冰箱压缩机用直线电机的控制系统_图文

1、冰箱压缩机用直线电机的控制系统李志海,郑水英(浙江大学化工机械研究所,杭州310027摘要:提出了一种基于单片机的可控硅输入电压控制系统,包括同步脉冲电路、触发电路、隔离电路、显示电路、人机接口以及电流检测单元等。通过单片机控制可控硅的控制角,使系统的输入功率改变,从而使压缩机的起动平缓并具有连续可调的排气量。通过实验研究,表明该方案是切实可行的。关键词:直线电机;压缩机;电压控制;单片机中图分类号:T M301.2T M359.4文献标识码:A文章编号:100128085(20060120033204Con trol Syste m of M ov i n g2Co il L i n ear

2、 M otor for Refr i gera tor Com pressorL I Zhi2hai,ZHEN G S hui2ying(I nstitute of Che m icalMachinery,Zhejiang Univ.,Hangzhou310027,ChinaAbstract:I n this paper,the linear comp ress or contr ol syste m is studied.The contr ol circuit is composed of syn2 chr onous pulse circuit,trigger circuit,op ti

3、cal is olat or circuit and dis p lay circuit.P I C single2chi p generates trigger pulse t o contr ol the Triac,and then make it possible t o contr ol the p ist ons dis p lace ment,mean positi on and comp res2 s ors capacity.The experi m ent results p r ove that the method is feasible.Key words:li n

4、ear m otor;co m pressors;volt age con trol;si n gle ch i p m i crocon troller0引言目前,发达国家已经研制开发出了一种新一代制冷压缩机直线压缩机(L MC。由于L MC不包括将转动转变为直线运动的曲轴、连杆等机构,因此,在效率方面优于通常的由旋转电机驱动的压缩机。L MC的一个性能特点就是可以进行容量调节,活塞的行程直接取决于驱动电压和排气压力1。当将L MC用于冷冻机或者空调机时,通过改变施加到LMC上的电压,以改变LMC的压缩比和活塞行程来控制系统的制冷量。国外对L MC控制系统的研究很多,包括大量的专利和文献资料

5、24,但在国内相关研究还较少。本文提出了一种基于单片机的可控硅输入电压控制系统,并进行了相关的实验研究。1控制系统的设计1.1控制系统需求分析有曲柄、连杆机构的传统压缩机,活塞位移的大小和位移的上止点位置由机械结构决定,不受进排气压力的影响。而LMC的活塞是自由式的,活塞位移的大小、位移的上止点位置不仅受到电机驱动力的影响,还受到压缩机进排气压力的影响。活塞位移的大小、位移的上止点位置直接决定了压缩机的行程容积和余隙容积,进而决定了压缩机排气量的大小和效率的高低。在压缩机的起动阶段,排气压力是在不断变化的。刚开机阶段,排气压力为零,如果不调低输入功率,势必会发生连续撞缸的情况,因此在开机阶段,

6、输入功率应由小到大逐渐增加。此外,由于制冷工艺的需要,压缩机排气压力和排气量有时也需要发生变化。这正是L MC的另外一大优点:排气量连续可调,而且不必借助于变频系统。具体方法就是降低输入功率,减小活塞的位移幅值,也就是降低行程容积。但如果只是简单地降低输入功率,那么调小排气量的同时,由于气缸余隙容积大大增加,将导致压缩机的效率大大降低了。因此控制系统的另一个任务就是在调节压缩机排气量的同时,要尽可能地维持气缸余隙容积处于33最小状态。综上所述,L MC 的控制系统是必不可少的。1.2控制系统电路设计控制系统的基本任务是通过可控硅的截波功能实现压缩机输入功率的可调性。为保证在交流电的正、负半周均

7、能导通,且控制角分别可调,可选用双向可控硅,触发形式为脉冲触发导通、过零自动关断。这种情况下,输入电压的波形如图1所示,其中1、2分别为正、负半周的控制角。 图1可控硅控制下的输入电压波形直线电机的输入电路及控制系统的主要结构如图2所示。电源是50Hz 、220V 的交流电;控制系统以P I C16F84A 单片机为中心,包括同步脉冲电路、触发电路、隔离电路、显示电路、人机接口以及电流检测单元等。 图2控制系统硬件框图从变压器的分压电阻R x 上采集得到同步电压信号V sin ,经电阻限流、稳压管稳压后,波形由正弦波转变为同步方波脉冲。为获得更陡峭的脉冲上升沿,这一脉冲信号将进一步通过两个MO

8、S 管进行电流放大。同步脉冲信号进入单片机后,单片机根据设定的正、负半周控制角,在适当的时刻给出触发脉冲信号。为保证单片机稳定可靠地工作,这一触发脉冲信号需经过光耦隔离电路后,再进入触发电路。触发电路的功能是将单片机给出的较弱的触发脉冲信号进行功率放大,以保证可控硅的可靠触发。电流检测单元是通过串联在压缩机回路中的精密小电阻得到电机的工作电流;单片机根据这一电流信号以及压缩机的进、排气压力,调整可控硅的控制角,以保证活塞的位移、气缸余隙都处于最佳工作状态。为实现这一功能,在单片机内需事先存有关于活塞位移、进排气压力与输入电流的系列标定曲线。1.3单片机中断程序设计由于同步脉冲的检测是通过单片机

