一种无活塞压缩微型制冷机驱动控制系统设计
摘要：针对无活塞压缩微型制冷机往复运动的特点，提出了基于DsP控制的直线步进电动机驱动控制系统。设计了以TMs320LF407A为核心的系统硬件控制电路和软件流程。实验结果表明，该系统驱动的制冷机不仅起步平稳，减速阶段的末端冲击小，而且具有加减速控制方便、简单等优点。
关键词：直线电动机；步进电动机；DsP控制；加减速控制；实验
0 引 言
无活塞压缩微型制冷机是一种由波纹管结构组成的波纹管气箱代替活塞压缩的新型制冷机。
该机型由于无活塞压缩，无需密封和润滑油，简化了系统，在提高性能的同时可满足使用场合。
运用旋转电机作为该制冷剂的驱动系统将大大增加系统的复杂程度和体积，不易于系统集成。本文采用直线步进电机对该制冷机驱动系统进行改进，将电脉冲信号直接转换成微步距直线运动，改进后的驱动系统在结构上得以简化，可实现快速响应，并大大减小了机械损耗。
1 系统原理
改进后的无活塞压缩微型制冷机原理结构如图l所示。系统由波纹管、冷凝器、蒸发器、节流阀及相关连接管道组成。波纹管由直线电机实现驱动，实现波纹管气室伸长与缩短的交替往复运动。波纹管气箱的制冷剂出口安装单向阀，只允许在波纹管气箱被压缩时流出，从而对制冷工质进行压缩。制冷工质经过压缩后变为高温高压的制冷剂蒸汽，接着流经到冷凝器，经过放热后变为高压中温的液体。高压中温的液体经过节流阀节流，降温降压后成为湿蒸汽，流经蒸发器，经过蒸发吸热后变为饱和的制冷剂蒸汽，再回到波纹管。通过如此循环工作，达到制冷循环的过程。
驱动机构采用直线步进电机，将电脉冲信号直接转换成微步距直线运动，驱动效率高，易于系统集成，整体布局便于微型化。
2控制策略
无活塞压缩微型制冷机用波纹管代替了活塞压缩。在直线电机往复运动过程中，由于惯性电机动子会越过极限位置，产生未端机械冲击，这将大大地影响电机的使用寿命。因此对电机在起 停、加减速和位置控制以及消除未端冲击，是该系统所要解决的关键问题。
自动变速控制的思想是：电机从低速不失步的频率开始加速起动，到达高速后匀速运行，在快到另一未端位置时，电机减速运行，然后使它能准确地停在未端位置上，从而实现起步阶段不失步并且有效地抑制电机到达行程未端时的机械冲击。该变速过程可采用多种速度时间曲线控制方式。
直线变速曲线如图2(a)所示。图中线段AB、BC、CD分别代表加速、匀速和减速运行阶段，n代表直线步进电机当前运行脉冲频率。反方向运动时情况相同。
一般来说，采用直线型变速曲线运行时，因其加速、匀速和减速过程存在振荡，不能光滑过渡，即加速度对时间的函数a(t)=dv(t)／dt不是连续函数，存在阶跃现象。这将影响电机和机械系统的使用寿命，所以采用直线加抛物线型变速曲线，如图2(b)所示。其运动过程首先以直线加抛物线加速运动，再匀速运动，最后以直线加抛物线减速运动。此方法升降过程快而且速度变化无阶跃现象运行平稳。
以上曲线为连续函数，无法通过编程实现。本文运用台阶拟合法来实现速度控制。方法是通过多段的分台阶频率跳跃逐渐达到要求的运行频率。直线步进电机增频过程中频率与时间的关系为：
式中，fs为步进电机的起动频率；fm为步进电机的运行****频率；r为驱动系统时间常数。
若运行频率为fg从上式可求得升速阶段的总时间为
将升速段均匀地离散为n段，由上式知升速时间为tr，则相邻两次速度变化的时间间隔为：
式中，n为升速台阶数。
每一台阶的频率为：
各台阶速度内运行的步数Ⅳk为：
