专利名称：调制驱动电动机电压的脉冲宽度来控制斯蒂林制冷器的位移的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及一种斯蒂林(Stirling)循环制冷热泵，特别涉及一种根据温度控制斯蒂林循环制冷器的自由活塞的位移的控制驱动电路，上述控制是通过脉冲宽度调制一特定脉冲重复频率的脉冲序列来进行的，盯这脉冲重复频率是一工作频率的谐波，而一调制频率等于工作频率以便控制驱动线性电动机的驱动电压的基本分量，该线性电动机是驱动自由活塞的原动机。
自由活塞斯蒂林循环深冷制冷器和其它自由活塞斯蒂林热泵典型地是由一线性电动机带动的，该电动机驱动活塞作往复运动。斯蒂林制冷器的泵热率是活塞位移的一递增连续函数。因此，人们希望通过控制驱动活塞运动的电动机的驱动电压来控制活塞的位移。为了使温度稳定在一设计的极限内以及为了避免在达到额定的设计温度之前特别是在最初被冷却的小间的温度接近周围温度时由于负载减少而引起活塞与配气活塞的碰撞。人们希望根据被冷却小间的温度控制活塞位移。
更特别的是，当冷端温度高于选定的设计温度时，为了增大泵热率，最好增加活塞的位移。当冷端的温度低于设计值时，为了减少位移以便减小泵热，最好降低加到线性电动机上的驱动电压。
因此，本发明的一个目的是提供一用一其基本频率等于一般是电动机和它的负载的谐振频率的工作频率的可控制的交流电压驱动线性电动机的控制驱动电路。驱动电压可以是冷端温度的函数，如果必要，也可能是其它控制变量(例如压力和时间)的函数，以便控制活塞的行程或位移，无论在从环境温度开始降温期间，此时期蒂林深冷器的工作气体压力和温度都变化，整个密封的自由活塞斯蒂林深冷制冷器的动态性能均变化，或者在稳定期间，此时冷端温度已达到工作温度都需要控制活塞位移。
美国专利3，220，201公开了一种控制电路，在该控制电路中，其频率是驱动电机的基本工作频率的方波脉冲的宽度可控制以便在所有情况下能保持基本的活塞振幅不变。该专利的驱动系统不仅没有按温度控制自由活塞的位移，而且，更重要的是，它产生一驱动脉冲之间的中间停止时间。
明显的困难是由于驱动电动机必须由一功率开关电路驱动，该电路由连接在一开关结构例如一常用的H电桥中的功率开关晶体管组成。该专利描述的开关技术要求当所有的开关晶体管断开时，在脉冲之间有一中间间隔(停顿)，由于驱动电压须驱动一包含较大的电抗的负载，因此电流不能瞬时切断，所以，一种将所有功率开关晶体管转换到“断开”状态的尝试会引起加到电动机上的瞬时电压幅值变得很难控制和产生畸变，由此产生了非正弦波的电动机电流。
本发明的一个目的是使用一方法控制加到电动机上的电压，以便不致发生所有功率开关晶体管同时断开。本发明的一个目的和特点是提供一电路，在该电路中，在功率开关电路和电动机之间总有一电流通路，且一驱动电压总是加到该电动机上。
其他深冷制冷器控制系统在专利号为3，991，586和4，417，448的美国专利中已有所揭示。
因此，本发明的进一步的目的和特征是提供一电路，该电路能在一工作频率下施加一连续可变化的驱动电压给一活塞驱动电动机，该驱动电压基本上是一控制变量(例如深冷制冷器温度)的线性函数，以便驱动电动机的位移是在一可控制变化的范围内连续变化。
本发明是一按控制输入信号进行控制的方法和装置，所控制的是驱动电动机之类具有一工作频率的电抗性负载的交流信号基本分量的幅值。有一是工作频率的谐波的频率的脉冲序列会产生。该脉冲序列的占空比可调制以便它是一控制输入的函数。调制后的脉冲序列在负载工作周期的一半时间内加入到负载上。其余的脉冲序列的互补部分在负载的另一半工作周期内加到负载上。按控制输入信号(例如一温度指示信号)调制脉冲序列(同时调制其互补部分的)占空比，可变化地控制驱动电压基本分量的幅值;并由此可变化地控制电动机结果控制它所驱动的活塞的位移。
图1是由一线性电动机驱动的自由活塞的示意图;
图2和3是本发明和已有技术的电动机驱动信号的波形图;
图4、5及6是说明本发明电路的方框图;
