一种供电控制系统及斯特林电的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种供电控制系统及斯特林电机，属于电机供电【技术领域】，系统包括：第一转换单元，连接外部的电源输入，用于根据输入的直流电整流形成相应的交流电并输出，以对所述斯特林电机进行供电；控制单元，连接所述第一转换单元，用于根据预先设定的正弦波形，控制所述第一转换单元输出具有所述正弦波形的交流电。上述技术方案的有益效果是：任意调整输出至斯特林供电系统的电源工作频率，提升斯特林电机的工作频率范围。整个供电控制系统集成于一PCB供电板中，便于携带；可以频繁写入数据至单片机，从而任意调整输出的电压和频率；无需手动调节电压，避免调节电压时出现意外；工作环境要求较低，不易受到外界环境因素的干扰。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电机供电【技术领域】，尤其涉及一种供电控制系统及斯特林电机。 一种供电控制系统及斯特林电机
【背景技术】
[0002] 现在，自由浮筒式斯特林电机，也称为第二代斯特林电机，摒弃了传统的外部连接 旋转电机，取而代之的是内置在同一个密封装置的电磁机构。这种电机由于为直线电机，没 有旋转机构，传统的变频器等调速节能装置无法应用。现有技术中，通常采用接触式调压器 驱动斯特林电机工作，但是接触式调压器具有较大的局限性：
[0003] 1)接触式调压器工作能量损耗大
[0004] 2)接触式调压器的工作频率只能在50Hz/60Hz之间，限制斯特林电机的正常工作 频率；
[0005] 3)现有的接触式调压器比较笨重，体积较大，不方便移动；
[0006] 4)长时间使用接触式调压器会使电刷磨损过多，从而导致缺损，更换电刷时由于 必须配备相同型号导致更换比较麻烦；
[0007] 5)接触式调压器需要手动调节到200+V的工作电压，较易在调压时出现意外，并 且调压操作较不易上手；
[0008] 6)接触式调压器不能工作在严重振动和颠簸的环境中。
【发明内容】
[0009] 根据现有技术中存在的问题，现提供一种供电控制系统及斯特林电机的技术方 案，具体包括：
[0010] -种供电控制系统，适用于斯特林电机中；其中，包括：
[0011] 第一转换单元，连接外部的电源输入，用于根据输入的直流电整流形成相应的交 流电并输出，以对所述斯特林电机进行供电；
[0012] 控制单元，连接所述第一转换单元，用于根据预先设定的正弦波形，控制所述第一 转换单元输出具有所述正弦波形的交流电。
[0013] 优选的，该供电控制系统，其中，所述第一转换单元为一 Η桥驱动电路；
[0014] 所述Η桥驱动电路进一步包括：
[0015] 四个开关模块，包括
[0016] 第一开关模块，输入端接入一直流电输入的正极；
[0017] 第二开关模块，输入端连接在所述第一开关模块的输出端，所述第二开关模块的 输入端连接所述直流电输入的负极，所述第一开关模块的输出端和所述第二开关模块的输 入端之间设有一第一接入点；
[0018] 第三开关模块，输入端连接所述直流电输入的正极，输出端通过一第二接入点连 接所述第一接入点；
[0019] 第四开关模块，输入端连接所述第二接入点，输出端连接所述直流电输入的负 极；
[0020] 负载电阻，连接在所述第一接入点和所述第二接入点之间；
[0021] 所述第二接入点作为所述第一转换单元的输出端；
[0022] 所述直流电输入连接所述电源输入；
[0023] 所述控制单元根据预设的所述正弦波形控制四个所述开关模块通断的频率，从而 控制从所述第二接入点输出具有所述正弦波形的交流电。
[0024] 优选的，该供电控制系统，其中，
[0025] 所述开关模块进一步包括：
[0026] 二极管，输出端连接所述开关模块的所述输入端，所述二极管的输入端连接所述 开关模块的所述输出端；
[0027] 控制管，控制端接入所述控制单元，所述控制管的输入端连接所述二极管的输出 端，所述控制管的输出端连接所述二极管的输入端；
[0028] 所述控制单元通过控制所述控制管的通断来控制相应的所述二极管开闭，从而控 制相应的所述开关模块。
