一种气体轴承斯特林制冷机控制系统及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及气体轴承斯特林制冷机技术领域，具体涉及一种气体轴承斯特林制冷 机控制系统及其控制方法。
【背景技术】
[0002] 气体轴承斯特林制冷机的结构决定了制冷机的活塞处于自由状态。制冷机处于停 机状态时，活塞可能处于行程中的任意位置。当制冷机垂直放置时，受重力作用的影响，活 塞会跌至行程的端部。此时启动制冷机，活塞会以行程端部为平衡点往复运动，必然会产生 启动撞缸问题。传统的气体轴承斯特林制冷机控制器采用小幅值脉冲定位的方法进行启 动，这种启动方法在制冷机水平放置时，一定程度上能够缓解启动撞缸的问题。但是当制冷 机垂直放置时，仍然无法解决启动撞缸的问题，严重影响了制冷机的正常工作，甚至使制冷 机无法启动。因此，为了保证斯特林制冷机的可靠运行，必须设计一种控制系统既能满足斯 特林制冷机高效稳定的输出能力和温控精度要求，又能解决各种工况下的启动撞缸问题， 保证斯特林制冷机能够成功开机。另外，当制冷机在低温状态下工作时，由于机械结构间隙 的增大，传统的控制器工作时会出现撞缸的问题。因此，为了保证制冷机低温下可靠运行， 必须设计一种控制器保证制冷机低温状态下，能够可靠运行。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种气体轴承斯特林制冷机控制系统及其控制方法，该制 冷机控制系统及其控制方法能够解决现有技术中制冷机启动撞缸和低温工作撞缸的问题， 不仅能够保证制冷机在低温下可靠运行，满足斯特林制冷机高效稳定的输出能力和温控精 度要求，还能够解决各种工况下的启动撞缸问题，保证斯特林制冷机能够成功开机。
[0004] 为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
[0005] -种气体轴承斯特林制冷机控制系统，包括微处理器、用于采集制冷机制冷温度 的制冷温度采集电路、用于采集制冷机工作环境温度的环境温度采集电路、用于采集制冷 机工作电压及电流的电压电流采集电路和用于调整制冷机功率的功率控制电路。
[0006] 所述制冷温度采集电路、环境温度采集电路的输出端分别与微处理器的输入端相 连；所述微处理器的输出端与功率控制电路的输入端相连；所述功率控制电路的输出端分 别与电压电流采集电路的输入端、制冷机的功率输入端相连。
[0007] 进一步的，所述微处器采用微软公司的DSPIC30F6015芯片。
[0008] 进一步的，所述制冷温度采集电路包括安装在制冷机冷头上的第一温度传感器和 信号调理电路。
[0009] 所述信号调理电路包括第一运算放大器U1、滤波电容C1、第二运算放大器U2和第 一A/D转换器。所述第一运算放大器，其同相输入端经电阻R1接电源，其反向输入端经电 阻R2接地，其输出端依次经电阻R5、R6、R7接第二运算放大器U2的同相输入端。所述第一 运算放大器，其同相输入端还经电阻R3连接到电阻R5与R6之间，其反相输入端与输出端 之间设有第一RC滤波电路。所述第二运算放大器，其同相输入端经并联连接的电阻R6与 电容C3接地，其反相输入端依次经电阻R8、R9接地，其输出端依次经电阻R12、第一A/D转 换器接微处理器的输入端。所述第二运算放大器，其反相输入端与输出端之间设有第二RC 滤波电路；所述滤波电容，其正极连接到电阻R6与R7之间，其负极连接到电阻R8与R9之 间。所述第一温度传感器并联在滤波电容两端。所述第一RC滤波电路包括并联连接的电 阻R4和电容C2。所述第二RC滤波电路包括并联连接的电阻R11和电容C4。
[0010] 进一步的，所述的环境温度采集电路包括安装在制冷机表面的第二温度传感器。 所述第二温度传感器连接在电源与微处理器之间。