图7-11是本发明的较佳实施例的工作的波形图;以及图12是本发明的较佳实施例的电路示意图。
在描述附图所示的本发明的较佳实施例时，为了清楚起见，须使用具体的术语，然而，这并不是说本发明局限于所选择的具体术语，而应该明白，每一个具体的术语应包括所有能完成一相似目的所采用的类似的方法中采用的等价术语。例如“连接”一词或相似的术语经常被引用。但是这种连接并不只限于直接的连接，而包括通过其它电路元件的连接，只要同行技术人员认为这些电路元件的连接相当于一般的即可。
图1表示有一由线性磁电动机14驱动的自由活塞12的自由活塞斯蒂林制冷器10;斯蒂林制冷器也有一通常的配气活塞16和一回热器18，斯蒂林制冷器的冷端与一隔热的被冷却的小室20相连，由于活塞12以通常的方式往复运动，于是热从该小室泵出。线性电动机包含一个或多个永久磁铁(块)22，它(们)与活塞12以机械方式联结着并在一随时间变化的磁场内作往复运动，上述变化的磁场是由在电枢绕组24中的电流感应产生的。线性电动机14由加到电枢端子26和28的驱动电压驱动。电动机14的行程与施加的交流电压基本分量的幅值成正比。
该系统一般设计成一选定的工作频率例如60Hz进行机械谐振。驱动电动机14由该工作频率下的驱动电压驱动。
图2表示加到驱动电机14的端子26和28上的驱动电压的一较佳基本分量V。这将产生电动机动电流I。该电流I落后或超前驱动电压一个相位角，该相位角取决于端子26和28的阻抗所表示的制冷器调制凝。图2也列出了已有技术使用的驱动电压30。如上所述，它是想去接近理想的基本驱动电压V以便得到一理想的电动机电流I。
图3是本发明所述的加到驱动电动机端子26和28上的一合成驱动电压信号32。
图4是本发明的较佳实施例的最简化的方框图。一振荡器和产生一如图7所示的脉冲序列，该脉冲序列的脉冲的重复频率是图1所示的深冷制冷器系统的工作频率谐波。例如，在较佳实施例中工作频率为60Hz，较佳的脉冲重复频率是1920Hz。脉冲重复频率最好等于2的幂和工作频率的乘积，以便分频电路从脉冲重复频率中产生工作频率。
振荡器40的脉冲序列输出加到有一控制输入44的脉冲宽度调制电路42中。脉冲宽度调制电路42最好能提供一输出脉冲序列，当控制输入44的控制输入信号在零到最大值之间变化时，其占空比在50%和100%之间调制。例如，在深冷制冷器的温度低于为图1的被冷却小室20的选定的稳定状态的温度时控制输入44的信号的电压可能是零，在该电压水平下，从脉冲宽度调制器42中输出的脉冲的占空比是50%。当选定的温度高于设计的制冷温度和对任何较高温度控制输入44的电压将是最大的控制信号电压，并且在或大于这个最大控制信号电压时，从脉冲宽度调制器中将提供一占空比为100%的脉冲序列输出。
图5表示构成脉冲宽度调制器42的一较佳方案。它表示来自振荡器40的脉冲序列通过一常用的高通滤波器加到一次发射器48上。该一次发射器48由来自图7所示的振荡器40的脉冲序列中的每一脉冲的后沿触发。来自一次发射器输出的脉冲的宽度由控制输入44的电压控制。
图8表示一次发射器48的四个代表性输出，其脉冲是由图7的脉冲序列的后沿触发的。这些脉冲占空比大小的次序排列，相应的占空比是控制输入44的电压的函数。一次发射器的输出脉冲的范围是振荡器40的图7所示的脉冲序列的间隔时间的0%到50%。例如，图8所示的脉冲宽度分别是该时间的50%、25%、12.5%和0%。
来自一次发射器48的输出脉冲然后在一加法电路50中与来自振荡器40的脉冲序更脉冲相加，以便有效地增大脉冲序列脉冲的宽度。这些脉冲的叠加值，即增大脉宽的脉冲如图9所示。因此，加法器50输出的脉冲宽度也就是图4的脉冲宽度调制器42输出的脉冲宽度，其范围如图9所示是在占空比100%和占空比50%之间。