[0029] 优选的，该供电控制系统，其中，所述第一转换单元中还包括：
[0030] 滤波模块，连接在所述负载电阻和所述第二接入点之间，用于对流经所述负载电 阻的电流进行滤波，并通过所述第一转换单元的输出端输出经过滤波的交流电。
[0031] 优选的，该供电控制系统，其中，还包括：
[0032] 第二转换单元，连接在所述第一转换单元与所述电源输入之间，当所述电源输入 为交流电输入时将交流电转换为直流电并输入至所述第一转换单元中。
[0033] 优选的，该供电控制系统，其中，所述控制单元中包括：
[0034] 设置模块，供使用者预设所述正弦波形；
[0035] 指令生成模块，连接所述设置模块，用于根据所述正弦波形设置相应的控制时间 点，并在每个所述控制时间点上生成相应的控制指令；
[0036] 控制模块，连接所述指令生成模块，用于根据每个所述控制时间点上生成的所述 控制指令控制所述第一转换单元开关的频率，从而控制所述第一转换单元输出具有对应的 所述正弦波形的交流电。
[0037] 优选的，该供电控制系统，其中，所述控制单元采用SPWM调制方式控制所述第一 转换单元输出具有对应的所述正弦波形的交流电。
[0038] 优选的，该供电控制系统，其中，所述控制单元采用双极性SPWM调制方式控制所 述第一转换单元输出具有对应的所述正弦波形的交流电。
[0039] 优选的，该供电控制系统，其特征在于，所述控制单元形成于一单片机中。
[0040] 优选的，该供电控制系统，其特征在于，集成于一 PCB供电板中。
[0041] 上述技术方案的有益效果是：
[0042] 1)通过事先模拟正弦波形进行控制的SPWM控制方式，任意调整输出至斯特林供 电系统的电源工作频率，提升斯特林电机的工作频率范围。
[0043] 2)整个供电控制系统集成于一 PCB供电板中，便于携带；
[0044] 3)通过单片机控制输出的电压和频率，可以频繁写入数据至单片机，从而任意调 整输出的电压和频率；
[0045] 4)对于本发明之供电控制系统的操作比较简单，无需手动调节电压，避免调节电 压时出现意外；
[0046] 5)本发明之供电控制系统集成于PCB供电板中，工作环境要求较低，不易受到外 界环境因素的干扰。
【专利附图】
【附图说明】
[0047] 图1是本发明的较佳的实施例中，一种供电控制系统的结构示意图；
[0048] 图2是本发明的较佳的实施例中，Η桥驱动电路的电路示意图。
【具体实施方式】
[0049] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其 他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0050] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相 互组合。
[0051] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
[0052] 现有的自由浮筒式斯特林电机，普遍应用于致冷机或者热泵中。所谓自由浮筒式 斯特林电机，在其下部有一组平面弹簧，斯特林电机中的活塞以一定频率做往复运动，以带 动弹簧运动，从而带动整个致冷机或者热泵进行工作。
[0053] 现有技术中，通常采用接触式调压器驱动斯特林电机往复运动。由于不同的平面 弹簧具有各自固有的弹簧频率，而采用接触式调压器进行调压时，会使得斯特林电机的频 率比较单一，从而产生斯特林电机的工作频率与相应平面弹簧的固有频率不匹配的情况， 容易造成弹簧的疲劳化，影响斯特林电机的正常工作。
[0054] 而且，接触式调压器的调压结果不够精确，调压范围也较小，操作步骤较为复杂， 这些问题都会使得斯特林电机的工作电压和工作频率出现偏差，影响斯特林电机的正常工 作。
[0055] 为了解决上述问题，本发明的较佳的实施例中，提供一种应用于斯特林电机的供 电控制系统Α，具体如图1所示，包括：
