CN207442726U - 直线振荡电机的机械谐振频率跟踪控制器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种直线振荡电机的机械谐振频率跟踪控制器，其中包括电流检测模块、电压检测模块、DSP控制器模块、DC‑AC变流模块、电源模块和弹簧负载器，所述电流检测模块和电压检测模块分别检测直线振荡电机的定子电流和DC‑AC变流模块的直流母线电压。本实用新型提供了一种体积小、响应快、抗干扰能力强和效率高的直线振荡电机的机械谐振频率跟踪控制器，当直线振荡电机负载变化时，通过该技术方案能使电气驱动频率快速跟踪机械谐振频率的变化，提高整个直线振荡电机系统的运行效率；该技术方案仅需要检测输入直线振荡电机的电流信号和电压信号，无需安装位移传感器，也无需复杂的相位计算，而且直线振荡电机运行在全速范围内均可以快速跟踪机械谐振频率。
Description
技术领域
本实用新型涉及机电控制技术领域，具体是指一种体积小、响应快、抗干扰能力强和效率高的直线振荡电机的机械谐振频率跟踪控制器。
背景技术
直线压缩机是一种采用直线振荡电机直接驱动的新型压缩机。与传统的活塞式压缩机相比，可以省去曲柄连杆等将旋转运动转换成直线往复运动的中间转换机构，具有结构紧凑、传动效率高和易于控制等优点。目前，它已广泛地应用于热声、脉管和斯特林等回热式低温系统。直线压缩机以等效成一个典型二阶弹簧振荡系统。当直线振荡电机的电气驱动频率与等效机械谐振频率相同时，系统处于谐振状态，此时直线压缩机运行效率最高。直线振荡电机的等效机械谐振频率不仅与机械弹簧弹性系数和动子总质量有关系，还会随负载变化而变化，因此，研究如何跟踪直线振荡电机的等效机械谐振频率以实现系统的高效率运行是很有意义的。
目前直线振荡电机的机械谐振频率跟踪算法主要有反电动势跟踪法和电流位移相位差跟踪法。其中，反电动势跟踪法仅适用于高速往复运行工况，当直线振荡电机运行速度较低时，由于反电势数值较小导致信号采样容易受到干扰，跟踪误差较大。电流位移相位差跟踪法需要实时检测动子位移信号并进行复杂的相位差计算，位移传感器的安装不仅增加了系统的体积，而且在温度、压力等苛刻条件下很难确保位移传感器工作的可靠性。
实用新型内容
本实用新型提供了一种直线振荡电机的机械谐振频率跟踪控制器，目的在于克服现有技术中的缺陷，当直线振荡电机负载变化时，通过该技术方案能使电气驱动频率快速跟踪机械谐振频率的变化，提高整个直线振荡电机系统的运行效率。
为了实现上述目的，本实用新型具有如下构成：
该直线振荡电机的机械谐振频率跟踪控制器，包括电流检测模块、电压检测模块、DSP控制器模块、DC-AC变流模块、电源模块和弹簧负载器，其中：
所述电流检测模块和电压检测模块分别检测直线振荡电机的定子电流和DC-AC变流模块的直流母线电压，所述电流检测模块的输出端和电压检测模块的输出端分别电连接所述DSP控制器的输入端，所述DSP控制器的输出端与所述DC-AC变流模块的输入端电连接，所述DC-AC变流模块的输出端与所述直线振荡电机电连接；
所述电源模块分别为所述电流检测模块、电压检测模块、DSP控制器模块和DC-AC变流模块进行供电；
所述弹簧负载器与所述直线振荡电机相连接。
可选地，所述DSP控制器模块包括AD转换单元、谐振频率跟踪控制单元和SPWM产生单元，所述电流检测模块的输出端和电压检测模块的输出端分别电连接所述AD转换单元的输入端，所述谐振频率跟踪控制单元的输入端电连接所述AD转换单元的输出端，所述SPWM产生单元的输入端电连接所述谐振频率跟踪控制单元的输出端，所述SPWM产生单元的输出端与所述DC-AC变流模块的输入端相连接。
可选地，所述谐振频率跟踪控制单元包括平均功率计算器和谐振频率调节器，所述AD转换单元的输出端与所述平均功率计算器的输入端连接，所述平均功率计算器的输出端与所述谐振频率调节器的输入端连接，所述谐振频率调节器的输出端与所述SPWM产生单元的输入端连接。
