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直線伺服電機作為斯特林制冷機的關鍵部件，其控制性能直接影響到整個制冷機系統。目前一般采用永磁無刷直線電機作為伺服電機。本文采用雙直線電機驅動壓縮機的系統。雙直線電動機與壓縮機一體化結構設計，有效利用空間，減小了斯特林制冷機的體積。雙直線電機驅動壓縮機，受力對稱，振動小。為進一步減小振動和電磁干擾，電機采用正弦寬調制驅動，溫度調節采用數字增量式PID，整個驅動控制器在單片機協調下工作。 1、電機基本結構 電機的基本原理是通入正弦交流電的導電線圈在恒定磁場作用下往復運動，帶動活塞，在氣缸里壓縮壓出或拉回抽出一個氣缸內的工作氣體，產生交變壓力波，通過空心導管，傳到膨脹機轉變成冷量，從而使紅外器件敏感觀察目標紅外信號，通過計算機處理后成像。 為了充分利用空間、減小體積，電機與制冷機的壓縮機采用一體化的結構設計方案。壓縮機與雙直線電機融為一體，壓縮機的汽缸和活塞置于電機的內部，汽缸體就是電機的內磁體，活塞又作為電機往復運動的支承件。由于電機行程較短，動子線圈采用軟線連接的無刷結構。其中的彈簧即是動子線圈的支承件，又是一個儲能元件，在彈簧、電機和壓縮機參數匹配條件下，系統諧振驅動，效率最高。 2、驅動控制器的設計 電機驅動控制器主要是調節電機的運動振幅及實現溫度控制。其原理框圖如圖1所示。 圖1 驅動控制器原理圖 驅動控制器的工作原理是：當控制器接到系統的啟動指令后，即以一定頻率的正弦波驅動電機做最大振幅的往復運動，同時監測杜瓦瓶內溫度的變化，當杜瓦瓶內溫度接近要求的溫度時，通過調節電機驅動電壓的幅值逐漸減小往復運動的幅度，直至達到要求的溫度，然后不斷調整電機的運動幅度，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）接口完成與上位機的通訊。主要功能是接收整機的啟、停指令，并將杜瓦瓶中的溫度傳感器信號經過處理傳給整機系統。 2）幅度調制、正弦波發生器在單片機的協調控制下，通過一定的算法產生SPWM波形。 3）溫度傳感信號處理主要對杜瓦瓶中溫度傳感二極管的輸出信號進行放大。 4）功率驅動器對SPWM波形進行功率放大，驅動電機。 5）單片機驅動控制器的核心，協調處理與整機系統的通信，產生SPWM波形，數字增量式PID調節計算等。 3、電機的電磁設計 電機電磁設計方案主要有兩種：一種為動圈式，即線圈運動，優點是動子重量輕，動態性能好，缺點是激磁電流要設法導入動圈；一種是動鐵式，即磁鋼運動，缺點是動子重量較重，優點是無刷形式，散熱條件好，可靠性高。 本電機為提高動態性能和便于壓縮機與電機一體化設計，采用動圈式設計方案。動圈式設計方案也有兩種選擇：一種是動圈在外，磁鋼在內的外動子方案，優點是散熱性能較好，缺點是動子相對較重；一種是動圈在內，磁鋼在外的內動子方案，優點是動子重量輕，缺點是散熱性能差一些。 動圈在磁鋼外和磁鋼內各有優、缺點，這與整個斯特林制冷機系統參數和驅動控制等有關。 本設計方案考慮到動態性能及電磁兼容問題，采用了內動圈的電磁設計方案，磁路如圖#。 4、技術難點及其解決途徑 4.1 電機部分 1）特殊線圈制作技術 圖2 電機磁路簡圖 為減小體積，提高力能指標和往復運動的力矩平穩，對繞組的整齊性要求高，特別是雙活塞對動式直線電動機，兩個動圈參數電阻、電感、重量都有對稱性要求，排繞要緊密，尺寸控制要好。根據具體線徑，經多次繞制，并相應改變動子骨架尺寸，反復摸索，使每層正好繞下要求的導體數，同時要求高精度繞線設備來保證。 2）彈簧繞制技術 由于定位諧振彈簧受到的是反復負荷，在這種負荷條件下，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。采用琴鋼絲經過強壓和噴丸處理，產生增韌效果，所得到的殘余應力加上材料表面的冷作硬化，一般可使耐久性顯著增加。 3）彈簧座設計、加工 彈簧與動子通過彈簧座連接。由于受結構尺寸限制，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構。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、凹漕等尺寸設計要合適。 4.2 驅動控制器部分 1）電磁兼容 電源和電機引出線采用優質屏蔽電纜屏蔽，并采用單點接地方式；對電源進線在驅動器入口 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頻率點上的衰減約為45dB。 2）SPWM信號的產生 由單片機產生20kHZ 的SPWM信號，每個周期的正弦波被離散成200段，每隔100微秒單片機的定時器產生一次中斷，中斷處理時，觀察表中的輸出相應的脈寬定時，再乘以幅度系數輸出。 3）溫度控制 由于被控對象是溫度，因此采用了傳統的增量式PID控制方法。 5、可靠性措施 電機及其控制器的可靠性直接影響到整個制冷系統。電機方面采取的可靠性措施主要有： a）定子 定子由1J22 的機殼與2：17的稀土磁鋼粘接而成，可能引起不可靠的地方為機殼與磁鋼的粘接，現采用膠粘，并設計了粘接專用工裝夾具； b）動子 采用有機材料做骨架，經漆包線繞制后進行浸漆絕緣處理而成。其抗振動的機械強度和絕緣性能達到要求； 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構。驅動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量保證； b）降額設計 元器件工作時承受的工作應力（電壓、電流、溫升、最高運行頻率等） 適當低于元器件規定的額定值； c）簡化電路設計 在保證滿足性能的情況下，盡可能地減少元器件使用數量，從而提高產品的可靠性； d） 加強焊接、裝配、調試過程中的質量控制。 6、結 語 本文采用直線伺服電機與斯特林制冷機一體化設計的結構方案。雙直線電機對動驅動壓縮機，使斯特林制冷機具有體積小、振動小、壽命長的優點。驅動控制器以單片機為核心，軟件實現正弦脈寬調制（SPWM），用數字PID控制算法實現制冷機的溫度控制。驅動控制器參數調整方便，工作效率高。 |
