CN106655963A - 一种基于自由活塞式斯特林直线电机的双向控制电路及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于自由活塞式斯特林直线电机发电系统技术领域，具体公开一种基于自由活塞式斯特林直线电机的双向控制电路及控制方法，该电路包括微处理器、整流逆变器、储能装置、制动电路、双向DC‑DC变换器、单向直线电机、自由活塞式斯特林发电机系统、泄放电路、电源管理、电流传感器、压力波传感器，该方法包括电动状态和发电状态。该控制电路及控制方法不仅可以提直线电机单相控制系统的启动概率还可以减少系统的启动所需时间，同时减少系统启动过程中振动过大的现象。

Description

一种基于自由活塞式斯特林直线电机的双向控制电路及控制方法

技术领域

本发明属于自由活塞式斯特林直线电机发电系统技术领域，具体涉及一种基于自由活塞式斯特林直线电机的双向控制电路及控制方法。

背景技术

传统的空间应用能源利用率很低，只有4％。现采用同位素热源为自由活塞式斯特林直线电机发电系统供热，其转换效率可达到20％，要高于大多数的热电转换系统的效率。

小功率自由活塞式斯特林直线电机单相控制系统的相关研究，促使可以在无动力电源条件下实现系统的自启动和将太阳能、核能等能量稳定高质量的转换为电能，为未来空间应用奠定基础。由于工艺等个各方面的限制，自由活塞式斯特林发电系统还面临许多问题，如适合实现电机轻小型密封性良好长时间在轨运行，电机不能完美的自启动等现象。

发明内容

本发明的目的在于提供种基于自由活塞式斯特林直线电机的双向控制电路及控制方法，该电路及方法不仅能够提高直线电机单相控制系统的启动，概率还可以减少系统的启动所需时间，减少系统启动过程中振动过大的现象。

实现本发明目的的技术方案：一种基于斯特林直线电机的双向控制电路，该电路包括微处理器、整流逆变器、储能装置、制动电路、双向DC-DC变换器、单向直线电机、自由活塞式斯特林发电机系统、泄放电路、电源管理、电流传感器、压力波传感器，微处理器的输出端分别与整流逆变器、储能装置、双向DC-DC变换器的输入端连接；整流逆变器的输出端分别与储能装置、双向 DC-DC变换器、单向直线电机的输入端；储能装置的输出端与制动电路的输入端连接，制动电路的输出端与泄放电路的输入端连接；双向DC-DC变换器的输出端与制动电路的输入端连接；电源管理的输出端与双向DC-DC变换器的输入端连接；单向直线电机的输出端与自由活塞式斯特林发电机系统、电路传感器、压力传感器波、整流逆变器的输入端连接，电路传感器、压力传感器波的输出端与微处理器1输入端连接。

所述的微处理器为DSP，整流逆变器由第一三极管D1、第二三级管D3、第三三极管D5、第四三极管D7、第一二极管D2、第二二极管D4、第三二极管D6、第四二极管D8组成，第一三极管D1的栅极与DSP的输出端连接，第一三极管D1的集电极与第一二极管D2的阴极连接，第一三极管D1的发射极与第一二极管D2的阳极连接；第三极管D5的栅极与DSP的输出端连接，第三三极管D5的集电极与第三二极管D6的阴极连接，第三三极管D5的发射极与第三二极管D6的阳极连接；第二三极管D3的栅极与DSP的输出端连接，第二三极管D3的集电极与第二二极管D4的阴极连接，第二三极管D3的发射极与第二二极管D4的阳极连接；第四三极管D7的栅极与DSP的输出端连接，第四三极管D7的集电极与第四二极管D8的阴极连接，第四三极管D7的发射极与第四二极管D8的阳极连接；第一三极管D1、第二三级管D3、第三三极管D5、第四三极管D7的基极均与DSP连接。

所述的储能装置为第一电容C1，第一三极管D1、第二三级管D3的栅极、第一二极管D2、第二二极管D4的阴极均与第一电容C1的一端连接，第一电容C1的另一端与第三三极管D5、第四三级管D7的栅极、第三二极管D6、第四二极管D8的阴极连接。

