新型節(jié)能制冷機用直線電機及驅(qū)動控制
王真1,2,魯華2,羅東輝2,張東寧2
(上海交通大學,上海200030;2.中國電子科技集團公司第二十一研究所,上海200233)
摘要:直線電機直接驅(qū)動制冷機的壓縮機,省去了一般旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動壓縮機時需將旋轉(zhuǎn)運動變成直線運動的曲柄聯(lián)桿機構(gòu),所以電機與壓縮機一體化設計后具有振動小、壽命氏的優(yōu)點:雙直線電機與制冷機壓縮機一體化設計的結(jié)構(gòu)方案能夠有效地利用空間,大大地減小制冷機的整機結(jié)構(gòu)尺寸。
關(guān)鍵詞:制冷機;直線電機;驅(qū)動控制;PID調(diào)節(jié)
中圖分類號:TM359.4 文獻標識碼:A 文章編號:1004—7018(2008)01—0043—03
0引 言
目前,制冷機主要使用旋轉(zhuǎn)式電動機驅(qū)動活塞作往復振動,需要一套將電動機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊本往復運動的轉(zhuǎn)換機構(gòu)。而轉(zhuǎn)換機構(gòu)的存在,會導致機器總體體積龐大、傳動效率低、噪聲大、磨損利害、壽命短。
本文介紹的是分置式雙直線電機驅(qū)動壓縮機。雙直線電動機與壓縮機一體化結(jié)構(gòu)設計,有效利用空間,可以減小制冷機的體積。雙直線電動機驅(qū)動壓縮機,受力對稱,振動小。為進一步減小振動和電磁干擾,直線電機采用正弦脈寬調(diào)制驅(qū)動方式,溫度調(diào)節(jié)采用數(shù)字增量式PID,整個驅(qū)動控制器在單片機協(xié)調(diào)下工作。
1基本結(jié)構(gòu)原理
制冷機用直線電機的基本原理是在通以交變電流的動子線圈在恒定磁場中受力,動子線圈帶動負載作往復運動。
為充分利用空間、減小體積,制冷機用的直線電機現(xiàn)在都與制冷機的壓縮機采用一體化的結(jié)構(gòu)設計方案。具體的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。
圖1是雙直線電機驅(qū)動壓縮機的典型結(jié)構(gòu),壓縮機與雙直線電機融為一體,壓縮機的汽缸和活塞置于直線電機的內(nèi)部,汽缸體就是直線電機的內(nèi)磁體,活塞又作為直線電機往復運動的支承件。彈簧既是動子線圈的支承件,又是一個儲能元件,在彈簧、直線電機和壓縮機參數(shù)匹配條件下,系統(tǒng)諧振驅(qū)動,效率****。
制冷機用直線電機驅(qū)動控制主要是調(diào)節(jié)直線電機運動振幅實現(xiàn)溫度控制。驅(qū)動控制器的原理框圖如圖2所示。
系統(tǒng)的工作原理是當直線電機驅(qū)動控制器接到系統(tǒng)的起動指令后,即以一定頻率的正弦波驅(qū)動直線電機作****振幅的往復運動。同時監(jiān)測溫度的變化。當溫度接近要求的溫度時,通過調(diào)節(jié)直線電機驅(qū)動電壓的幅值逐漸減小往復運動的幅值,直至達到要求的溫度,然后不斷調(diào)整直線電機的運動幅值使溫度保持在要求的溫度下。
接口的主要功能是完成與上位機的通訊,接收整機系統(tǒng)的起、停指令,并將溫度傳感器信號經(jīng)過處理傳給整機系統(tǒng)。
幅度調(diào)制和正弦波發(fā)生器是在單片機的協(xié)調(diào)控制下,通過一定的算法產(chǎn)生sPwM波形。
溫度傳感信號處理的主要功能是將溫度傳感二極管的輸出信號進行放大。
功率驅(qū)動器用以對sPwM波形進行功率放大,驅(qū)動直線電機。
單片機是防調(diào)處理與整機系統(tǒng)的通信、驅(qū)動控制器的sPwM波形產(chǎn)生、數(shù)字增量式PID調(diào)節(jié)算法計算等。
2直線電機及驅(qū)動控制設計
2.1直線電機電磁設計和加工工藝設計
直線電機的電磁設汁方案主要有兩種:一種為動圈式,即線圈運動,優(yōu)點是動子重量輕,動態(tài)性能好,缺點是勵磁電流要設法導人動圈;另一種是動鐵式,即磁鋼運動,缺點是動子重量較重,優(yōu)點是天然無刷形式,散熱條件好,可靠性高。
