CN105042966A - 一种气体轴承斯特林制冷机控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气体轴承斯特林制冷机控制系统及其控制方法。该控制系统包括微处理器、用于采集制冷机制冷温度的制冷温度采集电路、用于采集制冷机工作环境温度的环境温度采集电路、用于采集制冷机工作电压及电流的电压电流采集电路和用于调整制冷机功率的功率控制电路。由以上技术方案可知，该制冷机控制系统及其控制方法能够解决现有技术中制冷机启动撞缸和低温工作撞缸的问题，不仅能够保证制冷机在低温下可靠运行，满足斯特林制冷机高效稳定的输出能力和温控精度要求，还能够解决各种工况下的启动撞缸问题，保证斯特林制冷机能够成功开机。

Description

一种气体轴承斯特林制冷机控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及气体轴承斯特林制冷机技术领域，具体涉及一种气体轴承斯特林制冷机控制系统及其控制方法。

背景技术

气体轴承斯特林制冷机的结构决定了制冷机的活塞处于自由状态。制冷机处于停机状态时，活塞可能处于行程中的任意位置。当制冷机垂直放置时，受重力作用的影响，活塞会跌至行程的端部。此时启动制冷机，活塞会以行程端部为平衡点往复运动，必然会产生启动撞缸问题。传统的气体轴承斯特林制冷机控制器采用小幅值脉冲定位的方法进行启动，这种启动方法在制冷机水平放置时，一定程度上能够缓解启动撞缸的问题。但是当制冷机垂直放置时，仍然无法解决启动撞缸的问题，严重影响了制冷机的正常工作，甚至使制冷机无法启动。因此，为了保证斯特林制冷机的可靠运行，必须设计一种控制系统既能满足斯特林制冷机高效稳定的输出能力和温控精度要求，又能解决各种工况下的启动撞缸问题，保证斯特林制冷机能够成功开机。另外，当制冷机在低温状态下工作时，由于机械结构间隙的增大，传统的控制器工作时会出现撞缸的问题。因此，为了保证制冷机低温下可靠运行，必须设计一种控制器保证制冷机低温状态下，能够可靠运行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种气体轴承斯特林制冷机控制系统及其控制方法，该制冷机控制系统及其控制方法能够解决现有技术中制冷机启动撞缸和低温工作撞缸的问题，不仅能够保证制冷机在低温下可靠运行，满足斯特林制冷机高效稳定的输出能力和温控精度要求，还能够解决各种工况下的启动撞缸问题，保证斯特林制冷机能够成功开机。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种气体轴承斯特林制冷机控制系统，包括微处理器、用于采集制冷机制冷温度的制冷温度采集电路、用于采集制冷机工作环境温度的环境温度采集电路、用于采集制冷机工作电压及电流的电压电流采集电路和用于调整制冷机功率的功率控制电路。

所述制冷温度采集电路、环境温度采集电路的输出端分别与微处理器的输入端相连；所述微处理器的输出端与功率控制电路的输入端相连；所述功率控制电路的输出端分别与电压电流采集电路的输入端、制冷机的功率输入端相连。

进一步的，所述微处器采用微软公司的DSPIC30F6015芯片。

进一步的，所述制冷温度采集电路包括安装在制冷机冷头上的第一温度传感器和信号调理电路。

所述信号调理电路包括第一运算放大器U1、滤波电容C1、第二运算放大器U2和第一A/D转换器。所述第一运算放大器，其同相输入端经电阻R1接电源，其反向输入端经电阻R2接地，其输出端依次经电阻R5、R6、R7接第二运算放大器U2的同相输入端。所述第一运算放大器，其同相输入端还经电阻R3连接到电阻R5与R6之间，其反相输入端与输出端之间设有第一RC滤波电路。所述第二运算放大器，其同相输入端经并联连接的电阻R6与电容C3接地，其反相输入端依次经电阻R8、R9接地，其输出端依次经电阻R12、第一A/D转换器接微处理器的输入端。所述第二运算放大器，其反相输入端与输出端之间设有第二RC滤波电路；所述滤波电容，其正极连接到电阻R6与R7之间，其负极连接到电阻R8与R9之间。所述第一温度传感器并联在滤波电容两端。所述第一RC滤波电路包括并联连接的电阻R4和电容C2。所述第二RC滤波电路包括并联连接的电阻R11和电容C4。