[0056] 第一转换单元1，连接外部的一电源输入2，用于将外部输入的直流电转换成具有 一定输出频率的交流电，进一步地，将该具有一定输出频率的交流电送入斯特林电机的供 电系统Β中作为斯特林电机的工作电流，以控制斯特林电机往复运动的工作频率。
[0057] 控制单元3,连接上述第一转换单元1，供使用者事先预设相应的正弦曲线，控制 单元3根据设定好的正弦曲线控制第一转换单元1输出具有对应正弦曲线的交流电。
[0058] 进一步地，本发明的较佳的实施例中，在上述第一转换单元1和外部的电源输入2 之间还包括：
[0059] 第二转换单元4。本发明的较佳的实施例中，第二转换单元4用于将外部的交流电 输入转换成相应的直流电输入并送至上述第一转换单元1中。
[0060] 进一步地，本发明的较佳的实施例中：
[0061] 当外部的电源输入2输入的为直流电时，无需转换直接送至第一转换单元1内；
[0062] 当外部的电源输入2输入的为交流电时，通过第二转换单元4转换成相应的直流 电并送至第一转换单元1中。
[0063] 本发明的较佳的实施例中，上述第二转换单元1中包括一交流转直流电路。
[0064] 本发明的较佳的实施例中，交流转直流电路的实现方式可以有多种，本发明的技 术方案所关注的为第二转换单元4能够将交流电转换为直流电的功能，并非关注其内部具 体的电路结构，因此并不限定交流转直流电路的电路实现方式。
[0065] 本发明的较佳的实施例中，如图2所示，上述第一转换单元1中包括一 Η桥驱动电 路。该Η桥驱动电路进一步包括：
[0066]四个开关模块。本发明的较佳的实施例中，如图2所示，每个开关模块中包括： [0067] 二极管（D1-D4)。本发明的较佳的实施例中，每个二极管的输出端（负极）与开关 模块的输入端连接，每个二极管的输入端（正极）与开关模块的输出端连接；
[0068] 本发明的较佳的实施例中，二极管在电路中起到单向导通的作用。
[0069] 控制管（S1-S4)。本发明的较佳的实施例中，每个控制管均连接至上述控制单元 3 〇
[0070] 进一步地，本发明的较佳的实施例中，每个控制管的控制端（基极Β)连接上述控 制单元3,每个控制管的输入端（发射极C)连接对应的开关模块的输入端，每个控制管的输 出端（集电极Ε)连接对应的开关模块的输出端。
[0071] 本发明的较佳的实施例中，上述控制管为三极管，起到控制电流导通的作用。
[0072] 本发明的较佳的实施例中，仍然如图2所示，在位于上半桥的一个第一开关模块 与位于下半桥的对应的一个第三开关模块之间设有一第一接入点Α，并在位于上半桥的一 个第二开关模块和位于下半桥的对应的一个第四开关模块之间设有一第二接入点Β ;则在 第一接入点Α和第二接入点Β之间串联有一负载电阻R。本发明的较佳的实施例中，在第二 接入点B上设置整个第一转换单元1 (即Η桥驱动电路）的输出端。
[0073] 本发明的较佳的实施例中，在上述负载电阻R和第二接入点Β之间串联有一滤波 模块。进一步地，本发明的较佳的实施例中，滤波模块为一滤波电感L，用于对通过负载电阻 R的电流进行滤波，并将经过滤波的交流电通过第二接入点Β输出。
[0074] 综上所述，本发明的较佳的实施例中，控制单元在一个控制时间点通过控制指令 控制上述控制管S1和S4打开，同时控制上述控制管S2和S3关闭；此时电流从直流电输入 Vdc的正极流出，经由第一开关模块、负载电阻R1和第四开关模块流入Vdc的负极，以形成 一第一回路。此时负载电阻R1两端的电压V0等于Vdc的正电压Vd。
[0075] 而在下一个控制时间点，控制单元通过控制指令控制上述控制管S1和S4关闭，同 时控制上述控制管S2和S3打开；此时电流从Vdc的正极流出，经由第二开关模块、负载电 阻R1和第三开关模块流入Vdc的负极，以形成一第二回路，此时负载电阻R1两端的电压V0 等于Vdc的负电压_Vd。
[0076] 控制单元以一预定的频率fs交替切换开关模块S1、S4和S2、S3,从而在负载电阻 R1上获得一具有交变方波波形的交流电电压，该电压的交变周期Ts = Ι/fs。这样，就能将 原先输入的直流电转换成交流电。