制冷機用直線電機為提高動態(tài)性能和便于壓縮機與直線電機一體化設計普遍采用動固式設計方案。動圈式設計方案也有兩種選擇:一種是動圈在外、磁鋼在內(nèi)的外動子方案,優(yōu)點是散熱性能較好,缺點是動子相對較重;另一種是動圈在內(nèi)、磁鋼在外的內(nèi)動子方案,其優(yōu)點是動子重量輕,而缺點是散熱性能較差。
動圈在磁鋼外和磁鋼內(nèi)各有優(yōu)、缺點。這與整個制冷機系統(tǒng)參數(shù)、驅(qū)動控制等有關(guān),目前國外主要公司的產(chǎn)品兩種結(jié)構(gòu)設計方案都有。
本設計方案考慮動態(tài)性能及電磁兼容性能,采用了內(nèi)動圈的電磁設計方案,具體磁路簡圖如圖3所示。
根據(jù)圖3的磁路形式及基本的電磁原理,主要的靜態(tài)參數(shù)比推力、電感由如下方法確定:
式中:F為磁鋼生成的磁動勢,li為每段磁路長度,Hi為每段磁路磁場強度,F(xiàn)δ為氣隙磁勢,Φδ為氣隙磁通,μ。為真空導磁率,Λδ為氣隙磁導,δ為氣隙長度,Sδ為氣隙面積,D為線圈平均直徑,Bδ為氣隙磁密,N為線圈匝數(shù),F(xiàn)t為比推力。
由于氣隙較大,動圈電感可考慮為一個線性電感:
經(jīng)計算,參數(shù)比推力Ft=11.2 N/A、電感L=9.2 mH、電阻R=3.9 Ω。
在電機的加工過程中,我們主要解決了動圈骨架的加工和線圈繞制工作的技術(shù)難點,并對定位偕振彈簧的參數(shù)進行優(yōu)化,同時我們對定位諧振彈簧的表面進行了強化處理,保證了直線電機的長期連續(xù)工作的要求,該系統(tǒng)連續(xù)無故障工作了5 000h。
2.2驅(qū)動控制器沒計
驅(qū)動控制器原理框圖及各部分的主要功能如l所述。下面詳細論述該驅(qū)動控制器主要部分的具體實現(xiàn)電路及各種考慮:
2.2.l溫度傳感器信號處理電路
二極管的伏安特性可表示為:
其中:i為流過二極管中的電流,u為二極管兩端的電壓,k為玻耳茲曼常數(shù),q為電子電荷,T為結(jié)溫,Is為二極管反向飽和電流。
由上式可得:

由于在較低溫度下Is接近常數(shù),因此當二極管偏置電流恒定時,可近似看成:u α T。從常溫到低溫時,電壓的變化較小,需加適當?shù)姆糯蟆?/DIV>
設計中對溫度傳感二極管的恒流和溫度傳感二極管的信號放大采用的線路如圖4、圖5所示。
2.2.2功率驅(qū)動電路
從提高效率、減小體積的角度考慮,功率驅(qū)動電路設計采用了PwM型橋式功率放大器,如圖6所示。
根據(jù)直線電機的電阻R、電感L及驅(qū)動頻率f,可推算出直線電機的****靜態(tài)阻抗:
為提高功率管工作的安全性,在選擇功率管時采用相應的降額系數(shù)。
2.2.3 sPwM信號的產(chǎn)生
單片機產(chǎn)生約20 kHz的sPwM信號,每個周期的正弦波被離散成200段,每隔100μs單片機中的定時器產(chǎn)生一次中斷,中斷處理時,查表輸出相應的定時脈寬,再乘以幅度系數(shù)輸出給PwM驅(qū)動電路。定時器中斷服務程序如圖7所示。
2.2.4溫度控制
控制對象是溫度,因此采用r傳統(tǒng)的增量式PID控制方法,其算法如下:
實際調(diào)試中主要是確定調(diào)節(jié)周期、比例系數(shù)和積分系數(shù)這三個參數(shù)。
2.2.5電磁兼容
直線電機及驅(qū)動控制器的電磁干擾主要來源于驅(qū)動控制器的脈寬調(diào)制信號,電磁兼容問題主要在如下幾方面采取了措施:電源和直線電機引出線采用屏蔽電纜屏蔽,并采用單點接地方式;對電源進線在驅(qū)動器人u采用四階Lc低通濾波;對輸出輸入插頭選用帶雙T型低通濾波器連接器;驅(qū)動控制器加導磁材料外殼。采用上述措施以后,整個系統(tǒng)的電磁兼容性達到了滿意的效果。
3結(jié)語
采用直線電機與制冷機一體化設計的結(jié)構(gòu)方案,雙直線電機對動驅(qū)動壓縮機,使制冷機具有體積小、振動輕、反應速度快、隨動性好、穩(wěn)定可靠和長壽命等優(yōu)點。驅(qū)動控制器以單片機為核心,軟件實現(xiàn)正弦脈寬調(diào)制(sPwM),用數(shù)字PID控制算法實現(xiàn)制冷機的溫度控制。驅(qū)動控制器參數(shù)詞整方便,工作效率高。這種技術(shù)為環(huán)保和節(jié)能提供技術(shù)基礎,大大縮短我國在制冷壓縮工業(yè)領(lǐng)域與發(fā)達國家的差距。
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