9、的外部中断引脚RB0/I N T 处理的,所以需要编写中断服务程序。在中断程序中要实现相应控制角的延时和触发脉冲的输出。图3为中断服务子程序的框图,宏定义为对系统内部的变量定义,中断服务子程序中的主要变量有F LAG 和RES ULT 。其中F LAG 为标志位,用来保证外部I N T 中断与T MR0计时中断同时开始;RES ULT 为可控硅的触发控制角,其作用是确定T MR0在计时多少时间后产生T MR0中断;SERVE -1、SERVE -2和P ULSE -B 为编程过程中定义的程序地址。当系统检测到同步脉冲的上升沿后,系统开始响应中断。首先是判断产生何种中断,因为本设计中同时用到了外

10、部I N T 中断和T MR0中断。如果是外部I N T 中断,则系统转去执行SERVE -1(SERVE -1的功能是当I N T 中断到来时,开放T MR0中断;反之,则检测是否发生了T MR0中断。若不是T MR0中断,则开放T MR0中断;若是T MR0中断,则测试F LAG 和RES ULT,转去执行P ULSE -B ,即产生触发脉冲。2实验研究及其分析整个实验系统包括L MC 试验样机、安装基础、控制系统及测试系统,如图4所示。试验样机为永磁动圈式L MC,主要测量参数为活塞的位移和电机线圈上的电流。活塞位移的测量采用量程为2mm 的涡流传感器,伸出机壳外的测量杆与活塞一起运动;

11、在测量杆上贴有一个锲形块,测量传感器探头与锲形块间的距离,即可换算得到活塞的位移。为测量电机线圈上的瞬态电流,在压缩机电路内串联了一个精密小电阻,测量电阻两43 图3 中断服务程序框图图4永磁动圈型LMC 实验台 端的电压就得到了电机的工作电流信号(如图5所示。从图5中可以清楚地看出:当触发脉冲到来的时候,可控硅被导通,线圈上的电流逐渐上升。在交流电作用下,工作电流也是交变的,当工作电流变为零时,可控硅回到阻断状态。当下一个触发脉冲到来的时候,可控硅重新被导通。由于在正、负半周的控制角是一致的,因此电流在正、负半周的波形也基本一样。比较(a 、(b 图可知:当控制角变大时,可控硅处于阻断状态的

12、时间增大,工作电流减小,表示系统的输入功率降低了,这样活塞的位移也必然降低。保持压缩机的排气压力不变,改变可控硅在正、负半周的控制角,各组正、 负半周的控制角见(a 控制角分别为60°和240 °(b 控制角分别为120°和300°图5控制角不同时的触发脉冲信号和工作电流信号表1。由于正、负半周的控制角不对称,使得正、负半周的输入能量不相等,由此导致了活塞平衡位置的改变。这说明活塞的位移、活塞运动的平衡位置以及气缸的余隙都是可控的。从图6可以看到曲线3、4的最小值是一致的,而行程是不同的,从而可以控制压缩机使其余隙一致而排气量不同。表1平衡位置各组试验参

13、数组1234正半周控制角/(°309012090负半周控制角/(°24024024033053 图6控制角对活塞位移及其平衡位置的影响3结语本文通过单片机对冰箱用直线电机进行控制。试验结果表明,单片机能够通过控制双向可控硅的控制角,有效地控制系统的输入功率,使L MC 正常起动避免撞缸,同时连续调节压缩机的排气量。本实验中,由于LMC 比推力小,因而压缩机的总行程小、排气压力小。下一步将提高行程,在大行程高背压条件下进行控制测试试验。【参考文献】1Redlich R,Unger R.L inear comp ress ors:mot or con 2figurati on,

14、modulati on and syste m sC .I nternati onalComp ress or Engineering Conference,W est Lafayette:Purdue University,1996.2A Home Refrigerat or with a Sunpower L inear Comp res 2s or,htt p:/www .ent .ohi ou .edu /me321/quiz .inf o /Refrigerat or/refrig .ht m l .3杨建慧,周远,梁惊涛,等.新型节能制冷压缩机.htt p:/www .chinar

15、hvac .com /ztlt/index .ht m .4N icholas R,W alt V,Unger R.L inear comp ress ors 2amaturing Technol ogy C .Pr oceedings 45thI nterna 2ti onal App liance Technical Conference,Madis on:Uni 2versity of W isconsin,1994:2392246.收稿日期:2005207207行业信息2005年度中小电机国家监督抽查质量分析会圆满结束2005年度中小电机国家监督抽查质量分析会于2005年12月28日至

16、29日在广东省江门市举行,共有110家单位的代表参加了本次会议。会议由国家中小电机质检中心常务副主任陈伟华主持。国家发改委经济运行局机电处处长景晓波和上海电器科学研究所(集团有限公司副总裁、中国电器工业协会中小型电机分会代理理事长邹孟奇到会并分别作了重要发言。在本次会议上,国家发改委景晓波处长就产品质量抽查的重要性、中小电机产品的品牌建设、电机用硅钢片“以冷代热”进展情况等三个方面作了重要讲话,中国电器工业协会中小型电机分会代理理事长邹孟奇就产品质量抽查目的、抽查方式以及行业协会为推动广大企业适应市场,不断提高产品质量,促进产品更新换代,制止行业内恶性竞争所作的工作进行了介绍。国家中小电机质检中心常务副主任陈伟华就2005年度中小电机国家监督抽查情况向大会作了报告,监督抽查结果报告回顾了历次抽查情况、指出了本次抽查的依据、特点及样机质量状况,综合分析了本次抽查发现的质量问题,并提出了改进的建议和措施。两家企业的代表就如何保持和不断提高产品质量、创建国家免检产品进行了交流发言。国家中小电机质检中心检