[0011] 进一步的，所述电压电流采集电路包括电流传感器、第二A/D转换器和输出分压 电路。所述输出分压电路包括串联连接的电阻R13与R14，该输出分压电路一端接制冷机的 输入端或功率控制电路的输出端，另一端接地。所述电流传感器串联在功率控制电路输出 端与制冷机输入端之间。所述第二A/D转换器，其输入端接电流传感器的输出端，其输入端 还连接到电阻R13与R14之间的节点上，其输出端接微处理器的输入端。
[0012] 进一步的，所述功率控制电路包括第一场效应管VI、第二场效应管V2、第三场效 应管V3、第四场效应管V4和预驱动芯片。所述第一场效应管VI、第二场效应管V2、第三场 效应管V3、第四场效应管V4的栅极分别与预驱动芯片的输出端相连。所述预驱动芯片的 输入端接微处理器的输出端；所述第一场效应管VI，其漏极接电源，其源极接第二场效应 管V2的漏极；所述第二场效应管V2的源极接地。所述第三场效应管V3,其漏极接电源，其 源极接第四场效应管V4的漏极。所述第四场效应管V4的源极接地。所述第一场效应管VI 的源极与第二场效应管V2的漏极之间的节点连接到制冷机的功率输入端。所述第二场效 应管V3的源极与第四场效应管V4的漏极之间的节点连接到电压电流采集电路的输入端。
[0013] 本发明还涉及一种上述气体轴承斯特林制冷机控制系统的控制方法，该方法包括 以下步骤：
[0014] (1)制冷温度采集电路实时采集制冷机的制冷温度，并将制冷机的制冷温度信息 发送至微处理器，微处理器根据制冷机的制冷温度信息对制冷机温度进行闭环控制；
[0015] (2)电压电流采集电路实时采集制冷机的工作电流和工作电压，并将制冷机的工 作电流和电压信息发送至微处理器；
[0016] 微处理器根据制冷机的工作电流和工作电压，利用以下公式计算出制冷机活塞的 位置：
[0017]
[0018] 其中，艮为制冷机的等效电阻，为制冷机的等效电感，x(t)为制冷机的活塞位 移，v(t)为制冷机输入电压，i⑴为制冷机定子电流，a为(；〇制冷机的电势系数；
[0019] 根据制冷机活塞的位置，微处理器通过功率控制电路对制冷机的输入功率进行控 制，使制冷机的活塞控制在平衡位置；
[0020] 当制冷机的活塞位于平衡位置后，对制冷机加载正常的等幅交流电压，使制冷机 进入正常工作状态；
[0021] (3)环境温度采集电路实时采集制冷机工作的环境温度，并将环境温度数据发送 至微处理器；
[0022] 微处理器根据环境温度数据选取合适的控制参数，并通过功率控制电路对制冷机 的输入功率进行控制。
[0023] 和现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0024] (1)本发明适用于气体轴承斯特林制冷机、气体轴承斯特林发电机以及气体轴承 直线压缩机等基于气体轴承支承技术产品的启动和控制。该制冷机控制系统及其控制方法 能够解决现有技术中制冷机启动撞缸和低温工作撞缸的问题，不仅能够保证制冷机在低温 下可靠运行，满足斯特林制冷机高效稳定的输出能力和温控精度要求，还能够解决各种工 况下的启动撞缸问题，保证斯特林制冷机能够成功开机。
[0025] (2)本发明通过对制冷机活塞位置进行计算，并对活塞的初始位置进行定位，保证 制冷机的活塞位置处于平衡点时进行正常的工作电压的加载，从而使活塞处于任何工况下 都能正常启动，有效解决了制冷机活塞启动撞缸的问题。
[0026] (3)本发明通过对制冷机工作的环境温度进行辨识，微处理器根据环境温度辨识 结果控制功率控制电路加载在制冷机上的功率，从而有效避免制冷机低温撞缸问题的出 现，提高制冷机系统的可靠性，使制冷机在环境温度较低的情况下能够正常的工作，延长制 冷机的使用寿命。
【附图说明】