專利名稱：用三端雙向可控硅開關(guān)元件和鎖相環(huán)控制的直線電動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是電動(dòng)機(jī)控制一般領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)明。特別是，本發(fā)明使用三端雙向可控硅開關(guān)元件和鎖相環(huán)來控制直線運(yùn)動(dòng)AC電動(dòng)機(jī)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)振幅，使用這種方法，電力線雜波的脈沖對往復(fù)運(yùn)動(dòng)的振幅或相位的影響很小。
背景技術(shù)：
三端雙向可控硅開關(guān)元件控制器(標(biāo)號2)提供一種低成本的控制直線運(yùn)動(dòng)AC電動(dòng)機(jī)(標(biāo)號1)往復(fù)運(yùn)動(dòng)振幅的方法，但先前的技術(shù)有一個(gè)缺點(diǎn)，即假如峰值脈沖電壓足夠高導(dǎo)致電力線電壓交叉零伏特直流電壓時(shí)，會(huì)對AC電力線上電力雜波的脈沖反應(yīng)。以前技術(shù)將偽零交叉當(dāng)作正常零交叉對待，且因?yàn)橐郧凹夹g(shù)三端雙向可控硅開關(guān)元件控制產(chǎn)生的三端雙向可控硅開關(guān)元件啟動(dòng)脈沖相對于電力線電壓零交叉來計(jì)時(shí)，線路雜波脈沖的結(jié)果可以是偽三端雙向可控硅開關(guān)元件啟動(dòng)脈沖的產(chǎn)生。假如直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)一個(gè)如STIRLING冷藏庫這樣的自由活塞機(jī)，錯(cuò)誤的計(jì)時(shí)三極管啟動(dòng)可導(dǎo)致機(jī)器損傷和/或振幅控制的損耗。
線路電壓的電子濾波可以削弱線路雜波，但通過濾波抑制的線路雜波脈沖出現(xiàn)在通常離零交叉非常近的地方，在這點(diǎn)不產(chǎn)生偽零交叉是不切實(shí)際的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明使用三端雙向可控硅開關(guān)元件和鎖相環(huán)來控制直線電動(dòng)機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的振幅，且充分與線路雜波脈沖干擾隔離。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的振幅控制，如以前技術(shù)，通過連接電動(dòng)機(jī)系列組成部分和三端雙向可控硅開關(guān)元件來跨接AC電源，并根據(jù)電源電壓改變?nèi)穗p向可控硅開關(guān)元件啟動(dòng)脈沖。本發(fā)明與先前技術(shù)不同的是啟動(dòng)脈沖是隨著壓控振蕩器(VCO)的輸出方波的變換產(chǎn)生的，此振蕩器是鎖相環(huán)(PLL)的一部分。VCO通過PLL在頻率上與AC電源同步，但實(shí)際上與電力線雜波脈沖隔離。在本發(fā)明中，VCO輸出相位和由此的三端雙向可控硅開關(guān)元件啟動(dòng)脈沖與線路電壓有關(guān)，隨控制電壓改變，此控制電壓是與“振幅設(shè)置點(diǎn)”電壓成比例的第一電壓和與往復(fù)運(yùn)動(dòng)振幅的標(biāo)準(zhǔn)值成比例的第二電壓的差值。標(biāo)準(zhǔn)振幅的減少導(dǎo)致啟動(dòng)脈沖最主要的相移，這構(gòu)成在一個(gè)由振幅設(shè)置點(diǎn)電壓確定的預(yù)設(shè)值處用于保持電動(dòng)機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)振幅負(fù)反饋。
在本發(fā)明的一個(gè)形式中，電壓與直線電動(dòng)機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的振幅成比例，通過基于直線電動(dòng)機(jī)等效電路的模擬或數(shù)字計(jì)算得到，因此避免了位置傳感器的花費(fèi)和復(fù)雜性。
用于本發(fā)明的鎖相環(huán)的基礎(chǔ)組成部分可以是單片集成電路元件(例如4046型，見參考4)。


圖1是本發(fā)明的方框圖。