进一步的，所述的环境温度采集电路包括安装在制冷机表面的第二温度传感器。所述第二温度传感器连接在电源与微处理器之间。

进一步的，所述电压电流采集电路包括电流传感器、第二A/D转换器和输出分压电路。所述输出分压电路包括串联连接的电阻R13与R14，该输出分压电路一端接制冷机的输入端或功率控制电路的输出端，另一端接地。所述电流传感器串联在功率控制电路输出端与制冷机输入端之间。所述第二A/D转换器，其输入端接电流传感器的输出端，其输入端还连接到电阻R13与R14之间的节点上，其输出端接微处理器的输入端。

进一步的，所述功率控制电路包括第一场效应管V1、第二场效应管V2、第三场效应管V3、第四场效应管V4和预驱动芯片。所述第一场效应管V1、第二场效应管V2、第三场效应管V3、第四场效应管V4的栅极分别与预驱动芯片的输出端相连。所述预驱动芯片的输入端接微处理器的输出端；所述第一场效应管V1，其漏极接电源，其源极接第二场效应管V2的漏极；所述第二场效应管V2的源极接地。所述第三场效应管V3，其漏极接电源，其源极接第四场效应管V4的漏极。所述第四场效应管V4的源极接地。所述第一场效应管V1的源极与第二场效应管V2的漏极之间的节点连接到制冷机的功率输入端。所述第二场效应管V3的源极与第四场效应管V4的漏极之间的节点连接到电压电流采集电路的输入端。

本发明还涉及一种上述气体轴承斯特林制冷机控制系统的控制方法，该方法包括以下步骤：

(1)制冷温度采集电路实时采集制冷机的制冷温度，并将制冷机的制冷温度信息发送至微处理器，微处理器根据制冷机的制冷温度信息对制冷机温度进行闭环控制；

(2)电压电流采集电路实时采集制冷机的工作电流和工作电压，并将制冷机的工作电流和电压信息发送至微处理器；

微处理器根据制冷机的工作电流和工作电压，利用以下公式计算出制冷机活塞的位置：

$\mathrm{\α}\frac{dx\left(t\right)}{dt}+L_e\frac{di\left(t\right)}{dt}+R_{e}i\left(t\right)=v\left(t\right)$

其中，R_e为制冷机的等效电阻，L_e为制冷机的等效电感，x(t)为制冷机的活塞位移，v(t)为制冷机输入电压，i(t)为制冷机定子电流，α为C_eΦ制冷机的电势系数；

根据制冷机活塞的位置，微处理器通过功率控制电路对制冷机的输入功率进行控制，使制冷机的活塞控制在平衡位置；

当制冷机的活塞位于平衡位置后，对制冷机加载正常的等幅交流电压，使制冷机进入正常工作状态；

(3)环境温度采集电路实时采集制冷机工作的环境温度，并将环境温度数据发送至微处理器；

微处理器根据环境温度数据选取合适的控制参数，并通过功率控制电路对制冷机的输入功率进行控制。

和现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明适用于气体轴承斯特林制冷机、气体轴承斯特林发电机以及气体轴承直线压缩机等基于气体轴承支承技术产品的启动和控制。该制冷机控制系统及其控制方法能够解决现有技术中制冷机启动撞缸和低温工作撞缸的问题，不仅能够保证制冷机在低温下可靠运行，满足斯特林制冷机高效稳定的输出能力和温控精度要求，还能够解决各种工况下的启动撞缸问题，保证斯特林制冷机能够成功开机。