程序执行时，对每个台阶的速度都要计算其该走的步数，电机每运行一步计数减一，当减为零时表示该台阶速度的步数己走完，进入下一个台阶，直到升速过程结束为止。
3控制系统设计
本系统所用直线步进电动机为混合式两相直线步进电动机。控制器以TMS320L172407A为核心控制单元。具体方法是通过改变控制脉冲信号的频率，并通过一定规律的脉冲分配，控制相应绕组按一定比例电压和规律顺序通电，实现绕组的恒流控制。当该控制脉冲按照设定的规律变化时，就可实现电机调速与定位，其速度与控制脉冲频率成正比。
3．1系统硬件设计
系统原理如图3所示。其中以TMS320LF2407A作为核心控制单元，利用TMS3201Jl2407A实现的脉冲发生信号。TMS320LF2407A带有功能强大的通用L／PWM和PWM输出功能，能同时输出16路的PWM波形，改变PWM的频率可实现步进电机的位置和速度控制。
因为无活塞压缩微型制冷机所用波纹管伸展长度为确定值，所以可以用软件设定直线电机每次往复运动步进的步数。按一定的规律设定直线电机加减速的过程，可以避免起步阶段失步，抑制末段机械冲击现象。
控制信号用来设置直线步进电机的运行方式，和软件相结合控制电机的起停、正反向、加减速和位置定位等。细分驱动电路采用驱动专用芯片A3955SB。它把DsP输出的PwM信号转换为驱动电路所需的信号，再由驱动电路驱动电动机的运行。显示电路用实时显示电机运行过程中的速度等各种状态参数。
系统的工作过程是：首先设定直线步进电机运行 的各种参数，通过运行相应的功能程序控制步进电机起停、正反向、加减速和位置定位等。为了防止主功率电路因过流、过热、过压、欠压等而引起器件损坏，系统设计了保护环节。
3．2系统软件设计
编制的系统软件能通过键盘给定输出信号，实现起停、正反转，变速和位置控制等功能；能通过显示器显示正、反向运行时的频率。
对于控制单元脉冲输出频率的控制常用的是用软件的方法来实现。一般有软件延时法和定时器法。软件设计的基本思想是在启动时以较低的速度运行，然后慢慢加速到一定频率后匀速运动，当将要运行到终点时进行减速运动。这样以最快的速度走完规定的步数，而不会出现失步现象。考虑到DSP强大的运算速度，本文采用了软件延时法来实现脉冲频率控制。升降速程序流程如图4所示。
4实验结果
在直线步进电机(使用样机为海顿87000系列Size34)轴上安装光电编码器(型号为755A—05—1024一R—Oc)，利用到位脉冲信号的上升沿作为触发信号，用示波器探头测试光电编码器的输出脉冲波形。光电编码器输出波形的频率即代表电机的实际转速。电机加速、匀速和减速阶段的测试结果如图5所示。在加速阶段，随着计数值N的增加，频率将逐渐升高，电机速度也随之升高；减速阶段随着计数值N的增加，频率逐渐减小，电机速度也随之降低，从而有效地缓解了行程末端因惯性带来的机械冲击。
5结论
本文针对无活塞压缩微型制冷机用驱动结构设计出基于．DSP控制的直线步进电机驱动控制系统。通过实验验证得到如下结论：
(1)运用直线步进电机作为无活塞压缩微型制冷机的驱动系统，使整个系统得到了简化，降低了噪声，提高了系统工作的平稳性。
(2)试验结果表明起动阶段实现了速度的平稳增加，减速阶段未端冲击得到了有效抑制。
(3)发挥了TMS320LF2407A的高速性能，采用了基于c的软件延时法来实现脉冲频率控制，使软件开发的工作量大大减少。
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