来自脉冲宽度调制器42的输出被加到一异“或”门52中，同时频率是驱动电动机40的基本工作频率的脉冲序列也加到该处。基本频率的信号是由1920Hz的输出信号演变而成的。该输出信号由一分频器(除法器)用32除以便提供60Hz，然后输入到一异“或”门52中。这种异“或”工作过程在60Hz的每一第一半周期内提供了一个与脉冲宽度调制器42的输出相同的一输出信号，并在60Hz的每一个第二半周期内，将脉冲宽度调制器42的输出逆变来提供它的另一部分。这种信号M如图3所示，它的占空比接近75%。
异“或”门52的输出信号M的形状，就是加到驱动电动机14的信号形状。然而，对熟悉该项技术的人员来说，上述信号必须用来驱动一功率开关电路，该电路可在电动机运行的大电流和高电压下工作。因此，信号M必须加到一功率开关电路中。
有一些开关电路，只要使用信号M。然而，图6显示了一种以电源电压54驱动电动机时通常采用的H电桥(电路)。常用的H电桥不仅要求用驱动信号M来驱动反向外偿晶体管，而且还要求信号M的互补部分(通常表示为M)加到第二对功率开关晶体管上。
图10和11说明在基本的工作频率的第一半周期的一段时间内二种互补信号M和M的波形图。因此，开关控制信号M加到H电桥的两个支路的晶体管56和58上，而开关控制信号M则用通常方法加到其它两个支路的功率开关晶体管60和62上。信号M可通过将来自异“或”门52的输出端的信号M加到一逆变器64来得到。另外，正如图5所示的那样，在本发明的较佳实施例中，信号M可通过将异“或”门52的输出加到第二异“或”门66上来得到。
因此，在工作时，加到图1所示的电动机14的端子26和28的电压形状和图3所示的信号M的形状相同。正如图3所示的那样，在任何时间内电源54都有连续的电路接到电动机14上，此时电流通过接通的两个功率开关晶体管或两个“自由转动”二极管(图6)。特别是，当开关晶体管56和58断开时，开关晶体管62和60或“自由转动”二极管67和70被接通;同理，当晶体管60和62断开时，晶体管56和58或“自由转动”二极管68和69接通。结果，避免在被断开的晶体管两端有过高的电压，且电动机电流仅流过完全接通的晶体管或向前导通的二极管。这样减少了晶体管本身的功率消耗。由于施加到电动机14电压信号形状和图3所示的信号M的形状相同，因此加到电动机14的端子26和28的电压的基本分量形状和图2所示的电压V的形状相同。
信号M的占空比发生图9所示之类的变化，将引起基本分量V的幅值的变化与控制输入44的控制信号电压成直接的线性比例。由于自由活塞制冷器的活塞12的位移是驱动电压V的幅值的递增连续函数，因此，活塞12的位移将是控制信号44的递增连续函数。其结果是，加到制冷器活塞的功率和泵热率都是控制信号的递增连续函数。
这样，反馈控制系统的原理可应用到本发明中。根据常用的反馈控制原理，可从一参考信号中减去装在被冷却小室20中的传感器所产生的温度信号，从而得到误差信号。该误差信号通过有一适当的高增益变换函数的放大器中放大，而其输出被加到本发明的较佳实施例的输入44中。
当温度高于一选定的温度范围时，为了提高泵热率至最大值，信号M的占空比为100%;当温度在选定的温度范围以下时，信号M的占空比为50%，结果基本交流分量将为零，因此不产生泵热现象，活塞的位移也为零。当温度处于选定的温度范围之内时，占空比位于50%和100%之间，具体数按常用的反馈控制原理设计的特别控制程序确定。
典型的温度设计范围为设计温度的上下2℃。在这些温度之间，占空比将从50%到100%连续变化。
在实施本发明的电路中可以省去图5所示的加法器50，此时一次发射器58的输出变成脉冲宽度调制器42的输出。这样的输出将在占空比0%和50%之间变化，而不是象较佳实施例那样在50%和100%之间变化。此时可产生类似于图3所示的信号，只是脉冲宽度调制器42输出的占空比小于50%，而异“或”门52的补偿输出的占空比将大于50%。
在本发明的较佳实施例中，控制输入44的误差信号为零时，产生的占空比为50%，基本驱动电压为零以及活塞位移也为零。同理，当误差信号为一有限值时，占空比将达到最大值100%，从而以最大的驱动电压施加于电动机，由此产生最大的活塞位移。