所述的制动电路为运放U，第一电容C1的一端与运放U的输入端连接；泄 放电路由第五三极管D13、电阻R组成，运放U的输出端与第五三极管D13基极连接，第五三极管D13的发射极与第一电容C1的另一端连接；第五三极管D13的集电极与电阻R的一端连接，电阻R的另一端与运放U的输入端、第一电容C1的一端连接。

所述的双向DC-DC变换器由第六三极管D9、第五二极管D10、第七三极管D11、第六二极管D12、电感L、第二电容C2组成，第六三极管D9、第七三极管D11的基极与DSP连接，第六三极管D9的集电极与第五二极管D10的阴极连接后与电阻R连接，第六三极管D9的发射极与第五二极管D10的阳极连接后与第五三极管D13的发射极连接，第六三极管D9的发射极、第七三极管D11的集电极与电感L的一端连接，电感L的另一端与第二电容C2的一端连接，第二电容C2的另一端与第七三极管D11的发射极、第六二极管D12的阳极连接。

所述的源管理电路由电池V和负载Z并联组成，电池V的正极与电感L、第二电容C2的连接点连接，电池V的负极与第二电容C2的另一端连接。

所述的第一三极管D1的发射极、第一二极管D2的阳极与单向直线电机的输入端、电流传感器的输入端连接，电流传感器的输出端与DSP连接。单向直线电机的输出端与压力波传感器的输入端、自由活塞式斯特林发电机系统的输入端连接，压力波传感器的输出端与DSP连接，自由活塞式斯特林发电机系统的输出端与第四三极管D7的集电极、第四二极管D8的阴极连接。

一种基于斯特林直线电机的双向控制电路的方法，该方法包括以下步骤：

(1)电动状态

(1.1)电源管理电路为各部分提供所需的电能；

(1.2)微处理器DSP向双向DC-DC变换器发送PWM波，此时双向DC-DC 变换器将电源管理电路提供的低压侧电压升高为高压侧直流母线A供电；

(1.3)同时微处理器DSP为整流逆变器发送多路PWM波，此时整流逆变器作为逆变器产生振荡电流为单相直线电机供电，使单向直线电机运动；

(1.4)单向直线电机带动自由活塞式斯特林发动机产生谐振，完成启动状态；

整个上述步骤(1)的过程中微处理器DSP接收双向DC-DC变换器所反馈的输入端与输出点电压信号、电流传感器和压力波传感器反馈的信号；

(2)发电状态

(2.1)自由活塞式斯特林发动机作为发电机带动单向直线电机运动，将机械能转换为电能；

(2.2)产生的电流经过整流逆变器，此时的整流逆变器是作为整流器使用，使得单向直线电机产生的交流电流转换为直流；

(2.3)整流逆变器产生的直流电压作为高压侧母线A的电压经过储能装置、双向DC-DC变换器，由微处理器DSP发出的PWM波控制将高压侧直流母线A电压降压到预期的范围，给电源管理电路充电；

(2.4)当整流逆变器产生的未超出阈值时，通过储能装置进行能量存储；

(2.5)当高压侧母线A电压超出阈值时，通过制动电路进行电压泄放；

(2.6)遇到外部紧急停机、过流时，通过微处理器DSP强制制动电路动作，并自动锁定该电路。

本发明的有益技术效果：本发明的电路采用压力波传感器代替原有位置传感器测量压力的波动，经过数据拟合，获得活塞的位置转换成相应的电压力信号，并且这种压力传感器是安装在系统原有的充气阀门之上，既不破坏系统的密封性，又不增加系统密闭空间，又能实时测量出系统的运行情况。本发明的 电路采用多个电容串并联结构，并为保证系统安全运行，当母线电压高出允许范围威胁系统安全运行时，会触动自动电路泄放电压。本发明的储能电容就采用用多个储能电容进行串、并连设计，既满足长时间在轨、无人维护的工作环境的需要，又增加系统的可靠性。本发明的方法考虑在系统的自启动阶段，在原有控制回路中添加系统的实时频率控制，即通过检测系统现有频率及系统启动状态，如电压、电流值来改变系统给定的频率，迫使系统达到其谐振点，这样不仅可以提高系统的启动概率还可以减少系统的启动所需时间，同时减少系统启动过程中振动过大的现象。本发明的方法采用实时侧量压力波动的压力波传感器+基于反电势测量，通过数据拟合的一种方式，既满足了系统对位置测量的精确要求，又由于是在系统本身外带有的充气阀门处安装压力波传感器，既不增加系统体积又不破坏密封性。本发明的方法在系统启动控制环节，经过上面叙述可知，添加扫频环，保持原有的电流、电压环不变，添加一个频率比较器，当检测的系统频率没有达到谐振频率点时，调整给定频率，直到系统达到稳定的谐振点。