可选地，所述电流检测模块采用霍尔电流检测芯片；所述电压检测模块采用霍尔电压检测芯片。
可选地，所述直线振荡电机为单相动磁式双定子直线振荡电机。
可选地，所述DC-AC变流模块为IPM智能功率模块，将输入的直流电压转换成交流电压输出。
可选地，所述电源模块包括一路3.3V电源单元、一路5V电源单元、一路310V电源单元，四路隔离的15V电源单元，所述3.3V电源单元为所述DSP控制器模块供电，所述5V电源单元为所述电流检测模块和电压检测模块供电，所述310V电源单元为所示DC-AC变流模块提供直流母线电压，所述15V电源模块为所述DC-AC变流模块供电。
可选地，还包括人机接口模块，所述人机接口模块包括键盘输入装置和液晶显示屏。
可选地，所述弹簧负载器为压缩弹簧。
采用了该实用新型中的直线振荡电机的机械谐振频率跟踪控制器，提供了一种体积小、响应快、抗干扰能力强和效率高的直线振荡电机的机械谐振频率跟踪控制器，当直线振荡电机负载变化时，通过该技术方案能使电气驱动频率快速跟踪机械谐振频率的变化，提高整个直线振荡电机系统的运行效率；该技术方案仅需要检测输入直线振荡电机的电流信号和电压信号，无需安装位移传感器，也无需复杂的相位计算，而且直线振荡电机运行在全速范围内均可以快速跟踪机械谐振频率。
附图说明
图1是本实用新型一实施例的直线振荡电机的机械谐振频率跟踪控制器的结构框图；
图2是本实用新型一实施例的DSP控制器模块的结构框图；
图3是本实用新型一实施例的谐振频率跟踪控制单元的结构框图；
图4是本实用新型一实施例的DSP控制模块的电路结构图；
图5是本实用新型一实施例的DC-AC变流模块的电路结构图；
图6～8是本实用新型一实施例的电源模块的电路结构图。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本实用新型的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
如图1所示，本实用新型提供了一种直线振荡电机的机械谐振频率跟踪控制器，包括电流检测模块、电压检测模块、DSP(数字信号处理)控制器模块、DC-AC变流模块、电源模块和弹簧负载器，其中：
所述电流检测模块和电压检测模块分别检测直线振荡电机的定子电流和DC-AC变流模块的直流母线电压，所述电流检测模块的输出端和电压检测模块的输出端分别电连接所述DSP控制器的输入端，所述DSP控制器的输出端与所述DC-AC变流模块的输入端电连接，所述DC-AC变流模块的输出端与所述直线振荡电机电连接；
所述电源模块分别为所述电流检测模块、电压检测模块、DSP控制器模块和DC-AC变流模块进行供电；
所述弹簧负载器与所述直线振荡电机相连接。
如图2所示，进一步地，所述DSP控制器模块包括AD转换单元、谐振频率跟踪控制单元和SPWM产生单元，所述电流检测模块的输出端和电压检测模块的输出端分别电连接所述AD转换单元的输入端，所述谐振频率跟踪控制单元的输入端电连接所述AD转换单元的输出端，所述SPWM产生单元的输入端电连接所述谐振频率跟踪控制单元的输出端，所述SPWM产生单元的输出端与所述DC-AC变流模块的输入端相连接。所述SPWM产生单元根据谐振频率调节器输出的谐振频率值，产生4路占空比可以控制的PWM信号。
如图4所示，为DSP控制器的电路结构图。其中，PWM-1H、PWM-1L、PWM-2H、PWM-2L为输出4路PWM信号，共输入4路AD采样信号，分别为整流后总线电压信号Vfb-Bus，电机绕组电流信号Ifb。
因此，所述电流检测模块采集直线振荡电机的定子相电流，电流检测模块的输出端与AD转换模块输入端连接；所述的电压检测模块采集直线振荡电机的定子相电压，电压检测模块采的输出端与AD转换模块输入端连接。所述AD转换模块输出端与谐振频率跟踪控制模块输入端连接，所述谐振频率跟踪控制模块输出端与SPWM产生模块的输入端连接，所述的SPWM产生模块的输出端与DC-AC变流模块的输入端连接，所述的DC-AC变流模块的输出端与直线振荡电机电连接，将控制信号输入到直线振荡电机中。所述直线振荡电机与弹簧负载器机械连接。SPWM(Sinusoidal PWM)法是一种比较成熟的，目前使用较广泛的PWM法。其用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。
