CN216114763U

CN216114763U - 用于斯特林制冷机的变频器及斯特林制冷机、斯特林冰箱

Info

Publication number: CN216114763U
Application number: CN202121670718.3U
Authority: CN
Inventors: 吕凯雄; 刘占杰; 陈海涛; 唐先双; 王路; 孟凡丰; 包海平
Original assignee: Qingdao Haier Biomedical Co Ltd
Current assignee: Qingdao Haier Biomedical Co Ltd
Priority date: 2021-07-21
Filing date: 2021-07-21
Publication date: 2022-03-22
Anticipated expiration: 2031-07-21

Abstract

本申请涉及低温制冷技术领域，公开一种用于斯特林制冷机的变频器，包括：H桥电路，输出端连接斯特林制冷机；过流故障保护模块，连接H桥电路的输出端和H桥电路的母线，采集斯特林制冷机的电流信号及H桥电路的母线电流信号；第一微控制单元MCU，电流信号接收端连接过流故障保护模块的电流信号输出端，接收过流故障保护模块采集的斯特林制冷机的电流信号及H桥电路的母线电流信号；第一MCU的控制输出端连接H桥电路的控制输入端。该变频器采用过流故障保护模块检测斯特林制冷机的电流及H桥电路的母线电流两个电流信号，第一MCU基于接收到的两个电流信号控制H桥电路的通断，提升了过流保护的可靠性。本申请还公开一种斯特林制冷机和斯特林冰箱。

Description

用于斯特林制冷机的变频器及斯特林制冷机、斯特林冰箱

技术领域

本申请涉及低温制冷技术领域，例如涉及一种用于斯特林制冷机的变频器及斯特林制冷机、斯特林冰箱。

背景技术

目前，斯特林制冷机的控制是通过变频控制器实现的，具体地，通过单片机发出逻辑信号驱动H桥的MOS管(Metal Oxide Semiconductor，金属-氧化物-半导体场效应晶体管)，将直流电源变换成幅值、频率、相位可调的交流电源，控制斯特林制冷机内的直线振荡电机工作在最佳状态；然后，通过气动压力波驱动排出器按照一定相位运动，使得氦气工质最终在膨胀腔实现膨胀制冷；同时，将H桥产生的电流信号、制冷机冷端、热端温度信号、制冷机振动信号等返回到单片机，利用斯特林制冷机的电流信号来控制开关器件的逻辑驱动信号和保护动作。

在实现本公开实施例的过程中，发现相关技术中至少存在如下问题：

相关技术中仅采用斯特林制冷剂的电流信号进行过流保护，可靠性较差。

实用新型内容

为了对披露的实施例的一些方面有基本的理解，下面给出了简单的概括。所述概括不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围，而是作为后面的详细说明的序言。

本公开实施例提供一种用于斯特林制冷机的变频器及斯特林制冷机，以提升过流保护的可靠性。

在一些实施例中，所述用于斯特林制冷机的变频器包括：H桥电路，控制输入端连接第一MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)，输出端连接斯特林制冷机；过流故障保护模块，连接H桥电路的输出端和H桥电路的母线，采集的斯特林制冷机的电流信号及所述H桥电路的母线电流信号；第一MCU，连接所述过流故障保护模块，根据斯特林制冷机的电流信号及所述H桥电路的母线电流信号输出PWM逻辑信号，控制所述H桥电路的通断。

在一些实施例中，所述用于斯特林制冷机的变频器包括：所述过流故障保护模块包括霍尔电流传感器，与所述H桥电路的输出端连接，采集所述H桥电路的电流信号传送至所述第一MCU；电流检测保护电路，包括与所述H桥电路下桥臂MOS管栅极连接的采样电阻，所述电流检测保护电路将所述采样电阻的电流传送至所述第一MCU。