然而，如果加法器被省略，控制功能被逆变，当误差信号为有限值时，占空比为50%;而在误差控制输入信号为零时，产生一代表最大驱动电压的100%占空比。虽然这种逆变并非最佳，但这是可能的。
图12是表示本发明的较佳实施例的详细电路图。积分电路U1在导线160上提供振荡输出，其频率由晶体162确定。积分电路U1也包括一分频器，以便提供一60Hz的频率。积分电路U2包括-一次发射器，它在端子3的输出经电阻R6和二极管D1同径二极管D1振荡输出相加。导线166上的总信号加上导线164的60Hz信号一起加到异“或”门168上，并从它再加到异“或”门170。
两个信号M和M分别从异“或”门168和170加到一常用的H电桥功率开关电路172，以便驱动线性电动机14。温度检测电路174包括一热敏电阻RT1，从该热敏电阻RT1上可得到一温度指示信号，该信号通过放大电践176加到积分电路U2的一次发射器的控制输入中。借助于单刀器掷部开关SWIA可选择其C4接点上的热信号，或者选择代表其它选定温度的电路178上预先设定的电压信号。电阻R14、R15和R16的电路是为了通过电位计R14手工控制占空比。电阻R28、R29、R30和开关SW1B的电路是用来通过开关SWIB选择固定的占空比50%和100%。图12所示的电路的电路各组成元件的值如下表图12的电路组成元件值元件 值C2 1000pEC3 .047μFC4 330pFC5 .01μF
C6 3300μF 25vC7 100μFD1，D2，D3，D4 1N4148D5，D6 1N4733D7，D8，D9，D10 1N4148D11，D12，D13，D14 1N4744D15 1N4738L1，L2 8.8μH 10AR1 820KR2 220KR3 2.2MR4 22KR5 4700R6 22KR7，R8 15KR9 33R10 5KR11 2KR12 10KR13 100KR14 10KR15，R16 43.2KR17，R18，R19，R20 620R21，R22，R23，R24 1200R25 100R26 820R28，R29 43.2K
R30 2200R31 470RT1 3K-50DEG.C-6%/DEC.C 50DEG.CU1 CD4060EEU2 LM555CNBU3A，U3B CD407DBEU4A，U4B TL082CPNU5 CPY203EY1 30.72KHz尽管本发明的一较佳实施例已较详细地公开，然而应该明白在不偏离本发明的实质内容或所附权项的范围时，可进行各种改变和调整。
权利要求
1.一种按照控制输入信号控制施加于某一工作频率的感性负载的交流信号的基本分量的幅值的方法，其特征在于它包括(a)产生一具有特定脉冲重复频率的脉冲序列，该频率是上述工作频率的谐波；(b)调制作为上述控制输入的函数的上述脉冲序列的占空比；(c)在它一半工作周期内将上述调制脉冲序列加到上述负载上；以及(d)在它的另一半工作周期内将上述脉冲序列的互补信号加到上述负载上。
2.一种控制加到一往复电动机上的电动机驱动电压的幅值的方法，上述往复电动机以一选定的工作频率和周期驱动一负载，其特征在于该方法包括(a)在它工作的一半周期内施加一脉冲序列电压给上述电动机，该脉冲序列有一特定脉冲重复频率，且该频率是电动机工作频率的谐波;(b)在它工作的另一半周期内将上述脉冲序列电压的互补信号加到该电动机上;以及(c)调制第一脉冲序列电压的占空比，由此调制它的互补电压的占空比，以便控制以某一工作频率工作的电动机的傅里叶分量的幅值。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于脉冲序列占空比在至少都是50%的两个极值之间调制。