(2)本发明通过对制冷机活塞位置进行计算，并对活塞的初始位置进行定位，保证制冷机的活塞位置处于平衡点时进行正常的工作电压的加载，从而使活塞处于任何工况下都能正常启动，有效解决了制冷机活塞启动撞缸的问题。

(3)本发明通过对制冷机工作的环境温度进行辨识，微处理器根据环境温度辨识结果控制功率控制电路加载在制冷机上的功率，从而有效避免制冷机低温撞缸问题的出现，提高制冷机系统的可靠性，使制冷机在环境温度较低的情况下能够正常的工作，延长制冷机的使用寿命。

附图说明

图1是气体轴承斯特林制冷机控制系统的原理图；

图2是制冷温度采集电路和环境温度采集电路的电路原理图；

图3是电压电流采集电路和功率控制电路的电路原理图；

图4是制冷机活塞运动状态示意图，当活塞启动前处于a或c位置时，即为平衡位置；

图5是制冷机活塞位置估算及定位的方法流程图；

图6是制冷机工作时的等效电路图；

图7是制冷机工作环境温度辨识及制冷机参数控制的方法流程图。

其中：

1、制冷温度采集电路，2、环境温度采集电路，3、电压电流采集电路，4、功率控制电路，5、制冷机，6、微处理器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示的一种气体轴承斯特林制冷机控制系统，包括微处理器6、制冷温度采集电路1、环境温度采集电路2、电压电流采集电3路和功率控制电路4。所述制冷温度采集电路1、环境温度采集电路2的输出端分别与微处理器6的输入端相连；所述微处理器6的输出端与功率控制电路4的输入端相连；所述功率控制电路4的输出端分别与电压电流采集电路3的输入端、制冷机5的功率输入端相连。优选的，所述微处器采用微软公司的DSPIC30F6015芯片。微处理器通过对制冷温度、环境温度、电压电流等反馈信号综合处理，计算得出合理的控制信号对功率控制电路进行控制。

如图2所示，所述制冷温度采集电路1包括安装在制冷机5冷头上的第一温度传感器和信号调理电路。优选的，所述第一温度传感器的型号为SMBT2222。所述信号调理电路包括第一运算放大器U1、滤波电容C1、第二运算放大器U2和第一A/D转换器。所述第一运算放大器，其同相输入端经电阻R1接电源，其反向输入端经电阻R2接地，其输出端依次经电阻R5、R6、R7接第二运算放大器U2的同相输入端。所述第一运算放大器，其同相输入端还经电阻R3连接到电阻R5与R6之间，其反相输入端与输出端之间设有第一RC滤波电路。所述第二运算放大器，其同相输入端经并联连接的电阻R6与电容C3接地，其反相输入端依次经电阻R8、R9接地，其输出端依次经电阻R12、第一A/D转换器接微处理器的输入端。所述第二运算放大器，其反相输入端与输出端之间设有第二RC滤波电路；所述滤波电容，其正极连接到电阻R6与R7之间，其负极连接到电阻R8与R9之间。所述第一温度传感器并联在滤波电容两端。所述第一RC滤波电路包括并联连接的电阻R4和电容C2。所述第二RC滤波电路包括并联连接的电阻R11和电容C4。

所述的环境温度采集电路2包括安装在制冷机5表面的第二温度传感器。所述第二温度传感器连接在电源与微处理器6之间。优选的，所述第二温度传感器采用温度传感器芯片AD5901。

如图3所示，所述电压电流采集电路3包括电流传感器、第二A/D转换器和输出分压电路。优选的，所述电流传感器采用霍尔电流传感器LTS25-NP；所述第二A/D转换器采用双通道的AD芯片ADS7862。所述输出分压电路包括串联连接的电阻R13与R14，该输出分压电路一端接制冷机的输入端或功率控制电路的输出端，另一端接地。所述电流传感器串联在功率控制电路输出端与制冷机输入端之间。所述第二A/D转换器，其输入端接电流传感器的输出端，其输入端还连接到电阻R13与R14之间的节点上，其输出端接微处理器的输入端。