在一些实施例中，所述用于斯特林制冷机的变频器包括：所述第一MCU包括运放器、比较器、触发电路和寄存器；所述运放器的正相输入端与所述采样电阻的第一端连接，负相输入端与所述采样电阻的第二端连接，输出端与比较器连接；其中，所述运放器的正相输入端还与第一MCU的电压偏置引脚连接；所述比较器的正相输入端与所述运放器的输出端连接，负相输入端与数模转换器连接；所述触发电路连接所述比较器与寄存器，基于所述比较器的输出信号触发所述寄存器中的PWM逻辑信号转换；所述寄存器连接所述触发电路，用于存储PWM逻辑信号，所述第一MCU调用所述PWM逻辑信号，控制所述H桥电路的通断。

在一些实施例中，所述用于斯特林制冷机的变频器包括：所述电流检测保护电路还包括低通滤波电路，所述低通滤波电路包括串联的第一电阻和滤波电容；所述第一电阻的第一端与所述运放器的输出端连接，第二端串接滤波电容后接地；其中，所述第一电阻的第二端与所述第一MCU的电流采样引脚连接。

在一些实施例中，所述用于斯特林制冷机的变频器包括：所述数模转换器输入所述比较器的负相输入端的电压为预设阈值电压。

在一些实施例中，所述用于斯特林制冷机的变频器还包括：第二MCU，连接所述第一MCU通信；温度检测电路，连接所述第二MCU，采集斯特林制冷机的温度传送至所述第二MCU。

在一些实施例中，所述用于斯特林制冷机的变频器还包括：通信模块，连接所述第二MCU，所述第一MCU与所述第二MCU串口通信。

在一些实施例中，所述用于斯特林制冷机的变频器包括：驱动电路，连接所述第一MCU和所述H桥电路，用于放大所述第一MCU输出的PWM逻辑信号，控制所述H桥电路的通断。

在一些实施例中，所述斯特林制冷机包括：上述的用于斯特林制冷机的变频器。

在一些实施例中，所述斯特林冰箱包括：上述的斯特林制冷机。

本公开实施例提供的用于斯特林制冷机的变频器及斯特林制冷机、斯特林冰箱，可以实现以下技术效果：

本公开实施中采用过流故障保护模块可以检测斯特林制冷机的电流及H桥电路的母线电流等两个电流信号，第一MCU可基于接收到的斯特林制冷机的电流和H桥电路的母线电流这两个电流信号控制H桥电路的通断，这样使控制结果更加可靠，提升了过流保护的可靠性。

以上的总体描述和下文中的描述仅是示例性和解释性的，不用于限制本申请。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图进行示例性说明，这些示例性说明和附图并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件示为类似的元件，附图不构成比例限制，并且其中：

图1是本公开实施例提供的一个用于斯特林制冷机的变频器的整体示意图；

图2是本公开实施例提供的另一个用于斯特林制冷机的变频器的整体示意图；

图3是本公开实施例提供的一个用于斯特林制冷机的变频器的部分结构示意图。

附图标记：

10：第一MCU；20：第二MCU；30：H桥电路；40：温度检测电路；50：过流故障保护模块；60：通信模块；70：电源模块；80：驱动电路；

11：运放器；12：比较器；13：触发电路；14：数模转换器；15：寄存器；51：霍尔电流传感器；52：电流检测保护电路；53：低通滤波电路；54：振动检测电路；521：采样电阻；531：第一电阻；532：滤波电容。

具体实施方式

为了能够更加详尽地了解本公开实施例的特点与技术内容，下面结合附图对本公开实施例的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本公开实施例。在以下的技术描述中，为方便解释起见，通过多个细节以提供对所披露实施例的充分理解。然而，在没有这些细节的情况下，一个或多个实施例仍然可以实施。在其它情况下，为简化附图，熟知的结构和装置可以简化展示。

本公开实施例的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本公开实施例的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

本公开实施例中，术语“上”、“下”、“内”、“中”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本公开实施例及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本公开实施例中的具体含义。

另外，术语“设置”、“连接”、“固定”应做广义理解。例如，“连接”可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开实施例中的具体含义。

