基于驅(qū)動(dòng)控制器與PID控制算法實(shí)現(xiàn)雙直線電機(jī)的設(shè)計(jì)

引言

直線伺服電機(jī)作為斯特林制冷機(jī)的關(guān)鍵部件，其控制性能直接影響到整個(gè)制冷機(jī)系統(tǒng)。目前一般采用永磁無刷直線電機(jī)作為伺服電機(jī)。本文采用雙直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的系統(tǒng)。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，減小了斯特林制冷機(jī)的體積。雙直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，受力對稱，振動(dòng)小。為進(jìn)一步減小振動(dòng)和電磁干擾，電機(jī)采用正弦寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)，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、電機(jī)基本結(jié)構(gòu)

電機(jī)的基本原理是通入正弦交流電的導(dǎo)電線圈在恒定磁場作用下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)活塞，在氣缸里壓縮壓出或拉回抽出一個(gè)氣缸內(nèi)的工作氣體，產(chǎn)生交變壓力波，通過空心導(dǎo)管，傳到膨脹機(jī)轉(zhuǎn)變成冷量，從而使紅外器件敏感觀察目標(biāo)紅外信號(hào)，通過計(jì)算機(jī)處理后成像。

為了充分利用空間、減小體積，電機(jī)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。壓縮機(jī)與雙直線電機(jī)融為一體，壓縮機(jī)的汽缸和活塞置于電機(jī)的內(nèi)部，汽缸體就是電機(jī)的內(nèi)磁體，活塞又作為電機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的支承件。由于電機(jī)行程較短，動(dòng)子線圈采用軟線連接的無刷結(jié)構(gòu)。其中的彈簧即是動(dòng)子線圈的支承件，又是一個(gè)儲(chǔ)能元件，在彈簧、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)，效率最高。

2、驅(qū)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器主要是調(diào)節(jié)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)振幅及實(shí)現(xiàn)溫度控制。其原理框圖如圖1所示。

圖1 驅(qū)動(dòng)控制器原理圖

驅(qū)動(dòng)控制器的工作原理是：當(dāng)控制器接到系統(tǒng)的啟動(dòng)指令后，即以一定頻率的正弦波驅(qū)動(dòng)電機(jī)做最大振幅的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)監(jiān)測杜瓦瓶內(nèi)溫度的變化，當(dāng)杜瓦瓶內(nèi)溫度接近要求的溫度時(shí)，通過調(diào)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓的幅值逐漸減小往復(fù)運(yùn)動(dòng)的幅度，直至達(dá)到要求的溫度，然后不斷調(diào)整電機(jī)的運(yùn)動(dòng)幅度，使杜瓦瓶中的溫度保持在要求的溫度下。原理框圖中各部分的功能如下：

1）接口完成與上位機(jī)的通訊。主要功能是接收整機(jī)的啟、停指令，并將杜瓦瓶中的溫度傳感器信號(hào)經(jīng)過處理傳給整機(jī)系統(tǒng)。

2）幅度調(diào)制、正弦波發(fā)生器在單片機(jī)的協(xié)調(diào)控制下，通過一定的算法產(chǎn)生SPWM波形。

3）溫度傳感信號(hào)處理主要對杜瓦瓶中溫度傳感二極管的輸出信號(hào)進(jìn)行放大。

4）功率驅(qū)動(dòng)器對SPWM波形進(jìn)行功率放大，驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

5）單片機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的核心，協(xié)調(diào)處理與整機(jī)系統(tǒng)的通信，產(chǎn)生SPWM波形，數(shù)字增量式PID調(diào)節(jié)計(jì)算等。

3、電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)

電機(jī)電磁設(shè)計(jì)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)是激磁電流要設(shè)法導(dǎo)入動(dòng)圈；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)是無刷形式，散熱條件好，可靠性高。

本電機(jī)為提高動(dòng)態(tài)性能和便于壓縮機(jī)與電機(jī)一體化設(shè)計(jì)，采用動(dòng)圈式設(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)子相對較重；一種是動(dòng)圈在內(nèi)，磁鋼在外的內(nèi)動(dòng)子方案，優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)子重量輕，缺點(diǎn)是散熱性能差一些。

動(dòng)圈在磁鋼外和磁鋼內(nèi)各有優(yōu)、缺點(diǎn)，這與整個(gè)斯特林制冷機(jī)系統(tǒng)參數(shù)和驅(qū)動(dòng)控制等有關(guān)。

本設(shè)計(jì)方案考慮到動(dòng)態(tài)性能及電磁兼容問題，采用了內(nèi)動(dòng)圈的電磁設(shè)計(jì)方案，磁路如圖#。

4、技術(shù)難點(diǎn)及其解決途徑

4.1 電機(jī)部分

1）特殊線圈制作技術(shù)