如图3所示，所述功率控制电路4包括第一场效应管V1、第二场效应管V2、第三场效应管V3、第四场效应管V4和预驱动芯片。四个场效应管的型号均为IRF1404。预驱动芯片的型号为HIP4081。所述第一场效应管V1、第二场效应管V2、第三场效应管V3、第四场效应管V4的栅极分别与预驱动芯片的输出端相连。所述预驱动芯片的输入端接微处理器的输出端；所述第一场效应管V1，其漏极接电源，其源极接第二场效应管V2的漏极；所述第二场效应管V2的源极接地。所述第三场效应管V3，其漏极接电源，其源极接第四场效应管V4的漏极。所述第四场效应管V4的源极接地。所述第一场效应管V1的源极与第二场效应管V2的漏极之间的节点连接到制冷机的功率输入端。所述第二场效应管V3的源极与第四场效应管V4的漏极之间的节点连接到电压电流采集电路的输入端。

本发明还涉及一种上述气体轴承斯特林制冷机控制系统的控制方法，该方法包括以下步骤：

S1、制冷机温度闭环控制

制冷温度采集电路实时采集制冷机的制冷温度，并将制冷机的制冷温度信息发送至微处理器，微处理器根据制冷机的制冷温度信息对制冷机温度进行闭环控制。制冷温度采集电路1采集制冷机的制冷温度，通过信号调理电路对采集的温度信号进行调理后输出至微处理器6，微处理器6根据温度采样值，通过功率控制电路4对制冷机的温度进行闭环控制，从而实现了对制冷机温度的高精度控制。

S2、制冷机活塞位置估算及定位

S21、电压电流采集电路实时采集制冷机的工作电流和工作电压，并将制冷机的工作电流和电压信息发送至微处理器。

S22、微处理器根据制冷机的工作电流和工作电压，利用公式(1)计算出制冷机活塞的位置：

$\mathrm{\α}\frac{dx\left(t\right)}{dt}+L_e\frac{di\left(t\right)}{dt}+R_{e}i\left(t\right)=v\left(t\right)---\left(1\right)$

其中，R_e为制冷机的等效电阻，L_e为制冷机的等效电感，x(t)为制冷机的活塞位移，v(t)为制冷机输入电压，i(t)为制冷机定子电流，α为C_eΦ制冷机的电势系数。

S23、根据制冷机活塞的位置，微处理器通过功率控制电路对制冷机的输入功率进行控制，使制冷机的活塞控制在平衡位置(如图4所示的a或c位置)。所述的平衡位置，是指活塞运动行程的中心位置。

S24、当制冷机的活塞位于平衡位置后，对制冷机加载正常的等幅交流电压，使制冷机进入正常工作状态。

上述制冷机活塞位置估算及定位方法的原理为：

如图5所示，电压电流采集电路3，用于采集制冷机的工作电流和工作电压，通过第二A/D转换器处理后发送至微处理器6；微处理器6根据电压电流值计算出制冷机活塞的位置，根据制冷机活塞的位置通过功率控制电路控制制冷机的输入功率，进而控制制冷机活塞受到的电磁力的大小与方向，完成自由活塞的定位启动，避免制冷机启动时撞缸问题的出现，大大提高制冷机的启动可靠性。在制冷机运行过程中，也可以采用该制冷机活塞位置估算及定位方法对制冷机活塞进行定位，避免制冷机在各种工况下撞缸。具体地说，根据图6给出的等效电路计算活塞的位置，根据回路定律可列出制冷机的电压平衡方程式：

$\mathrm{\α}\frac{dx\left(t\right)}{dt}+L_e\frac{di\left(t\right)}{dt}+R_{e}i\left(t\right)=v\left(t\right)---\left(1\right)$

