一种基于自由活塞式斯特林直线电机的双向控制电路及控制方法技术

本发明专利技术属于自由活塞式斯特林直线电机发电系统技术领域，具体公开一种基于自由活塞式斯特林直线电机的双向控制电路及控制方法，该电路包括微处理器、整流逆变器、储能装置、制动电路、双向DC‑DC变换器、单向直线电机、自由活塞式斯特林发电机系统、泄放电路、电源管理、电流传感器、压力波传感器，该方法包括电动状态和发电状态。该控制电路及控制方法不仅可以提直线电机单相控制系统的启动概率还可以减少系统的启动所需时间，同时减少系统启动过程中振动过大的现象。

【技术实现步骤摘要】
一种基于自由活塞式斯特林直线电机的双向控制电路及控制方法
本专利技术属于自由活塞式斯特林直线电机发电系统
，具体涉及一种基于自由活塞式斯特林直线电机的双向控制电路及控制方法。
技术介绍
传统的空间应用能源利用率很低，只有4％。现采用同位素热源为自由活塞式斯特林直线电机发电系统供热，其转换效率可达到20％，要高于大多数的热电转换系统的效率。小功率自由活塞式斯特林直线电机单相控制系统的相关研究，促使可以在无动力电源条件下实现系统的自启动和将太阳能、核能等能量稳定高质量的转换为电能，为未来空间应用奠定基础。由于工艺等个各方面的限制，自由活塞式斯特林发电系统还面临许多问题，如适合实现电机轻小型密封性良好长时间在轨运行，电机不能完美的自启动等现象。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供种基于自由活塞式斯特林直线电机的双向控制电路及控制方法，该电路及方法不仅能够提高直线电机单相控制系统的启动，概率还可以减少系统的启动所需时间，减少系统启动过程中振动过大的现象。实现本专利技术目的的技术方案：一种基于斯特林直线电机的双向控制电路，该电路包括微处理器、整流逆变器、储能装置、制动电路、双向DC-DC变换器、单向直线电机、自由活塞式斯特林发电机系统、泄放电路、电源管理、电流传感器、压力波传感器，微处理器的输出端分别与整流逆变器、储能装置、双向DC-DC变换器的输入端连接；整流逆变器的输出端分别与储能装置、双向DC-DC变换器、单向直线电机的输入端；储能装置的输出端与制动电路的输入端连接，制动电路的输出端与泄放电路的输入端连接；双向DC-DC变换器的输出端与制动电路的输入端连接；电源管理的输出端与双向DC-DC变换器的输入端连接；单向直线电机的输出端与自由活塞式斯特林发电机系统、电路传感器、压力传感器波、整流逆变器的输入端连接，电路传感器、压力传感器波的输出端与微处理器1输入端连接。所述的微处理器为DSP，整流逆变器由第一三极管D1、第二三级管D3、第三三极管D5、第四三极管D7、第一二极管D2、第二二极管D4、第三二极管D6、第四二极管D8组成，第一三极管D1的栅极与DSP的输出端连接，第一三极管D1的集电极与第一二极管D2的阴极连接，第一三极管D1的发射极与第一二极管D2的阳极连接；第三极管D5的栅极与DSP的输出端连接，第三三极管D5的集电极与第三二极管D6的阴极连接，第三三极管D5的发射极与第三二极管D6的阳极连接；第二三极管D3的栅极与DSP的输出端连接，第二三极管D3的集电极与第二二极管D4的阴极连接，第二三极管D3的发射极与第二二极管D4的阳极连接；第四三极管D7的栅极与DSP的输出端连接，第四三极管D7的集电极与第四二极管D8的阴极连接，第四三极管D7的发射极与第四二极管D8的阳极连接；第一三极管D1、第二三级管D3、第三三极管D5、第四三极管D7的基极均与DSP连接。所述的储能装置为第一电容C1，第一三极管D1、第二三级管D3的栅极、第一二极管D2、第二二极管D4的阴极均与第一电容C1的一端连接，第一电容C1的另一端与第三三极管D5、第四三级管D7的栅极、第三二极管D6、第四二极管D8的阴极连接。所述的制动电路为运放U，第一电容C1的一端与运放U的输入端连接；泄放电路由第五三极管D13、电阻R组成，运放U的输出端与第五三极管D13基极连接，第五三极管D13的发射极与第一电容C1的另一端连接；第五三极管D13的集电极与电阻R的一端连接，电阻R的另一端与运放U的输入端、第一电容C1的一端连接。