圖2是本發(fā)明較佳實(shí)施例的電路圖。
圖3是直線電動(dòng)機(jī)電子模擬的電路圖。
圖4顯示改變電動(dòng)機(jī)電流和幾個(gè)控制中重要電壓的控制信號的影響。
圖5顯示本發(fā)明相位探測器的特征，并說明控制信號如何根據(jù)電力線電壓改變控制振蕩器電壓的相位。
具體實(shí)施例方式
參考圖1，一個(gè)帶端子M1和M2的直線電動(dòng)機(jī)(MOTOR)和帶主端子MT1和MT2的三端雙向可控硅開關(guān)元件以及一個(gè)門端子G串聯(lián)跨接端子為L1和L2的AC電源線。啟動(dòng)脈沖施加于G導(dǎo)致三端雙向可控硅開關(guān)元件實(shí)際上短路以致跨接電動(dòng)機(jī)。啟動(dòng)后，三端雙向可控硅開關(guān)元件保持短路直到電流(I)下降到零，于是三端雙向可控硅開關(guān)元件實(shí)際上變?yōu)殚_路，等待下一個(gè)啟動(dòng)脈沖。本發(fā)明中電動(dòng)機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)振幅的控制是通過根據(jù)V的零交叉控制啟動(dòng)脈沖產(chǎn)生的時(shí)間來實(shí)現(xiàn)的。假如根據(jù)V的周期，在V零交叉之前的啟動(dòng)脈沖時(shí)間是短的，則三端雙向可控硅開關(guān)元件保持短路僅僅是AC周期的一小部分，且電動(dòng)機(jī)振幅小。當(dāng)啟動(dòng)脈沖和下一個(gè)V的零交叉之間時(shí)間增加，即當(dāng)啟動(dòng)脈沖在相位上逐漸領(lǐng)先于V時(shí)，對于AC周期更大的一部分，三端雙向可控硅開關(guān)元件保持短路且電動(dòng)機(jī)振幅增加。
本發(fā)明中，在頻率上與線路電壓V同步的方波變換產(chǎn)生啟動(dòng)脈沖，且它相對于V的相位可以隨控制電壓VCTL改變。本發(fā)明通過使用鎖相環(huán)來產(chǎn)生從中得到啟動(dòng)脈沖的方波，從而實(shí)現(xiàn)隔離電力線上電子干擾脈沖的影響，如現(xiàn)將描述的。
參考圖1，電阻性電壓分壓器(R1，R2)跨接L1和L2連接。出現(xiàn)在連接R1和R2節(jié)點(diǎn)的電力線電壓的衰減模型首先輸入到相位比較器，相位比較器的第二輸入是壓控振蕩器(VCO)的輸出。VCO輸出(標(biāo)示為VCOout)是由VCO輸入(標(biāo)示為VCOin)確定其頻率的方波。相位比較器(PCout)的輸出由濾波器低通濾波并施加于不同的放大器(標(biāo)識為DIFF)，放大器從已濾波的PCout減去控制電壓VCTL，并根據(jù)等式把差值施加到VCOinVCOin＝(已濾波PCout-VCTL)，因此形成一個(gè)封閉的鎖相環(huán)路(PLL)。如先前技術(shù)所知，這樣一個(gè)PLL將同步二個(gè)到相位比較器的輸入，那就是，PLL使得VCOout與AC電力線有相同的頻率。因?yàn)閂COin和VCOout頻率之間有唯一的關(guān)系，所以不管VCTL，VCOin保持恒量，即已濾波(PCout)＝K1+VCTL-------------------------------等式1此處K1＝VCOin的恒量值。
發(fā)明中，相位比較器是異或(X-OR)型，已濾波(PCout)＝K2×(相對于AC線的VCOout相位滯后)-----等式2此處K2是恒量。結(jié)合等式1和2，相對于AC線的VCOout相位滯后＝(1/K2)×(K1+VCTL)------等式3等式3顯示VCTL可用于控制相對于AC線的VCOout相位滯后，如圖5所描述，顯示了X-OR相位比較器PCout的DC成分。為了使PLL穩(wěn)定，必須施行相位比較器的相位滯后部分特性，即在圖4左側(cè)，根據(jù)等式3，圖5中標(biāo)記為VCTL＝0的點(diǎn)的位置，由恒量K1和K2確定。接下來會(huì)描述此種方法，發(fā)明中為VCTL＝0設(shè)置K1和K2，相對于V的VCOout相位滯后是(180-Φ)電角度，此處Φ是小于15度的典型小角度。因此，假如VCTL＝0，通過啟動(dòng)脈沖發(fā)生器在VCOout變換產(chǎn)生啟動(dòng)脈沖將通過V周期的小部分領(lǐng)先于V的零交叉。而電動(dòng)機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的振幅將因此變低。