏極接電源，其 源極接第四場(chǎng)效應(yīng)管V4的漏極。所述第四場(chǎng)效應(yīng)管V4的源極接地。所述第一場(chǎng)效應(yīng)管VI 的源極與第二場(chǎng)效應(yīng)管V2的漏極之間的節(jié)點(diǎn)連接到制冷機(jī)的功率輸入端。所述第二場(chǎng)效 應(yīng)管V3的源極與第四場(chǎng)效應(yīng)管V4的漏極之間的節(jié)點(diǎn)連接到電壓電流采集電路的輸入端。
[0013] 本發(fā)明還涉及一種上述氣體軸承斯特林制冷機(jī)控制系統(tǒng)的控制方法，該方法包括 以下步驟：
[0014] (1)制冷溫度采集電路實(shí)時(shí)采集制冷機(jī)的制冷溫度，并將制冷機(jī)的制冷溫度信息 發(fā)送至微處理器，微處理器根據(jù)制冷機(jī)的制冷溫度信息對(duì)制冷機(jī)溫度進(jìn)行閉環(huán)控制；
[0015] (2)電壓電流采集電路實(shí)時(shí)采集制冷機(jī)的工作電流和工作電壓，并將制冷機(jī)的工 作電流和電壓信息發(fā)送至微處理器；
[0016] 微處理器根據(jù)制冷機(jī)的工作電流和工作電壓，利用以下公式計(jì)算出制冷機(jī)活塞的 位置：
[0017]
[0018] 其中，艮為制冷機(jī)的等效電阻，為制冷機(jī)的等效電感，x(t)為制冷機(jī)的活塞位 移，v(t)為制冷機(jī)輸入電壓，i⑴為制冷機(jī)定子電流，a為(；〇制冷機(jī)的電勢(shì)系數(shù)；
[0019] 根據(jù)制冷機(jī)活塞的位置，微處理器通過功率控制電路對(duì)制冷機(jī)的輸入功率進(jìn)行控 制，使制冷機(jī)的活塞控制在平衡位置；
[0020] 當(dāng)制冷機(jī)的活塞位于平衡位置后，對(duì)制冷機(jī)加載正常的等幅交流電壓，使制冷機(jī) 進(jìn)入正常工作狀態(tài)；
[0021] (3)環(huán)境溫度采集電路實(shí)時(shí)采集制冷機(jī)工作的環(huán)境溫度，并將環(huán)境溫度數(shù)據(jù)發(fā)送 至微處理器；
[0022] 微處理器根據(jù)環(huán)境溫度數(shù)據(jù)選取合適的控制參數(shù)，并通過功率控制電路對(duì)制冷機(jī) 的輸入功率進(jìn)行控制。
[0023] 和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：
[0024] (1)本發(fā)明適用于氣體軸承斯特林制冷機(jī)、氣體軸承斯特林發(fā)電機(jī)以及氣體軸承 直線壓縮機(jī)等基于氣體軸承支承技術(shù)產(chǎn)品的啟動(dòng)和控制。該制冷機(jī)控制系統(tǒng)及其控制方法 能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中制冷機(jī)啟動(dòng)撞缸和低溫工作撞缸的問題，不僅能夠保證制冷機(jī)在低溫 下可靠運(yùn)行，滿足斯特林制冷機(jī)高效穩(wěn)定的輸出能力和溫控精度要求，還能夠解決各種工 況下的啟動(dòng)撞缸問題，保證斯特林制冷機(jī)能夠成功開機(jī)。
[0025] (2)本發(fā)明通過對(duì)制冷機(jī)活塞位置進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)活塞的初始位置進(jìn)行定位，保證 制冷機(jī)的活塞位置處于平衡點(diǎn)時(shí)進(jìn)行正常的工作電壓的加載，從而使活塞處于任何工況下 都能正常啟動(dòng)，有效解決了制冷機(jī)活塞啟動(dòng)撞缸的問題。
[0026] (3)本發(fā)明通過對(duì)制冷機(jī)工作的環(huán)境溫度進(jìn)行辨識(shí)，微處理器根據(jù)環(huán)境溫度辨識(shí) 結(jié)果控制功率控制電路加載在制冷機(jī)上的功率，從而有效避免制冷機(jī)低溫撞缸問題的出 現(xiàn)，提高制冷機(jī)系統(tǒng)的可靠性，使制冷機(jī)在環(huán)境溫度較低的情況下能夠正常的工作，延長(zhǎng)制 冷機(jī)的使用壽命。
【附圖說明】