除非另有说明，术语“多个”表示两个或两个以上。

本公开实施例中，字符“/”表示前后对象是一种“或”的关系。例如，A/B表示：A或B。

术语“和/或”是一种描述对象的关联关系，表示可以存在三种关系。例如，A和/或B，表示：A或B，或，A和B这三种关系。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开实施例中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

结合图1-3所示，本公开实施例提供一种用于斯特林制冷机的变频器，包括第一MCU10、H桥电路30和过流故障保护模块50。H桥电路30，控制输入端与第一MCU10连接，输出端连接斯特林制冷机；过流故障保护模块50，连接H桥电路的输出端和H桥电路的母线，采集的斯特林制冷机的电流信号和H桥电路30的母线电流信号输送至第一MCU10；第一MCU10，连接过流故障保护模块50，根据斯特林制冷机的电流信号及所述H桥电路30的母线电流信号输出PWM逻辑信号，控制所述H桥电路30的通断。

本实施例中，用于斯特林制冷机的变频器的第一MCU10负责SPWM(SinusoidalPulse Width Modulation，正弦脉宽调制)变频、中断和实时任务，并运行活塞行程无感检测、频率自适应矫正算法等与斯特林制冷机的电机控制相关的程序。其中，过流故障保护模块50与第一MCU10连接，通过检测斯特林制冷机的电流和H桥电路30的母线电流，在实现电流检测功能的同时，实现软件过流保护和硬件过流保护；具体地，检测斯特林制冷机的电流信号，若检测到的电流值超过第一预设电流阈值，则第一MCU10通过用户设定的程序控制H桥电路30的MOS管关闭，实现软件过流保护。检测H桥电路的母线电流信号，若第一MCU10确定检测到的电流值超过第二预设电流阈值，则第一MCU10控制H桥电路30的MOS的导通信号，自动关闭H桥电路30的MOS管，形成硬件保护。

采用本公开实施例提供的用于斯特林制冷机的变频器，采用过流故障保护模块可以检测斯特林制冷机的电流及H桥电路的母线电流等两个电流信号，第一MCU基于斯特林制冷机的电流和H桥电路的母线电流这两个电流信号控制H桥电路的通断，这样使控制结果更加可靠，提升了过流保护的可靠性。

可选地，过流故障保护模块50包括：霍尔电流传感器51和电流检测保护电路52。

其中，霍尔电流传感器51，与H桥电路30的输出端连接，并将采集的电流值I_U传送至第一MCU10；电流检测保护电路52，包括与H桥电路30下桥臂MOS管的栅极连接的采样电阻521，电流检测保护电路52将采样电阻521的电流信号传送至第一MCU10。

本实施例中，设置了独立的霍尔电流串传感器51和电流检测保护电路52，分别用于检测斯特林制冷机的电流信号和H桥电路的母线电流信号。

在一些实施例中，通过霍尔电流传感器511检测斯特林制冷机绕组中的电流，可以对斯特林制冷机绕组短路、永磁体失效、振动异常等造成的过流故障进行处理和动作保护。具体地，霍尔电流传感器51与H桥电路30的输出端连接，即霍尔电流传感器51检测H桥电路30输入斯特林制冷机的电流，并将检测到的电流值I_U传送至第一MCU10，第一MCU10通过用户设定的程序，将检测到的电流值I_U与第一预设电流阈值进行比较，在比较结果表明电流值超过第一预设电流阈值时，调用相应的程序关闭H桥电路30的MOS管，即根据电流检测通过程序关闭H桥电路30的不导通，同时，还可以输出报警提醒如此，实现软件过流保护。