如图3所示，进一步地，所述谐振频率跟踪控制单元包括平均功率计算器和谐振频率调节器，所述AD转换单元的输出端与所述平均功率计算器的输入端连接，所述平均功率计算器的输出端与所述谐振频率调节器的输入端连接，所述谐振频率调节器的输出端与所述SPWM产生单元的输入端连接。如果当前的平均功率大于或小于上一个电气周期的平均功率，谐振频率调节器提高或降低谐振频率值。
进一步地，所述电流检测模块采用霍尔电流检测芯片，将检测到的电流信号转换成0～3.3V电压信号；所述电压检测模块采用霍尔电压检测芯片，将检测到的高电压电流信号转换成0～3.3V小电压信号。
进一步地，所述直线振荡电机为单相动磁式双定子直线振荡电机。
进一步地，所述DC-AC变流模块为IPM智能功率模块，将输入的直流电压转换成交流电压输出。智能功率模块(IPM)是Intelligent Power Module的缩写，是一种先进的功率开关器件，具有GTR(大功率晶体管)高电流密度、低饱和电压和耐高压的优点,以及MOSFET(场效应晶体管)高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的优点。而且IPM内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路，使用起来方便，不仅减小了系统的体积以及开发时间，也大大增强了系统的可靠性，适应了当今功率器件的发展方向——模块化、复合化和功率集成电路(PIC)，在电力电子领域得到了越来越广泛的应用。
如图5所示，为IPM智能功率模块的电路结构图。其中，IPM智能功率模块输入4路PWM信号PWM-1H、PWM-1L、PWM-2H、PWM-2L，和一路控制信号ShtDwn，输出直流母线电压信号Vfb-Bus、电机绕组电流信号Ifb；模块输出的U、V相和电机绕组的两个端子电连接。
进一步地，所述电源模块包括一路3.3V电源单元、一路5V电源单元、一路310V电源单元，四路隔离的15V电源单元，所述3.3V电源单元为所述DSP控制器模块供电，所述5V电源单元为所述电流检测模块和电压检测模块，供电所述310V电源单元为所示DC-AC变流模块提供直流母线电压，所述15V电源模块为所述IPM智能功率模块供电。
如图6～8所示，为本实用新型的电源模块的电路结构图。其中，图6中示出的，电源模块输入15V直流电源，输出1路5V，1路3.3V直流电源，图7中示出的为DC-DC变换模块，输入1路直流电源，输出4路隔离的15V直流电，图8中示出的，交流电通过P1端子接入，经过整流输出直流电。
进一步地，还包括人机接口模块，所述人机接口模块包括键盘输入装置和液晶显示屏。通过键盘输入装置可以设置系统启动、暂停和复位等操作，液晶显示屏用于显示直线振荡电机的工作电流、工作电压、振荡频率等信息。
进一步地，所述弹簧负载器为压缩弹簧，通过更换压缩弹簧，可以改变系统的机械谐振频率。
该实用新型的直线振荡电机的机械谐振频率跟踪控制器的技术方案中，所采用的各个功能模块和设备等均可以采用已有的硬件设备，而无需增加软件控制方法，因此，该实用新型仅涉及对产品结构、组成和连接关系的改进，而不涉及对方法的改进。
由此，采用了该实用新型中的直线振荡电机的机械谐振频率跟踪控制器，提供了一种体积小、响应快、抗干扰能力强和效率高的直线振荡电机的机械谐振频率跟踪控制器，当直线振荡电机负载变化时，通过该技术方案能使电气驱动频率快速跟踪机械谐振频率的变化，提高整个直线振荡电机系统的运行效率；该技术方案仅需要检测输入直线振荡电机的电流信号和电压信号，无需安装位移传感器，也无需复杂的相位计算，而且直线振荡电机运行在全速范围内均可以快速跟踪机械谐振频率。