附图说明

图1为本发明所提供的一种基于斯特林直线电机的双向控制电路的系统示意图；

图2为本发明所提供的一种基于斯特林直线电机的双向控制电路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

小功率的自由活塞式斯特林直线电机控制系统的控制过程主要分为两个阶段，第一阶段是启动控制，此时热源为系统提供热能，控制系统通过蓄电池进行电压变换为直线电机供电拖动直线电机运行，此时直线电机作为电动机使用， 带动自由活塞式斯特林发动机运行；第二阶段是发电状态，当电机平稳运行后，直线电机作为发电机使用，并由自由活塞式斯特林发动机带动直线电机，发出交流电，通过电压变换为负载和蓄电池供电。

如图1所示，本发明所提供的一种基于斯特林直线电机的双向控制电路，该电路要是实现一种完全自启动的一个脱离电网的发电电路，该电路包括微处理器1、整流逆变器2、储能装置3、制动电路4、双向DC-DC变换器5、单向直线电机6、自由活塞式斯特林发电机系统7、泄放电路8、电源管理电路9、电流传感器10、压力波传感器11。微处理器1的输出端分别与整流逆变器2、储能装置3、双向DC-DC变换器5的输入端连接；整流逆变器2的输出端分别与储能装置3、双向DC-DC变换器5、单向直线电机6的输入端连接。储能装置3的输出端与制动电路4的输入端连接，制动电路4的输出端与泄放电路8的输入端连接。双向DC-DC变换器5的输出端与制动电路4的输入端连接；电源管理电路9的输出端与双向DC-DC变换器5的输入端连接。单向直线电机6的输出端与自由活塞式斯特林发电机系统7、电路传感器10、压力传感器波11、整流逆变器2的输入端连接，电路传感器10、压力传感器波11的输出端与微处理器1输入端连接。

其中，双向DC-DC变换可以在系统所需启动电压不大时换成单向的降压电路，只在系统发电时使用。

如图1所示，该电路控制分为两部分，一部分是单向直线电机6带动自由活塞式斯特林发动机7运动使电能装化为机械能，该部分称之为电动部分；第二部分是自由活塞式斯特林发动机7带动单向直线电机6运动产生电能，称之为发电状态。

如图1所示，本发明所提供的一种基于斯特林直线电机的双向控制方法， 该方法包括以下步骤：

(1)电动状态

(1.1)电源管理电路9为各部分提供所需的电能。

(1.2)微处理器DSP1向双向DC-DC变换器5发送PWM波，此时双向DC-DC变换器5是作为boost电路将电源管理电路9提供的低压侧电压升高为高压侧直流母线供电。

(1.3)同时微处理器DSP1为整流逆变器2发送一定占空比的多路PWM波，此时整流逆变器2作为逆变器产生振荡电流为单相直线电机6供电，将单向直线电机6的动子拉离平衡位置，使其运动。

(1.4)单向直线电机6带动紧密相连的自由活塞式斯特林发动机7产生谐振，完成启动状态。

整个过程中微处理器DSP1接收双向DC-DC变换器5所反馈的输入端与输出点电压信号、电流传感器10和压力波传感器11反馈的信号，并根据反馈做出相应的控制。此阶段要有稳定的电磁推力，因此要控制电枢电流。并且单向直线电机6、自由活塞式斯特林发动机7之间省略了传统的机械连接，需要对电机的活塞位置进行控制，因此此阶段采用行程、电流控制策略。