进一步推导可得：

$\frac{dx\left(t\right)}{dt}=\frac{1}{\mathrm{\α}}\left(v\right(t)-L_e\frac{di\left(t\right)}{dt}-R_{e}i(t\left)\right)---\left(2\right)$

将上述公式离散化即可得到位置估算的软件设计算法如下：

其中， $k_1=\frac{1}{1+T_s{\mathrm{\ω}}_0},k_2=\frac{T_s}{1+T_s{\mathrm{\ω}}_0}$ 为非理想积分器。

根据制冷机的电压平衡方程式和反电动势方程来计算制冷机活塞的位置。在电压平衡方程式(1)中，反电动势的大小和活塞在整个行程中的位置有直接的关系。因此，即可根据反电动势的大小来估算活塞的位移。而在电压平衡方程式(1)中，反电动势的大小即等于输入电压减去感抗和阻抗的分压。据此，可得出制冷机活塞的位置。

S3、制冷机工作环境温度辨识及制冷机参数控制

S31、环境温度采集电路实时采集制冷机工作的环境温度，并将环境温度数据发送至微处理器。

S32、微处理器根据环境温度数据选取合适的控制参数，并通过功率控制电路对制冷机的输入功率进行控制。

环境温度采集电路2采集制冷机工作的环境温度，并将环境温度数据发送至微处理器，微处理器根据环境温度数据对制冷机环境温度进行辨识，进而根据环境温度辨识结果选择合适的控制参数对制冷机进行控制。如图7所示，首先，在系统初始化时，设置环境温度阈值，包括高温限幅值T1和低温限幅值T2；其次，微处理器读取环境温度采集电路采集的环境温度数据T并进行判断分析，若T＞T1，则运行高温程序，若T1＞T＞T2，则运行常温程序，若T＜T3，则运行低温程序。由于在不同的环境温度下，制冷机的阻抗等参数发生较大变化，因此，为了保证制冷机在不同环境温度下工作的稳定性，根据不同的环境温度，设置了相应的控制程序(高温程序、常温程序和低温程序)，实现控制参数的环境自适应，已达到最优的控制效果。在低温程序中，降低功率电路的最大输出功率，进而限制制冷机动子的行程，以避免低温状态下制冷机动子行程过大发生撞缸现象。在高温程序中，增大最大输出功率，以增大制冷机的制冷量，提升制冷机的高温环境适应性。另外，高低温程序中对PID控制等参数的选择也有不同的要求，由于低温环境下降温速度较快，适合选择动态响应较小的PID参数。而高温环境下降温速度较慢，应该选择动态响应较快的PID参数。本发明通过对制冷机工作的环境温度进行辨识，微处理器根据环境温度辨识结果控制功率控制电路加载在制冷机上的功率，从而有效避免制冷机低温撞缸问题的出现，提高制冷机系统的可靠性，使制冷机在环境温度较低的情况下能够正常的工作，延长制冷机的使用寿命。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种气体轴承斯特林制冷机控制系统，其特征在于：包括微处理器、用于采集制冷机制冷温度的制冷温度采集电路、用于采集制冷机工作环境温度的环境温度采集电路、用于采集制冷机工作电压及电流的电压电流采集电路和用于调整制冷机功率的功率控制电路；

所述制冷温度采集电路、环境温度采集电路的输出端分别与微处理器的输入端相连；所述微处理器的输出端与功率控制电路的输入端相连；所述功率控制电路的输出端分别与电压电流采集电路的输入端、制冷机的功率输入端相连。

