新型節(jié)能制冷機(jī)用直線電機(jī)及驅(qū)動(dòng)控制
王真1,2，魯華2，羅東輝2，張東寧2
(上海交通大學(xué)，上海200030；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海200233)
摘要：直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)的壓縮機(jī)，省去了一般旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)時(shí)需將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)的曲柄聯(lián)桿機(jī)構(gòu)，所以電機(jī)與壓縮機(jī)一體化設(shè)計(jì)后具有振動(dòng)小、壽命氏的優(yōu)點(diǎn)：雙直線電機(jī)與制冷機(jī)壓縮機(jī)一體化設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)方案能夠有效地利用空間，大大地減小制冷機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸。
關(guān)鍵詞：制冷機(jī)；直線電機(jī)；驅(qū)動(dòng)控制；PID調(diào)節(jié)
中圖分類號(hào)：TM359．4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—7018(2008)01—0043—03
0引 言
目前，制冷機(jī)主要使用旋轉(zhuǎn)式電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)活塞作往復(fù)振動(dòng)，需要一套將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊本�往復(fù)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。而轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的存在，會(huì)導(dǎo)致機(jī)器總體體積龐大、傳動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)。雙直線電動(dòng)機(jī)與壓縮機(jī)一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效利用空間，可以減小制冷機(jī)的體積。雙直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，受力對(duì)稱，振動(dòng)小。為進(jìn)一步減小振動(dòng)和電磁干擾，直線電機(jī)采用正弦脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)方式，溫度調(diào)節(jié)采用數(shù)字增量式PID，整個(gè)驅(qū)動(dòng)控制器在單片機(jī)協(xié)調(diào)下工作。
1基本結(jié)構(gòu)原理
制冷機(jī)用直線電機(jī)的基本原理是在通以交變電流的動(dòng)子線圈在恒定磁場(chǎng)中受力，動(dòng)子線圈帶動(dòng)負(fù)載作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
為充分利用空間、減小體積，制冷機(jī)用的直線電機(jī)現(xiàn)在都與制冷機(jī)的壓縮機(jī)采用一體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。具體的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。
圖1是雙直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的典型結(jié)構(gòu)，壓縮機(jī)與雙直線電機(jī)融為一體，壓縮機(jī)的汽缸和活塞置于直線電機(jī)的內(nèi)部，汽缸體就是直線電機(jī)的內(nèi)磁體，活塞又作為直線電機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的支承件。彈簧既是動(dòng)子線圈的支承件，又是一個(gè)儲(chǔ)能元件，在彈簧、直線電機(jī)和壓縮機(jī)參數(shù)匹配條件下，系統(tǒng)諧振驅(qū)動(dòng)，效率****。
制冷機(jī)用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制主要是調(diào)節(jié)直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)振幅實(shí)現(xiàn)溫度控制。驅(qū)動(dòng)控制器的原理框圖如圖2所示。
系統(tǒng)的工作原理是當(dāng)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器接到系統(tǒng)的起動(dòng)指令后，即以一定頻率的正弦波驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)作****振幅的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)監(jiān)測(cè)溫度的變化。當(dāng)溫度接近要求的溫度時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓的幅值逐漸減小往復(fù)運(yùn)動(dòng)的幅值，直至達(dá)到要求的溫度，然后不斷調(diào)整直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)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(jī)的通訊，接收整機(jī)系統(tǒng)的起、停指令，并將溫度傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)處理傳給整機(jī)系統(tǒng)。
幅度調(diào)制和正弦波發(fā)生器是在單片機(jī)的協(xié)調(diào)控制下，通過(guò)一定的算法產(chǎn)生sPwM波形。
溫度傳感信號(hào)處理的主要功能是將溫度傳感二極管的輸出信號(hào)進(jìn)行放大。
功率驅(qū)動(dòng)器用以對(duì)sPwM波形進(jìn)行功率放大，驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)。
單片機(jī)是防調(diào)處理與整機(jī)系統(tǒng)的通信、驅(qū)動(dòng)控制器的sPwM波形產(chǎn)生、數(shù)字增量式PID調(diào)節(jié)算法計(jì)算等。
2直線電機(jī)及驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)
2．1直線電機(jī)電磁設(shè)計(jì)和加工工藝設(shè)計(jì)
直線電機(jī)的電磁設(shè)汁方案主要有兩種：一種為動(dòng)圈式，即線圈運(yùn)動(dòng)，優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)子重量輕，動(dòng)態(tài)性能好，缺點(diǎn)是勵(lì)磁電流要設(shè)法導(dǎo)人動(dòng)圈；另一種是動(dòng)鐵式，即磁鋼運(yùn)動(dòng)，缺點(diǎn)是動(dòng)子重量較重，優(yōu)點(diǎn)是天然無(wú)刷形式，散熱條件好，可靠性高。
制冷機(jī)用直線電機(jī)為提高動(dòng)態(tài)性能和便于壓縮機(jī)與直線電機(jī)一體化設(shè)計(jì)普遍采用動(dòng)固式設(shè)計(jì)方案。動(dòng)圈式設(shè)計(jì)方案也有兩種選擇：一種是動(dòng)圈在外、磁鋼在內(nèi)的外動(dòng)子方案，優(yōu)點(diǎn)是散熱性能較好，缺點(diǎn)是動(dòng)子相對(duì)較重；另一種是動(dòng)圈在內(nèi)、磁鋼在外的內(nèi)動(dòng)子方案，其優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)子重量輕，而缺點(diǎn)是散熱性能較差。
動(dòng)圈在磁鋼外和磁鋼內(nèi)各有優(yōu)、缺點(diǎn)。這與整個(gè)制冷機(jī)系統(tǒng)參數(shù)、驅(qū)動(dòng)控制等有關(guān)，目前國(guó)外主要公司的產(chǎn)品兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案都有。
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