在一些实施例中，H桥电路30由四个MOS管构成，两个MOS管构成H桥的上桥臂，两个MOS管构成H桥的下桥臂，与输出负载即斯特林制冷机的电机，共同构成H桥；霍尔电流传感器51检测H桥电路输出负载上的电流。采样电阻521的第一端与H桥的下桥臂的末端连接，即连接H桥电路30下桥臂MOS管的栅极，采样电阻521的第二端接地；采样电阻521上的电压反映了交流电流的绝对值，如此，电流检测保护电路52检测采样电阻521上的电流，并传送至第一MCU10，第一MCU10判断采样电阻521的电流与第二预设电流阈值的大小关系，在采样电阻521的电流大于第二预设电流阈值时，第一MCU10输出关闭MOS管的驱动电平信号，关闭H桥电路30的MOS管，此时，实现了变频器的硬件过流保护；MOS管的关闭无需用户预设程序控制，直接由第一MCU10关闭，反应速度快。

在一些实施例中，霍尔电流传感器51获取预设周期内H桥电路30输出的电流最大值的平均值，将第一预设电流阈值与该平均值比较，若该平均值大于第一预设电流阈值，则表明电机输入电流过大，可以采取关闭H桥电路30的MOS管，或者报警等措施；这里，预设周期可以是十个周期，或者八个周期等，根据需求设定预设周期。

可选地，第一MCU10包括运放器11，比较器12、触发电路13和寄存器15；运放器11的正相输入端APM0P与采样电阻521的第一端连接，负相输入端APM0M与采样电阻521的第二端连接，输出端APM0O与比较器12连接；其中，运放器11的正相输入端APM0P还与第一MCU10的偏置引脚VHALF连接；比较器12的正相输入端与运放器11的输出端APM0O连接，负相输入端与数模转换器14即DAC(Digital to Analog Converter，数字模拟转换器)模块的输出端连接；触发电路13连接比较器12与寄存器15，基于比较器12的输出信号触发寄存器15中的PWM逻辑信号转换；寄存器15连接触发电路13，用于存储PWM逻辑信号，第一MCU10调用PWM逻辑信号，以控制H桥电路30的通断。

本实施例中，对采样电阻521上流经的电流进行采样，实际是对采样电阻两端的电压进行采样，电压信号和电流信号可以相互转换。采样电阻521的第一端与运放器11的正相输入端APM0P连接，第二端与运放器11的负相输入端APM0M连接，即采样电阻521上电压的正极端连接运放器11的正相输入端APM0P，负极端连接运放器11的负相输入端APM0M；如此，通过运放器11将采样电阻521的电压进行放大运算，在运放器11的正相输入端APM0P加载偏置电压，即与第一MCU10的电压偏置引脚VHALF连接，从而将采样电阻521的电压整体上移。运放器11的输出端APM0O与比较器12的正相输入端连接，比较器12的负相输入端与数模转换器14的输出端连接，数模转换器14的输出端可以输出参考电压；这样，比较器将采样电阻521的电压与参考电压相比较，在采样电阻521的电压大于参考电压时，比较器12的输出电平跳变，触发电路将寄存器中的逻辑信号转换，即逻辑信号由高电平转变为低电平，这样，第一MCU30输出逻辑信号关闭MOS管；如此，实现了过流时硬件的保护。

可选地，电流检测保护电路52还包括：低通滤波电路53，包括串联的第一电阻531和滤波电容532；第一电阻531的第一端与运放器11的输出端APM0O连接，第二端串接滤波电容532后接地；其中，第一电阻531的第二端与第一MCU10的电流采样引脚连接。

本实施例中，电流检测保护电路52除了包括上述采样电阻521上的电流检测，还包括低通滤波电路53，第一电阻531的第一端与运放器11的输出端连接，第二端串接滤波电容532后接地；第一MCU10采样第一电阻531的第二端处的电流；上述采样电阻521上的电流反映了H桥电路30输出的交流电流的绝对值，电流I_bus等效于交流电流全波整流后的电流，而运放器11输出端的电流经过低通滤波电路后，由于滤波的作用，经过低通滤波电路后的电流I_bus幅值会相对的缩小，如果该电流I_bus仍能反映过流，则说明变频器过流严重，且上述的软件过流保护和硬件过流保护没有发挥作用，此时，需要进行继电器保护。具体地，可以获取预设周期内经低通滤波电路53后的电流的平均值，判断其是否大于第三预设电流阈值，如果该电流的平均值大于第三预设电流阈值，则切断继电器的供电，进而切断供电电源，形成继电器保护；这里，预设周期可以与上文的预设周期为同一预设周期，或者为不同的预设周期，其预设周期可以是十个周期，或者六个周期等，根据需求设定。