(2)发电状态

当电动状态达到预期值时，此时电动状态切换到发电状态。

(2.1)自由活塞式斯特林发动机7作为发电机带动单向直线电机6运动，将机械能转换为电能。

(2.2)产生的电流经过整流逆变器2，此时的整流逆变器2是作为整流器使用，使得单向直线电机6产生的交流电流转换为直流。

(2.3)整流逆变器2产生的直流电压作为高压侧母线A的电压经过储能装 置3、双向DC-DC变换器5，此时双向DC-DC变换器5作为BUCK电路，由微处理器DSP1发出的PWM波控制将高压侧直流母线电压降压到预期的范围，给电源管理电路9充电。

(2.4)当整流逆变器2产生的电压较高但并未超出阈值时，可通过储能装置3进行能量存储，提高系统效率。

(2.5)当高压侧直线电压超出阈值时，通过制动电路4可以进行电压泄放，保证高压侧电压在预期的范围内。

(2.6)遇到外部紧急停机、过流等情况(高压侧直流母线电压在范围内)，可通过微处理器DSP1强制制动电路4动作，并自动锁定该电路，保护系统。

发电状态过程中，输出电压与活塞行程成比例关系，因此可以通过控制行程开控制输出电压。

如图2所示，微处理器1为DSP。整流逆变器2由第一三极管D1、第二三级管D3、第三三极管D5、第四三极管D7、第一二极管D2、第二二极管D4、第三二极管D6、第四二极管D8组成，第一三极管D1的栅极与DSP的输出端连接，第一三极管D1的集电极与第一二极管D2的阴极连接，第一三极管D1的发射极与第一二极管D2的阳极连接；第三极管D5的栅极与DSP的输出端连接，第三三极管D5的集电极与第三二极管D6的阴极连接，第三三极管D5的发射极与第三二极管D6的阳极连接。第二三极管D3的栅极与DSP的输出端连接，第二三极管D3的集电极与第二二极管D4的阴极连接，第二三极管D3的发射极与第二二极管D4的阳极连接；第四三极管D7的栅极与DSP的输出端连接，第四三极管D7的集电极与第四二极管D8的阴极连接，第四三极管D7的发射极与第四二极管D8的阳极连接；第一三极管D1、第二三级管D3、第三三极管D5、第四三极管D7的基极均与DSP连接。储能装置3为第一电容C1， 第一三极管D1、第二三级管D3的栅极、第一二极管D2、第二二极管D4的阴极均与第一电容C1的一端连接，第一电容C1的另一端与第三三极管D5、第四三级管D7的栅极、第三二极管D6、第四二极管D8的阴极连接。制动电路4为运放U，第一电容C1的一端与运放U的输入端连接。泄放电路8由第五三极管D13、电阻R组成，运放U的输出端与第五三极管D13基极连接，第五三极管D13的发射极与第一电容C1的另一端连接；第五三极管D13的集电极与电阻R的一端连接，电阻R的另一端与运放U的输入端、第一电容C1的一端连接。双向DC-DC变换器5由第六三极管D9、第五二极管D10、第七三极管D11、第六二极管D12、电感L、第二电容C2组成，第六三极管D9、第七三极管D11的基极与DSP连接，第六三极管D9的集电极与第五二极管D10的阴极连接后与电阻R连接，第六三极管D9的发射极与第五二极管D10的阳极连接后与第五三极管D13的发射极连接，第六三极管D9的发射极、第七三极管D11的集电极与电感L的一端连接，电感L的另一端与第二电容C2的一端连接，第二电容C2的另一端与第七三极管D11的发射极、第六二极管D12的阳极连接。电源管理电路9由电池V和负载Z并联组成，电池V的正极与电感L、第二电容C2的连接点连接，电池V的负极与第二电容C2的另一端连接。

第一三极管D1的发射极、第一二极管D2的阳极与单向直线电机6的输入端、电流传感器10的输入端连接，电流传感器10的输出端与DSP连接。单向直线电机6的输出端与压力波传感器11的输入端、自由活塞式斯特林发电机系统7的输入端连接，压力波传感器11的输出端与DSP连接，自由活塞式斯特林发电机系统7的输出端与第四三极管D7的集电极、第四二极管D8的阴极连接。