[0077] 进一步地，本发明的较佳的实施例中，由于在负载电阻R1上获得的交流电具有各 次谐波，因此采用滤波电感L对该交流电进行滤波，以得到一可以输出的正弦波电压。
[0078] 本发明的较佳的实施例中，在直流电输入Vdc上并联一电容C1，起到隔直通交的 作用。
[0079] 本发明的较佳的实施例中，如图1所示，上述控制单元3实际采用PWM调制方式控 制第一转换单元1的通断。所谓PWM(Pulse Width Modulation,脉冲宽度调制）调制方式 根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或M0S管栅极的偏置，来实现晶体管或M0S管导通 时间的改变，从而实现开关稳压电源输出的改变。这种方式能使电源的输出电压在工作条 件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技 术。
[0080] 因此，上述控制单元3中进一步包括：
[0081] 设置模块31，本发明的较佳的实施例中，设置模块31供使用者事先预设相应的正 弦波形。进一步地，本发明的较佳的实施例中，使用者根据供电针对的斯特林电机的工作频 率和工作电压，模拟设定相应的正弦波形。
[0082] 本发明的较佳的实施例中，上述设置正弦波形的过程可以通过内置程序自动生 成，使用者只需要输入工作频率和/或工作电压即可。
[0083] 指令生成模块32,连接上述设置模块31。本发明的较佳的实施例中，指令生成模 块32根据上述事先设定的正弦波形，设定相应的多个控制时间点，并在每个控制时间点上 生成相应的控制指令。进一步地，本发明的较佳的实施例中，可以在正弦波形的波峰以及 波谷的位置设置相应的控制时间点，并在例如对应波峰的控制时间点上设置开启S1和S4 以及关闭S2和S3的控制指令，并在对应波谷的控制时间点上设置开启S2和S3以及关闭 S1和S4的控制指令。则正弦波形中一个波峰与下一个波谷之间的时间间隔即为控制单元 3控制第一转换单元1的时间间隔，其倒数也即输入至斯特林电机的交流电频率，因此可以 以此确定斯特林电机的工作频率。
[0084] 控制模块33，连接上述指令生成模块32，用于根据指令生成磨块42在每个控制时 间点上生成的相应的控制指令，控制第一转换单元1中相应开关模块的开闭，从而控制第 一转换单元1将输入的直流电转换成具有相应正弦波形的交流电。
[0085] 本发明的较佳的实施例中，上述控制单元3采用的是SPWM(Sinusoidal PWM，正弦 脉宽调制）调制方式，是在PWM的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦 规律排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。
[0086] 进一步地，本发明的较佳的实施例中，上述控制单元3采用以软件形成SPWM调制 方式的软件生成法对第一转换单元1进行控制，即采用软件来实现SPWM调制的方法。
[0087] 进一步地，本发明的较佳的实施例中，上述控制单元3采用双极性的SPWM调制方 式对第一转换单元1进行控制。
[0088] 本发明的较佳的实施例中，上述控制单元3形成于一单片机中。因此，本发明的目 的在于通过单片机中预设的程序，以相应斯特林电机的型号和工作频率等参数设定相应的 正弦波形，并根据相应的正弦波形以软件生成法的SPWM调制方式控制Η桥驱动电路实现将 直流电转换成具有相应正弦波形的交流电并输出至斯特林电机中，以作为斯特林电机正常 工作的供电。上述技术方案能够使得对斯特林电机的供电可控，并可按照实际情况输出最 适宜斯特林电机工作的交流电。采用软件生成法的SPWM调制方式进行控制，其操作比较简 便，无需手动调压，从而避免相应事故的发生。
[0089] 本发明的较佳的实施例中，上述供电控制系统包括在一块PCB供电板中。这样的 设置使得该供电控制系统包括在PCB供电板中并可以方便携带，利于供电控制系统应用于 不同的斯特林电机中。同时由于供电控制系统由其中的单片机以预设程序进行控制，因此 只需要对其中的预设程序进行重新编程，即可以应用于不同型号的斯特林电机中。