4.一种用来控制加到一往复电动机上的电动机驱动电压的幅值的方法，该电动机以一选定的工作频率驱动一负载，其特征在于它包括(a)产生一频率是选定的工作频率的谐波的脉冲序列;(b)产生一频率是上述工作频率的方波;(c)产生一系列与上述脉冲序列同步的脉冲，上述系列脉冲有一能控制的可变化的调制宽度;(d)产生一系列调制脉冲的互补脉冲;(e)在电动机工作的一半周期内将一系列调制脉冲加到电动机上，并且在另一半周期内将一系列调制脉冲的互补脉冲加到电动机上;以及(f)可控制地改变上述调制脉冲的宽度以便控制该工作频率下的电动机的电压。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于产生的上述脉冲序列的频率是工作频率和2的幂的乘积且方波系由脉冲序列信号作频率分割而成。
6.如权利要求2或5所述的方法，其特征在于上述系列脉冲被调制到有一基本上在脉冲序列周期的50%到100%之间变化的占空比，以响应控制输入信号在零电压和最大电压之间变化，而上述零电压对应于上述50%的占空比，上述最大电压对应上述100%的占空比。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于上述系列脉冲是通过将上述脉冲序列和一系列由上述系列脉冲的后沿触发的脉冲叠加而产生的，且产生的系列脉冲在占空比为0%到100%之间调制。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于上述负载是一自由活塞斯蒂林制冷器的活塞，且该方法进一步包括检测被冷却小室的温度;以及改变上述占空比以便当温度高于选定的参考温度时增大电动机的电压以及当温度低于参考温度时减小电动机的电压。
9.一种用来控制施加到一往复电动机的电动机驱动电压幅值的电路，上述电动机以一选定的工作频率驱动一负载，其特征在于该控制电路包括(a)用来产生一频率是上述工作频率的谐波的脉冲序列的振荡器电路装置;(b)用来产生一上述工作频率的方波的电路装置;(c)用来产生宽度已调制的脉冲的脉冲发生电路装置，它的输入与上述振荡器电路装置相连接并且有一用来控制脉冲发生电路装置的输出端的脉冲的脉冲宽度控制信号输入;(d)一异“或”电路装置，它的一输入与方波发生电路装置的输出相连，而其它输入(端)连接成可接收脉冲宽度调制脉冲，以便在每一工作频率的半个周期内将宽度已调制的脉冲加以逆变，从而提供一互补的输出;以及(e)一功率开关电路装置，它的输入与异“或”电路装置的输出相连，且它的输出与上述电机相连，以便转换加到电机上的电机上响应上述宽度已调制的脉冲。
10.如权利要求9所述的电路，其特征在于上述振荡器电路装置产生一方波脉冲序列，其频率是上述工作频率同2的幂的乘积，且一分频器与振荡器的输出相连，以便产生一工作频率方波。
11.如权利要求10所述的电路，其特征在于上述脉冲发生装置包括(a)-一次发射电路，它由一振荡器电路脉冲的后沿触发，且在该一次发射电路的输入端的一信号控制脉冲宽度;以及(b)-加法器电路装置，它的一个输入与振荡器电路装置相连，而另一输入则与一次发射器电路的输出相连。
12.如权利要求11所述的电路，其特征在于功率开关装置包括(a)其输入与异“或”电路装置的输出相连的逆变器;以及(b)-H电桥，上述异“或”电路装置的输出同H电桥上处于导通路径的开关装置相连，且上述逆变器的输出接到处于另一导通路径的开关装置上。
全文摘要
斯蒂林循环深冷制冷器的位移按温度进行控制，此时控制施加于以工作频率工作的电动机的交流信号基本分量的幅值。一频率是工作频率的谐波的脉冲序列被产生。该脉冲序列的占空比可作为一温度的函数在50％和100％之间调制变化。调制的脉冲序列在负载工作的一半周期内加到负载上，该脉冲序列的互补信号则在另一半工作周期内加到负载上，调制脉冲序列(且因此同时调制它的补偿信号)的作为温度的一函数的占空比可变化控制驱动电压的基本分量的幅值，并且由此可变化地控制电动机的位移，结果也就控制了深冷制冷器活塞的位移。
文档编号F25B9/14GK1067307SQ9210405
公开日1992年12月23日 申请日期1992年5月23日 优先权日1991年5月24日
发明者罗伯特·W·李德利奇 申请人:太阳能股份有限公司