此外，本实施例中低通滤波电路53对运放器11输出端的电流信号进行深度滤波，获得一个平均的直流信号，经低通滤波电路后的电流由第一MCU10的ADC(Analog-to-Digital Converter，模数转换器)进行采样，采样值的比较可以是在预设时长内进行比较，例如，预设时长为10毫秒，若采样值在十毫秒内一直大于第三预设电流阈值，则说明H桥电路30的MOS管短路或者H桥电路30的上下臂直通出现故障；这种情况下，切断继电器，进而切断供电电源，形成继电器保护。上述的硬件过流保护速度快，但硬件过流保护易受到运放器共模电压的干扰，且硬件过流保护针对电压峰值保护；继电器保护进一步对过流情况进行补充，与上述软件过流保护、硬件过流保护形成三余度过流保护，以全面实现过流保护。

本实施例中，三个过流保护值即第一预设电流阈值、第二预设电流阈值和第三预设电流阈值可以相同，或者可以不同；根据实际需要现场标定，取值范围大于额定电流一定比例，例如，额定电流10A，允许过流的比例为20％，则取值范围的下限值为12A，并且小于量程15A，因此，第一预设电流阈值可以设置为12A～15A范围内的某一个值，第二预设电流阈值也可以设置为12A～15A范围内的某一个值，若设计电流过流保护值为±x，则对应电压y计算公式如下：y＝2.25±2.25*x÷15，假设三个过流保护值都一样，电流阈值为±13A，则预设阈值电压范围小于0.3V，或者大于4.2V；这样，可以在电流采样时，实现电流值与电压值的转换。

可选地，数模转换器14输入比较器12的正相输入端的电压为预设阈值电压。

本实施例中，数模转换器14的输出端与比较器12的负相输入端连接，为比较器12的负相输入端提供参考电压，其中，数模转换器14的输入端的电压为预设阈值电压，由用户设定经数模转换器14转换信号形式后输入比较器。

可选地，用于斯特林制冷机的变频器还包括：第二MCU20和温度检测电路40；其中，第二MCU20，连接第一MCU通信；温度检测电路40，连接第二MCU20，采集斯特林制冷机的温度传送至第二MCU20。

本实施中，变频器采用双MCU系统，将斯特林冰箱的核心控制工作集成化，第一MCU10负责斯特林制冷机的脉宽调制和电流检测保护，第二MCU20负责检测斯特林产品温度等信号进行闭环控制；此外，温度检测模块40还可以检测斯特林冰箱的温度并传送至第二MCU20，对斯特林冰箱的温度进行闭环控制。

可选地，用于斯特林制冷机的变频器还包括通信模块60，与第二MCU20连接，第一MCU10与第二MCU20串口通信。

本实施例中，通讯模块60包括485通信电路，斯特林制冷机的人机交互界面的通信主要通过485通信电路实现，第一MCU10与第二MCU20之间串口通信；通讯模块60能够实现远距离通信，抗干扰性强。

可选地，用于斯特林制冷机的变频器还包括电源模块70和驱动电路80，驱动电路连接第一MCU10和H桥电路30，用于变换第一MCU10输出的PWM逻辑信号，以控制H桥电路30的通断。

本实施例中，电源模块为其他模块供电，以使各个模块能够正常工作；驱动电路80设置于第一MCU与H桥电路30之间，第一MCU10输出的PWM信号传输至驱动电路80，经驱动电路80将PWM信号变换，控制H桥的MOS管的导通或关断，实现过流保护。