2.根据权利要求1所述的一种气体轴承斯特林制冷机控制系统，其特征在于：所述微处器采用微软公司的DSPIC30F6015芯片。

3.根据权利要求1所述的一种气体轴承斯特林制冷机控制系统，其特征在于：所述制冷温度采集电路包括安装在制冷机冷头上的第一温度传感器和信号调理电路；

所述信号调理电路包括第一运算放大器U1、滤波电容C1、第二运算放大器U2和第一A/D转换器；所述第一运算放大器，其同相输入端经电阻R1接电源，其反向输入端经电阻R2接地，其输出端依次经电阻R5、R6、R7接第二运算放大器U2的同相输入端；所述第一运算放大器，其同相输入端还经电阻R3连接到电阻R5与R6之间，其反相输入端与输出端之间设有第一RC滤波电路；所述第二运算放大器，其同相输入端经并联连接的电阻R6与电容C3接地，其反相输入端依次经电阻R8、R9接地，其输出端依次经电阻R12、第一A/D转换器接微处理器的输入端；所述第二运算放大器，其反相输入端与输出端之间设有第二RC滤波电路；所述滤波电容，其正极连接到电阻R6与R7之间，其负极连接到电阻R8与R9之间；所述第一温度传感器并联在滤波电容两端。

4.根据权利要求1所述的一种气体轴承斯特林制冷机控制系统，其特征在于：所述的环境温度采集电路包括安装在制冷机表面的第二温度传感器；所述第二温度传感器连接在电源与微处理器之间。

5.根据权利要求1所述的一种气体轴承斯特林制冷机控制系统，其特征在于：所述电压电流采集电路包括电流传感器、第二A/D转换器和输出分压电路；所述输出分压电路包括串联连接的电阻R13与R14，该输出分压电路一端接制冷机的输入端或功率控制电路的输出端，另一端接地；所述电流传感器串联在功率控制电路输出端与制冷机输入端之间；所述第二A/D转换器，其输入端接电流传感器的输出端，其输入端还连接到电阻R13与R14之间的节点上，其输出端接微处理器的输入端。

6.根据权利要求1所述的一种气体轴承斯特林制冷机控制系统，其特征在于：所述功率控制电路包括第一场效应管V1、第二场效应管V2、第三场效应管V3、第四场效应管V4和预驱动芯片；所述第一场效应管V1、第二场效应管V2、第三场效应管V3、第四场效应管V4的栅极分别与预驱动芯片的输出端相连；所述预驱动芯片的输入端接微处理器的输出端；所述第一场效应管V1，其漏极接电源，其源极接第二场效应管V2的漏极；所述第二场效应管V2的源极接地；所述第三场效应管V3，其漏极接电源，其源极接第四场效应管V4的漏极；所述第四场效应管V4的源极接地；所述第一场效应管V1的源极与第二场效应管V2的漏极之间的节点连接到制冷机的功率输入端；所述第二场效应管V3的源极与第四场效应管V4的漏极之间的节点连接到电压电流采集电路的输入端。

7.根据权利要求1～3任意一项所述的控制系统的控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

(1)制冷温度采集电路实时采集制冷机的制冷温度，并将制冷机的制冷温度信息发送至微处理器，微处理器根据制冷机的制冷温度信息对制冷机温度进行闭环控制；

(2)电压电流采集电路实时采集制冷机的工作电流和工作电压，并将制冷机的工作电流和电压信息发送至微处理器；

微处理器根据制冷机的工作电流和工作电压，利用以下公式计算出制冷机活塞的位置：

$\mathrm{\α}\frac{dx\left(t\right)}{dt}+L_e\frac{di\left(t\right)}{dt}+R_{e}i\left(t\right)=v\left(t\right)$

其中，R_e为制冷机的等效电阻，L_e为制冷机的等效电感，x(t)为制冷机的活塞位移，v(t)为制冷机输入电压，i(t)为制冷机定子电流，α为C_eΦ制冷机的电势系数；

根据制冷机活塞的位置，微处理器通过功率控制电路对制冷机的输入功率进行控制，使制冷机的活塞控制在平衡位置；

当制冷机的活塞位于平衡位置后，对制冷机加载正常的等幅交流电压，使制冷机进入正常工作状态；

(3)环境温度采集电路实时采集制冷机工作的环境温度，并将环境温度数据发送至微处理器；

微处理器根据环境温度数据选取合适的控制参数，并通过功率控制电路对制冷机的输入功率进行控制。