所述的双向DC-DC变换器由第六三极管D9、第五二极管D10、第七三极管D11、第六二极管D12、电感L、第二电容C2组成，第六三极管D9、第七三极管D11的基极与DSP连接，第六三极管D9的集电极与第五二极管D10的阴极连接后与电阻R连接，第六三极管D9的发射极与第五二极管D10的阳极连接后与第五三极管D13的发射极连接，第六三极管D9的发射极、第七三极管D11的集电极与电感L的一端连接，电感L的另一端与第二电容C2的一端连接，第二电容C2的另一端与第七三极管D11的发射极、第六二极管D12的阳极连接。所述的源管理电路由电池V和负载Z并联组成，电池V的正极与电感L、第二电容C2的连接点连接，电池V的负极与第二电容C2的另一端连接。所述的第一三极管D1的发射极、第一二极管D2的阳极与单向直线电机的输入端、电流传感器的输入端连接，电流传感器的输出端与DSP连接。单向直线电机的输出端与压力波传感器的输入端、自由活塞式斯特林发电机系统的输入端连接，压力波传感器的输出端与DSP连接，自由活塞式斯特林发电机系统的输出端与第四三极管D7的集电极、第四二极管D8的阴极连接。一种基于斯特林直线电机的双向控制电路的方法，该方法包括以下步骤：(1)电动状态(1.1)电源管理电路为各部分提供所需的电能；(1.2)微处理器DSP向双向DC-DC变换器发送PWM波，此时双向DC-DC变换器将电源管理电路提供的低压侧电压升高为高压侧直流母线A供电；(1.3)同时微处理器DSP为整流逆变器发送多路PWM波，此时整流逆变器作为逆变器产生振荡电流为单相直线电机供电，使单向直线电机运动；(1.4)单向直线电机带动自由活塞式斯特林发动机产生谐振，完成启动状态；整个上述步骤(1)的过程中微处理器DSP接收双向DC-DC变换器所反馈的输入端与输出点电压信号、电流传感器和压力波传感器反馈的信号；(2)发电状态(2.1)自由活塞式斯特林发动机作为发电机带动单向直线电机运动，将机械能转换为电能；(2.2)产生的电流经过整流逆变器，此时的整流逆变器是作为整流器使用，使得单向直线电机产生的交流电流转换为直流；(2.3)整流逆变器产生的直流电压作为高压侧母线A的电压经过储能装置、双向DC-DC变换器，由微处理器DSP发出的PWM波控制将高压侧直流母线A电压降压到预期的范围，给电源管理电路充电；(2.4)当整流逆变器产生的未超出阈值时，通过储能装置进行能量存储；(2.5)当高压侧母线A电压超出阈值时，通过制动电路进行电压泄放；(2.6)遇到外部紧急停机、过流时，通过微处理器DSP强制制动电路动作，并自动锁定该电路。本专利技术的有益技术效果：本专利技术的电路采用压力波传感器代替原有位置传感器测量压力的波动，经过数据拟合，获得活塞的位置转换成相应的电压力信号，并且这种压力传感器是安装在系统原有的充气阀门之上，既不破坏系统的密封性，又不增加系统密闭空间，又能实时测量出系统的运行情况。本专利技术的电路采用多个电容串并联结构，并为保证系统安全运行，当母线电压高出允许范围威胁系统安全运行时，会触动自动电路泄放电压。本专利技术的储能电容就采用用多个储能电容进行串、并连设计，既满足长时间在轨、无人维护的工作环境的需要，又增加系统的可靠性。本专利技术的方法考虑在系统的自启动阶段，在原有控制回路中添加系统的实时频率控制，即通过检测系统现有频率及系统启动状态，如电压、电流值来改变系统给定的频率，迫使系统达到其谐振点，这样不仅可以提高系统的启动概率还可以减少系统的启动所需时间，同时减少系统启动过程中振动过大的现象。