可选地，变频器还包括振动检测电路54，设置于斯特林制冷机的壳体上并与第二MCU连接，用于检测斯特林制冷机的振幅信息并将振幅信息传送至第二MCU。

本实施例中，振动检测电路54负责检测斯特林制冷机的电机的振动信号即振幅信息，具体地，振动检测模块包括三轴加速度计。通过检测到的振幅信息与预设安全振幅信息的大小，判断电机是否存在撞缸的风险，以调节电机的运行，使电机稳定运行。

可选地，第一MCU10为双核MCU，包括电机专控内核和通用机内核。

本实施例中，第一MCU10为双核MCU，其中，电机专控内核负责SPWM变频，通用内核负责中断和实时任务，并运行活塞行程无感检测、频率自适应矫正与电机控制等；本实施例中的三余度过流保护主要由电机内核进行检测处理。

本公开实施例提供一种斯特林制冷机，包括用于斯特林制冷机的变频器。

以上描述和附图充分地示出了本公开的实施例，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施例可以包括结构的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施例的部分和特征可以被包括在或替换其他实施例的部分和特征。本公开的实施例并不局限于上面已经描述并在附图中示出的结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims

1.一种用于斯特林制冷机的变频器，其特征在于，包括：

H桥电路，输出端连接斯特林制冷机；

过流故障保护模块，连接H桥电路的输出端和H桥电路的母线，采集斯特林制冷机的电流信号及所述H桥电路的母线电流信号；

第一微控制单元MCU，其电流信号接收端连接所述过流故障保护模块的电流信号输出端，接收所述过流故障保护模块采集的斯特林制冷机的电流信号及所述H桥电路的母线电流信号；所述第一MCU的控制输出端连接所述H桥电路的控制输入端。

2.根据权利要求1所述的变频器，其特征在于，所述过流故障保护模块包括：

霍尔电流传感器，与所述H桥电路的输出端连接，采集所述H桥电路的电流信号传送至所述第一MCU；

电流检测保护电路，包括与所述H桥电路下桥臂MOS管栅极连接的采样电阻，采集所述采样电阻的电流信号传送至所述第一MCU。

3.根据权利要求2所述的变频器，其特征在于，所述第一MCU包括：

运放器，所述运放器的正相输入端与所述采样电阻的第一端连接，负相输入端与所述采样电阻的第二端连接，输出端与比较器连接；其中，所述运放器的正相输入端还与所述第一MCU的电压偏置引脚连接；

比较器，所述比较器的正相输入端与所述运放器的输出端连接，所述比较器的负相输入端与数模转换器的输出端连接；

触发电路，连接所述比较器与寄存器，基于所述比较器的输出信号触发所述寄存器中的PWM逻辑信号转换；

寄存器，连接所述触发电路，用于存储PWM逻辑信号，所述第一MCU调用所述PWM逻辑信号，以控制所述H桥电路的通断。

4.根据权利要求3所述的变频器，其特征在于，所述电流检测保护电路还包括：

低通滤波电路，包括串联的第一电阻和滤波电容；所述第一电阻的第一端与所述运放器的输出端连接，第二端串接所述滤波电容后接地；

其中，所述第一电阻的第二端与所述第一MCU的电流采样引脚连接。

5.根据权利要求4所述的变频器，其特征在于，所述数模转换器输入所述比较器的负相输入端的电压为预设阈值电压。

6.根据权利要求1至5任一项所述的变频器，其特征在于，还包括：

第二MCU，连接所述第一MCU通信；

温度检测电路，连接所述第二MCU，采集斯特林制冷机的温度传送至所述第二MCU。

7.根据权利要求6所述的变频器，其特征在于，还包括：

通信模块，连接所述第二MCU，所述第一MCU与所述第二MCU串口通信。

8.根据权利要求1至5任一项所述的变频器，其特征在于，还包括：

驱动电路，连接所述第一MCU和所述H桥电路，变换所述第一MCU输出的PWM逻辑信号。

9.一种斯特林制冷机，其特征在于，包括如权利要求1至8任一项所述的用于斯特林制冷机的变频器。

10.一种斯特林冰箱，其特征在于，包括如权利要求9所述的斯特林制冷机。