[发明专利]调制驱动电动机电压的脉冲宽度来控制斯蒂林制冷器的位移

说明书

本发明总的涉及一种斯蒂林（Stirling）循环制冷热泵，特别涉及一种根据温度控制斯蒂林循环制冷器的自由活塞的位移的控制驱动电路，上述控制是通过脉冲宽度调制一特定脉冲重复频率的脉冲序列来进行的，盯这脉冲重复频率是一工作频率的谐波，而一调制频率等于工作频率以便控制驱动线性电动机的驱动电压的基本分量，该线性电动机是驱动自由活塞的原动机。

自由活塞斯蒂林循环深冷制冷器和其它自由活塞斯蒂林热泵典型地是由一线性电动机带动的，该电动机驱动活塞作往复运动。斯蒂林制冷器的泵热率是活塞位移的一递增连续函数。因此，人们希望通过控制驱动活塞运动的电动机的驱动电压来控制活塞的位移。为了使温度稳定在一设计的极限内以及为了避免在达到额定的设计温度之前特别是在最初被冷却的小间的温度接近周围温度时由于负载减少而引起活塞与配气活塞的碰撞。人们希望根据被冷却小间的温度控制活塞位移。

更特别的是，当冷端温度高于选定的设计温度时，为了增大泵热率，最好增加活塞的位移。当冷端的温度低于设计值时，为了减少位移以便减小泵热，最好降低加到线性电动机上的驱动电压。

因此，本发明的一个目的是提供一用一其基本频率等于一般是电动机和它的负载的谐振频率的工作频率的可控制的交流电压驱动线性电动机的控制驱动电路。驱动电压可以是冷端温度的函数，如果必要，也可能是其它控制变量（例如压力和时间）的函数，以便控制活塞的行程或位移，无论在从环境温度开始降温期间，此时期蒂林深冷器的工作气体压力和温度都变化，整个密封的自由活塞斯蒂林深冷制冷器的动态性能均变化，或者在稳定期间，此时冷端温度已达到工作温度都需要控制活塞位移。

美国专利3，220，201公开了一种控制电路，在该控制电路中，其频率是驱动电机的基本工作频率的方波脉冲的宽度可控制以便在所有情况下能保持基本的活塞振幅不变。该专利的驱动系统不仅没有按温度控制自由活塞的位移，而且，更重要的是，它产生一驱动脉冲之间的中间停止时间。

明显的困难是由于驱动电动机必须由一功率开关电路驱动，该电路由连接在一开关结构例如一常用的H电桥中的功率开关晶体管组成。该专利描述的开关技术要求当所有的开关晶体管断开时，在脉冲之间有一中间间隔（停顿），由于驱动电压须驱动一包含较大的电抗的负载，因此电流不能瞬时切断，所以，一种将所有功率开关晶体管转换到“断开”状态的尝试会引起加到电动机上的瞬时电压幅值变得很难控制和产生畸变，由此产生了非正弦波的电动机电流。

本发明的一个目的是使用一方法控制加到电动机上的电压，以便不致发生所有功率开关晶体管同时断开。本发明的一个目的和特点是提供一电路，在该电路中，在功率开关电路和电动机之间总有一电流通路，且一驱动电压总是加到该电动机上。

其他深冷制冷器控制系统在专利号为3，991，586和4，417，448的美国专利中已有所揭示。

因此，本发明的进一步的目的和特征是提供一电路，该电路能在一工作频率下施加一连续可变化的驱动电压给一活塞驱动电动机，该驱动电压基本上是一控制变量（例如深冷制冷器温度）的线性函数，以便驱动电动机的位移是在一可控制变化的范围内连续变化。

本发明是一按控制输入信号进行控制的方法和装置，所控制的是驱动电动机之类具有一工作频率的电抗性负载的交流信号基本分量的幅值。有一是工作频率的谐波的频率的脉冲序列会产生。该脉冲序列的占空比可调制以便它是一控制输入的函数。调制后的脉冲序列在负载工作周期的一半时间内加入到负载上。其余的脉冲序列的互补部分在负载的另一半工作周期内加到负载上。按控制输入信号（例如一温度指示信号）调制脉冲序列（同时调制其互补部分的）占空比，可变化地控制驱动电压基本分量的幅值;并由此可变化地控制电动机结果控制它所驱动的活塞的位移。

图1是由一线性电动机驱动的自由活塞的示意图;

图2和3是本发明和已有技术的电动机驱动信号的波形图;

图4、5及6是说明本发明电路的方框图;

图7-11是本发明的较佳实施例的工作的波形图;以及

图12是本发明的较佳实施例的电路示意图。

在描述附图所示的本发明的较佳实施例时，为了清楚起见，须使用具体的术语，然而，这并不是说本发明局限于所选择的具体术语，而应该明白，每一个具体的术语应包括所有能完成一相似目的所采用的类似的方法中采用的等价术语。例如“连接”一词或相似的术语经常被引用。但是这种连接并不只限于直接的连接，而包括通过其它电路元件的连接，只要同行技术人员认为这些电路元件的连接相当于一般的即可。