圖2 電機(jī)磁路簡圖

為減小體積，提高力能指標(biāo)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)的力矩平穩(wěn)，對繞組的整齊性要求高，特別是雙活塞對動(dòng)式直線電動(dòng)機(jī)，兩個(gè)動(dòng)圈參數(shù)電阻、電感、重量都有對稱性要求，排繞要緊密，尺寸控制要好。根據(jù)具體線徑，經(jīng)多次繞制，并相應(yīng)改變動(dòng)子骨架尺寸，反復(fù)摸索，使每層正好繞下要求的導(dǎo)體數(shù)，同時(shí)要求高精度繞線設(shè)備來保證。

2）彈簧繞制技術(shù)

由于定位諧振彈簧受到的是反復(fù)負(fù)荷，在這種負(fù)荷條件下，彈簧材料的疲勞特性非常重要，而疲勞特性在很大程度上又取決于表面質(zhì)量。表面脫碳、裂紋、凹陷或接縫，都可大大降低彈簧材料的耐久性能。采用琴鋼絲經(jīng)過強(qiáng)壓和噴丸處理，產(chǎn)生增韌效果，所得到的殘余應(yīng)力加上材料表面的冷作硬化，一般可使耐久性顯著增加。

3）彈簧座設(shè)計(jì)、加工

彈簧與動(dòng)子通過彈簧座連接。由于受結(jié)構(gòu)尺寸限制，采用的是將彈簧兩端密繞幾匝作為螺母，彈簧座配車成螺栓連接結(jié)構(gòu)。彈簧繞制、熱處理后尺寸要變化，為保證連接安全可靠和連接后形位公差精度，彈簧座螺旋升角、凹漕等尺寸設(shè)計(jì)要合適。

4.2 驅(qū)動(dòng)控制器部分

1）電磁兼容

電源和電機(jī)引出線采用優(yōu)質(zhì)屏蔽電纜屏蔽，并采用單點(diǎn)接地方式；對電源進(jìn)線在驅(qū)動(dòng)器入口

采用四階LC低通濾波；對輸出輸入插頭選用帶雙/型低通濾波器的連接器。其在24Mc頻率點(diǎn)上的衰減約為45dB。

2）SPWM信號(hào)的產(chǎn)生

由單片機(jī)產(chǎn)生20kHZ 的SPWM信號(hào)，每個(gè)周期的正弦波被離散成200段，每隔100微秒單片機(jī)的定時(shí)器產(chǎn)生一次中斷，中斷處理時(shí)，觀察表中的輸出相應(yīng)的脈寬定時(shí)，再乘以幅度系數(shù)輸出。

3）溫度控制

由于被控對象是溫度，因此采用了傳統(tǒng)的增量式PID控制方法。

5、可靠性措施

電機(jī)及其控制器的可靠性直接影響到整個(gè)制冷系統(tǒng)。電機(jī)方面采取的可靠性措施主要有：

a）定子 定子由1J22 的機(jī)殼與2：17的稀土磁鋼粘接而成，可能引起不可靠的地方為機(jī)殼與磁鋼的粘接，現(xiàn)采用膠粘，并設(shè)計(jì)了粘接專用工裝夾具；

b）動(dòng)子 采用有機(jī)材料做骨架，經(jīng)漆包線繞制后進(jìn)行浸漆絕緣處理而成。其抗振動(dòng)的機(jī)械強(qiáng)度和絕緣性能達(dá)到要求；

c）彈簧、彈簧座及連接 將彈簧兩端密繞幾匝作為螺母，彈簧座配車成螺栓的連接結(jié)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)控制器方面采取的可靠性措施主要有：

a） 元器件、零部件的選用及采購的質(zhì)量保證；

b）降額設(shè)計(jì) 元器件工作時(shí)承受的工作應(yīng)力（電壓、電流、溫升、最高運(yùn)行頻率等） 適當(dāng)?shù)陀谠骷?guī)定的額定值；

c）簡化電路設(shè)計(jì) 在保證滿足性能的情況下，盡可能地減少元器件使用數(shù)量，從而提高產(chǎn)品的可靠性；

d） 加強(qiáng)焊接、裝配、調(diào)試過程中的質(zhì)量控制。

6、結(jié) 語

本文采用直線伺服電機(jī)與斯特林制冷機(jī)一體化設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)方案。雙直線電機(jī)對動(dòng)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，使斯特林制冷機(jī)具有體積小、振動(dòng)小、壽命長的優(yōu)點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)控制器以單片機(jī)為核心，軟件實(shí)現(xiàn)正弦脈寬調(diào)制（SPWM），用數(shù)字PID控制算法實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)的溫度控制。驅(qū)動(dòng)控制器參數(shù)調(diào)整方便，工作效率高。