[0090] 本发明的较佳的实施例中，还提供一种斯特林电机，其中包括上述供电控制系统。
[0091] 以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范 围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的 等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
【权利要求】
1. 一种供电控制系统，适用于斯特林电机中；其特征在于，包括： 第一转换单元，连接外部的电源输入，用于根据输入的直流电整流形成相应的交流电 并输出，以对所述斯特林电机进行供电； 控制单元，连接所述第一转换单元，用于根据预先设定的正弦波形，控制所述第一转换 单元输出具有所述正弦波形的交流电。
2. 如权利要求1所述的供电控制系统，其特征在于，所述第一转换单元为一Η桥驱动电 路； 所述Η桥驱动电路进一步包括： 四个开关模块，包括 第一开关模块，输入端接入一直流电输入的正极； 第二开关模块，输入端连接在所述第一开关模块的输出端，所述第二开关模块的输入 端连接所述直流电输入的负极，所述第一开关模块的输出端和所述第二开关模块的输入端 之间设有一第一接入点； 第三开关模块，输入端连接所述直流电输入的正极，输出端通过一第二接入点连接所 述第一接入点； 第四开关模块，输入端连接所述第二接入点，输出端连接所述直流电输入的负极； 负载电阻，连接在所述第一接入点和所述第二接入点之间； 所述第二接入点作为所述第一转换单元的输出端； 所述直流电输入连接所述电源输入； 所述控制单元根据预设的所述正弦波形控制四个所述开关模块通断的频率，从而控制 从所述第二接入点输出具有所述正弦波形的交流电。
3. 如权利要求2所述的供电控制系统，其特征在于， 所述开关模块进一步包括： 二极管，输出端连接所述开关模块的所述输入端，所述二极管的输入端连接所述开关 模块的所述输出端； 控制管，控制端接入所述控制单元，所述控制管的输入端连接所述二极管的输出端，所 述控制管的输出端连接所述二极管的输入端； 所述控制单元通过控制所述控制管的通断来控制相应的所述二极管开闭，从而控制相 应的所述开关模块。
4. 如权利要求2所述的供电控制系统，其特征在于，所述第一转换单元中还包括： 滤波模块，连接在所述负载电阻和所述第二接入点之间，用于对流经所述负载电阻的 电流进行滤波，并通过所述第一转换单元的输出端输出经过滤波的交流电。
5. 如权利要求1所述的供电控制系统，其特征在于，还包括： 第二转换单元，连接在所述第一转换单元与所述电源输入之间，当所述电源输入为交 流电输入时将交流电转换为直流电并输入至所述第一转换单元中。
6. 如权利要求1所述的供电控制系统，其特征在于，所述控制单元中包括： 设置模块，供使用者预设所述正弦波形； 指令生成模块，连接所述设置模块，用于根据所述正弦波形设置相应的控制时间点，并 在每个所述控制时间点上生成相应的控制指令； 控制模块，连接所述指令生成模块，用于根据每个所述控制时间点上生成的所述控制 指令控制所述第一转换单元开关的频率，从而控制所述第一转换单元输出具有对应的所述 正弦波形的交流电。
7. 如权利要求6所述的供电控制系统，其特征在于，所述控制单元采用SPWM调制方式 控制所述第一转换单元输出具有对应的所述正弦波形的交流电。
8. 如权利要求7所述的供电控制系统，其特征在于，所述控制单元采用双极性SPWM调 制方式控制所述第一转换单元输出具有对应的所述正弦波形的交流电。
9. 如权利要求1所述的供电控制系统，其特征在于，所述控制单元形成于一单片机中。
10. 如权利要求1-9所述的供电控制系统，其特征在于，集成于一 PCB供电板中。
【文档编号】H02P27/08GK104124911SQ201410361210
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月25日 优先权日:2014年7月25日
【发明者】丁律丰, 程路 申请人:宁波华斯特林电机制造有限公司