如图1所示，本发明所提供的一种基于斯特林直线电机的双向控制电路的工作原理：

(1)电动状态

电源管理电路9的负载Z接到指令，电源管理电路9的电池V给整个控制电路供电。DSP采集高压侧直流母线A的电压，DSP发出PWM传给高压侧直流母线A，控制双向DC-DC变换器5的下桥臂的三极管D5、D7开通，L、C2形成蓄能电路，蓄能电路使得高压侧直流母线A的电压上升，达到阈值时，DSP使整流逆变器2的三极管D1、D3按一定占空比导通，将直流电转换为交流电，带动单向直线电机6转动，单向直线电机6拉动自由活塞式斯特林发电机系统7做往复运动。当位置传感器11监测到自由活塞式斯特林发电机系统7的活塞的位置，或者高压母线8达到设定值，此时转为发电状态。

(2)发电状态

DSP关断整流逆变器2的所有三极管，通过流逆变器2的二极管整流，将交流电转为直流电，双向DC-DC变换器5的下桥臂，双向DC-DC变换器5的上臂桥按一定占空比打开，L、C2、双向DC-DC变换器5的下桥臂的所有二极管形成降压电路，将高压侧直流母线A的电压转为低压电压，给电源管理电路9的电池V充电，形成离网状态，无需外部供电。如果高压侧直流母线A电压过高，通过运放4驱动泄放电路8的三极管D13导通，泄放能量，高压侧直流母线A的电压回到设定值范围内。电流传感器10定时监测自由活塞式斯特林发电机系统7的电流，定时传给DSP进行PID运算。当高压侧直流母线A的电压低于设定值时，储能装置3给高压母线提供电能，维持电路正常运行。

上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。

Claims (8)

1.一种基于斯特林直线电机的双向控制电路，其特征在于：该电路包括微处理器(1)、整流逆变器(2)、储能装置(3)、制动电路(4)、双向DC-DC变换器(5)、单向直线电机(6)、自由活塞式斯特林发电机系统(7)、泄放电路(8)、电源管理(9)、电流传感器(10)、压力波传感器(11)，微处理器(1)的输出端分别与整流逆变器(2)、储能装置(3)、双向DC-DC变换器(5)的输入端连接；整流逆变器(2)的输出端分别与储能装置(3)、双向DC-DC变换器(5)、单向直线电机(6)的输入端；储能装置(3)的输出端与制动电路(4)的输入端连接，制动电路(4)的输出端与泄放电路(8)的输入端连接；双向DC-DC变换器(5)的输出端与制动电路(4)的输入端连接；电源管理(9)的输出端与双向DC-DC变换器(5)的输入端连接；单向直线电机(6)的输出端与自由活塞式斯特林发电机系统(7)、电路传感器(10)、压力传感器波(11)、整流逆变器(2)的输入端连接，电路传感器(10)、压力传感器波(11)的输出端与微处理器1输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于斯特林直线电机的双向控制电路，其特征在于：所述的微处理器(1)为DSP，整流逆变器(2)由第一三极管D1、第二三级管D3、第三三极管D5、第四三极管D7、第一二极管D2、第二二极管D4、第三二极管D6、第四二极管D8组成，第一三极管D1的栅极与DSP的输出端连接，第一三极管D1的集电极与第一二极管D2的阴极连接，第一三极管D1的发射极与第一二极管D2的阳极连接；第三极管D5的栅极与DSP的输出端连接，第三三极管D5的集电极与第三二极管D6的阴极连接，第三三极管D5的发射极与第三二极管D6的阳极连接；第二三极管D3的栅极与DSP的输出端连接，第二三极管D3的集电极与第二二极管D4的阴极连接，第二三极管D3的发射极与第二二极管D4的阳极连接；第四三极管D7的栅极与DSP的输出端连接，第四三极管D7的集电极与第四二极管D8的阴极连接，第四三极管D7的发射极与第四二极管D8的阳极连接；第一三极管D1、第二三级管D3、第三三极管D5、第四三极管D7的基极均与DSP连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于斯特林直线电机的双向控制电路，其特征在于：所述的储能装置(3)为第一电容C1，第一三极管D1、第二三级管D3的栅极、第一二极管D2、第二二极管D4的阴极均与第一电容C1的一端连接，第一电容C1的另一端与第三三极管D5、第四三级管D7的栅极、第三二极管D6、第四二极管D8的阴极连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于斯特林直线电机的双向控制电路，其特征在于：所述的制动电路(4)为运放U，第一电容C1的一端与运放U的输入端连接；泄放电路(8)由第五三极管D13、电阻R组成，运放U的输出端与第五三极管D13基极连接，第五三极管D13的发射极与第一电容C1的另一端连接；第五三极管D13的集电极与电阻R的一端连接，电阻R的另一端与运放U的输入端、第一电容C1的一端连接。