在此说明书中，本实用新型已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本实用新型的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
Claims (9)
1.一种直线振荡电机的机械谐振频率跟踪控制器，其特征在于，包括电流检测模块、电压检测模块、DSP控制器模块、DC-AC变流模块、电源模块和弹簧负载器，其中：
所述电流检测模块和电压检测模块分别检测直线振荡电机的定子电流和DC-AC变流模块的直流母线电压，所述电流检测模块的输出端和电压检测模块的输出端分别电连接所述DSP控制器的输入端，所述DSP控制器的输出端与所述DC-AC变流模块的输入端电连接，所述DC-AC变流模块的输出端与所述直线振荡电机电连接；
所述电源模块分别为所述电流检测模块、电压检测模块、DSP控制器模块和DC-AC变流模块进行供电；
所述弹簧负载器与所述直线振荡电机相连接。
2.根据权利要求1所述的直线振荡电机的机械谐振频率跟踪控制器，其特征在于，所述DSP控制器模块包括AD转换单元、谐振频率跟踪控制单元和SPWM产生单元，所述电流检测模块的输出端和电压检测模块的输出端分别电连接所述AD转换单元的输入端，所述谐振频率跟踪控制单元的输入端电连接所述AD转换单元的输出端，所述SPWM产生单元的输入端电连接所述谐振频率跟踪控制单元的输出端，所述SPWM产生单元的输出端与所述DC-AC变流模块的输入端相连接。
3.根据权利要求2所述的直线振荡电机的机械谐振频率跟踪控制器，其特征在于，所述谐振频率跟踪控制单元包括平均功率计算器和谐振频率调节器，所述AD转换单元的输出端与所述平均功率计算器的输入端连接，所述平均功率计算器的输出端与所述谐振频率调节器的输入端连接，所述谐振频率调节器的输出端与所述SPWM产生单元的输入端连接。
4.根据权利要求1所述的直线振荡电机的机械谐振频率跟踪控制器，其特征在于，所述电流检测模块采用霍尔电流检测芯片；所述电压检测模块采用霍尔电压检测芯片。
5.根据权利要求1所述的直线振荡电机的机械谐振频率跟踪控制器，其特征在于，所述直线振荡电机为单相动磁式双定子直线振荡电机。
6.根据权利要求1所述的直线振荡电机的机械谐振频率跟踪控制器，其特征在于，所述DC-AC变流模块为IPM智能功率模块，将输入的直流电压转换成交流电压输出。
7.根据权利要求1所述的直线振荡电机的机械谐振频率跟踪控制器，其特征在于，所述电源模块包括一路3.3V电源单元、一路5V电源单元、一路310V电源单元，四路隔离的15V电源单元，所述3.3V电源单元为所述DSP控制器模块供电，所述5V电源单元为所述电流检测模块和电压检测模块供电，所述310V电源单元为所述DC-AC变流模块提供直流母线电压，所述15V电源单元为所述DC-AC变流模块供电。
8.根据权利要求1所述的直线振荡电机的机械谐振频率跟踪控制器，其特征在于，还包括人机接口模块，所述人机接口模块包括键盘输入装置和液晶显示屏。
9.根据权利要求1所述的直线振荡电机的机械谐振频率跟踪控制器，其特征在于，所述弹簧负载器为压缩弹簧。
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|---|---|---|---|---|
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| WO2023065857A1 (zh) * | 2021-10-18 | 2023-04-27 | Oppo广东移动通信有限公司 | 驱动控制电路及方法、驱动模组、摄像头模组和电子设备 |
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