本专利技术的方法采用实时侧量压力波动的压力波传感器+基于反电势测量，通过数据拟合的一种方式，既满足了系统对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于斯特林直线电机的双向控制电路，其特征在于：该电路包括微处理器(1)、整流逆变器(2)、储能装置(3)、制动电路(4)、双向DC‑DC变换器(5)、单向直线电机(6)、自由活塞式斯特林发电机系统(7)、泄放电路(8)、电源管理(9)、电流传感器(10)、压力波传感器(11)，微处理器(1)的输出端分别与整流逆变器(2)、储能装置(3)、双向DC‑DC变换器(5)的输入端连接；整流逆变器(2)的输出端分别与储能装置(3)、双向DC‑DC变换器(5)、单向直线电机(6)的输入端；储能装置(3)的输出端与制动电路(4)的输入端连接，制动电路(4)的输出端与泄放电路(8)的输入端连接；双向DC‑DC变换器(5)的输出端与制动电路(4)的输入端连接；电源管理(9)的输出端与双向DC‑DC变换器(5)的输入端连接；单向直线电机(6)的输出端与自由活塞式斯特林发电机系统(7)、电路传感器(10)、压力传感器波(11)、整流逆变器(2)的输入端连接，电路传感器(10)、压力传感器波(11)的输出端与微处理器1输入端连接。

【技术特征摘要】
1.一种基于斯特林直线电机的双向控制电路，其特征在于：该电路包括微处理器(1)、整流逆变器(2)、储能装置(3)、制动电路(4)、双向DC-DC变换器(5)、单向直线电机(6)、自由活塞式斯特林发电机系统(7)、泄放电路(8)、电源管理(9)、电流传感器(10)、压力波传感器(11)，微处理器(1)的输出端分别与整流逆变器(2)、储能装置(3)、双向DC-DC变换器(5)的输入端连接；整流逆变器(2)的输出端分别与储能装置(3)、双向DC-DC变换器(5)、单向直线电机(6)的输入端；储能装置(3)的输出端与制动电路(4)的输入端连接，制动电路(4)的输出端与泄放电路(8)的输入端连接；双向DC-DC变换器(5)的输出端与制动电路(4)的输入端连接；电源管理(9)的输出端与双向DC-DC变换器(5)的输入端连接；单向直线电机(6)的输出端与自由活塞式斯特林发电机系统(7)、电路传感器(10)、压力传感器波(11)、整流逆变器(2)的输入端连接，电路传感器(10)、压力传感器波(11)的输出端与微处理器1输入端连接。2.根据权利要求1所述的一种基于斯特林直线电机的双向控制电路，其特征在于：所述的微处理器(1)为DSP，整流逆变器(2)由第一三极管D1、第二三级管D3、第三三极管D5、第四三极管D7、第一二极管D2、第二二极管D4、第三二极管D6、第四二极管D8组成，第一三极管D1的栅极与DSP的输出端连接，第一三极管D1的集电极与第一二极管D2的阴极连接，第一三极管D1的发射极与第一二极管D2的阳极连接；第三极管D5的栅极与DSP的输出端连接，第三三极管D5的集电极与第三二极管D6的阴极连接，第三三极管D5的发射极与第三二极管D6的阳极连接；第二三极管D3的栅极与DSP的输出端连接，第二三极管D3的集电极与第二二极管D4的阴极连接，第二三极管D3的发射极与第二二极管D4的阳极连接；第四三极管D7的栅极与DSP的输出端连接，第四三极管D7的集电极与第四二极管D8的阴极连接，第四三极管D7的发射极与第四二极管D8的阳极连接；第一三极管D1、第二三级管D3、第三三极管D5、第四三极管D7的基极均与DSP连接。3.根据权利要求2所述的一种基于斯特林直线电机的双向控制电路，其特征在于：所述的储能装置(3)为第一电容C1，第一三极管D1、第二三级管D3的栅极、第一二极管D2、第二二极管D4的阴极均与第一电容C1的一端连接，第一电容C1的另一端与第三三极管D5、第四三级管D7的栅极、第三二极管D6、第四二极管D8的阴极连接。4.根据权利要求3所述的一种基于斯特林直线电机的双向控制电路，其特征在于：所述的制动电路(4)为运放U，第一电容C1的一端与运放U的输入端连接；泄放电路(8)由第五三极管D13、电阻R组成，运放U的输出端与第五三极管D13基极连接，第五三极管D13的发射极与第一电容C1的另一端连接；第五三极管D13的集电极与电阻R的一端连接，电阻R的另一端与运放U的输入端、第一电容C1的一端连接。5.根据权利要求4所述的一种基于斯特林直线电机的双向控制电路，其特征在于：所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄玉平，李春宇，郑再平，王移川，杨斌，
申请(专利权)人：北京精密机电控制设备研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11