5.根据权利要求4所述的一种基于斯特林直线电机的双向控制电路，其特征在于：所述的双向DC-DC变换器(5)由第六三极管D9、第五二极管D10、第七三极管D11、第六二极管D12、电感L、第二电容C2组成，第六三极管D9、第七三极管D11的基极与DSP连接，第六三极管D9的集电极与第五二极管D10的阴极连接后与电阻R连接，第六三极管D9的发射极与第五二极管D10的阳极连接后与第五三极管D13的发射极连接，第六三极管D9的发射极、第七三极管D11的集电极与电感L的一端连接，电感L的另一端与第二电容C2的一端连接，第二电容C2的另一端与第七三极管D11的发射极、第六二极管D12的阳极连接。

6.根据权利要求5所述的一种基于斯特林直线电机的双向控制电路，其特征在于：所述的源管理电路(9)由电池V和负载Z并联组成，电池V的正极与电感L、第二电容C2的连接点连接，电池V的负极与第二电容C2的另一端连接。

7.根据权利要求6所述的一种基于斯特林直线电机的双向控制电路，其特征在于：所述的第一三极管D1的发射极、第一二极管D2的阳极与单向直线电机(6)的输入端、电流传感器(10)的输入端连接，电流传感器(10)的输出端与DSP连接。单向直线电机(6)的输出端与压力波传感器(11)的输入端、自由活塞式斯特林发电机系统(7)的输入端连接，压力波传感器(11)的输出端与DSP连接，自由活塞式斯特林发电机系统(7)的输出端与第四三极管D7的集电极、第四二极管D8的阴极连接。

8.一种基于斯特林直线电机的双向控制电路的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)电动状态

(1.1)电源管理电路(9)为各部分提供所需的电能；

(1.2)微处理器DSP(1)向双向DC-DC变换器(5)发送PWM波，此时双向DC-DC变换器(5)将电源管理电路(9)提供的低压侧电压升高为高压侧直流母线A供电；

(1.3)同时微处理器DSP(1)为整流逆变器(2)发送多路PWM波，此时整流逆变器(2)作为逆变器产生振荡电流为单相直线电机(6)供电，使单向直线电机(6)运动；

(1.4)单向直线电机(6)带动自由活塞式斯特林发动机(7)产生谐振，完成启动状态；

整个上述步骤(1)的过程中微处理器DSP(1)接收双向DC-DC变换器(5)所反馈的输入端与输出点电压信号、电流传感器(10)和压力波传感器(11)反馈的信号；

(2)发电状态

(2.1)自由活塞式斯特林发动机(7)作为发电机带动单向直线电机(6)运动，将机械能转换为电能；

(2.2)产生的电流经过整流逆变器(2)，此时的整流逆变器(2)是作为整流器使用，使得单向直线电机(6)产生的交流电流转换为直流；

(2.3)整流逆变器(2)产生的直流电压作为高压侧母线A的电压经过储能装置(3)、双向DC-DC变换器(5)，由微处理器DSP(1)发出的PWM波控制将高压侧直流母线A电压降压到预期的范围，给电源管理电路(9)充电；

(2.4)当整流逆变器(2)产生的未超出阈值时，通过储能装置(3)进行能量存储；

(2.5)当高压侧母线A电压超出阈值时，通过制动电路(4)进行电压泄放；

(2.6)遇到外部紧急停机、过流时，通过微处理器DSP(1)强制制动电路(4)动作，并自动锁定该电路。