再參考圖5和等式3，當(dāng)VCTL減少，VCOout逐漸增加領(lǐng)先于V。結(jié)果，通過V周期的更大的部分，啟動(dòng)脈沖領(lǐng)先于V的零交叉，且電動(dòng)機(jī)振幅將因此增加。圖4進(jìn)一步描述了VCTL的效果，顯示了V、VCOout、啟動(dòng)脈沖、PCout、已濾波PCout和VCTL兩個(gè)值的I。圖4頂部施加VCTL接近于零。減少VCTL使得圖4低部所有的波形領(lǐng)先于它們在圖4高部的副本。特別是，減少VCTL使得由于三端雙向可控硅開關(guān)元件啟動(dòng)時(shí)間的增加而使電流(I)增加。電流的圓形相位是電動(dòng)機(jī)電感的結(jié)果，其保持電動(dòng)機(jī)電流在V零交叉或其之后。
回到圖1，VCTL是差錯(cuò)放大器的輸出，其放大與電動(dòng)機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)振幅成比例的第一電壓AMEAS，和與所需振幅成比例的第二電壓ASET之間的差值。漸減的AMEAS減少VCTL，其組成保持AMEAS幾乎等于ASET負(fù)反饋。
圖2顯示了本發(fā)明的較佳實(shí)施例，其中X-OR相位比較器和VCO是一般類型號4046(參考4)的單片CMOS集成電路的單元。在此實(shí)施例中，K1由電阻器R3、R4、電容器C1和正DC提供電壓(+V)確定。K2僅由+V確定。R6和C2組成圖1的濾波器單元。
時(shí)間恒量R6×C2典型的大約是.05秒，其比較于60Hz電力線的周期是長的，所以當(dāng)PCout的交流成分被大大削弱時(shí)，PCout的DC成分出現(xiàn)在差值放大器U1(DIFF)的+端子。電阻器R7和R5確定DIFF的增益。電容器C3、C4、二極管D1、D2、D3、D4、電阻器R9、變換Q1和NAND門組成啟動(dòng)脈沖發(fā)生器。當(dāng)VCOout從地變換到+V時(shí)，C4、D1和D4基于Q1形成一個(gè)正脈沖。當(dāng)VCOout從+V變換到地時(shí)，NAND門、C3、D2和D3基于Q1形成一個(gè)正脈沖。Q1是一個(gè)發(fā)射極跟隨器，R8控制峰值啟動(dòng)脈沖電流。
可見使用K1、K2的典型值和濾波器時(shí)間恒量R6×C2，任何振幅的相關(guān)嚴(yán)重線路電壓脈沖足夠產(chǎn)生一個(gè)1毫秒持續(xù)時(shí)間的錯(cuò)誤零交叉，將通常產(chǎn)生僅2度的VCOout相位的相位干擾，且在時(shí)間恒量為大約25毫秒，這干擾將指數(shù)衰減。這樣的干擾沒有任何實(shí)際結(jié)果，因此實(shí)際上VCOout隔離于電力線雜波相位。
直線電動(dòng)機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)振幅，即AMEAS對振幅反饋來說是必須的，且能夠由位置變換器提供。然而，直線電動(dòng)機(jī)本身是一個(gè)精確周轉(zhuǎn)率變頻器(參考3)，且用于本發(fā)明的一種形式中，來避免單個(gè)變換器的花費(fèi)和復(fù)雜性。圖3顯示了通過基于電動(dòng)機(jī)等效電路的模擬計(jì)算得出AMEAS的模擬電路，α×v＝VM-Lx(dI/dt)-IR----------------------等式4
在等式4中，α＝單位為[伏特/(米/秒)]的恒量v＝直線電動(dòng)機(jī)中移動(dòng)磁體的周轉(zhuǎn)率(米/秒)L＝電動(dòng)機(jī)電感(亨利)VM＝電動(dòng)機(jī)電壓(伏特)I＝電動(dòng)機(jī)電流(安培)R＝電動(dòng)機(jī)電阻(歐姆)圖3中，與電流(I)成比例的電壓，由旁路(I)通過典型值為.2歐姆的低電阻RS而產(chǎn)生。與VM成比例的電壓出現(xiàn)在差值放大器U2的輸出。U3的倒相端子是實(shí)際的地面，下面電流的總和；RS×C3×(dI/dt)，通過C3電流RS/R13×I，通過R13電流[VM×(R11/R10)×(1/R12)]，通過R12電流三個(gè)電流的總和是定義K3＝(R11/R10)×(1/R12)K3×{-VM+[(RS×C3/K3)]×dI/dt+[(RS/(K3×R13))×I]}通過選擇，RS×C3/K3＝LRS/(K3×R13)＝R隨著來自等式4三個(gè)電流的總和是[-K3×α×v]，即三個(gè)電流的總和與電動(dòng)機(jī)周轉(zhuǎn)率(V)成比例。在圖3積分器中積分相加的電流，因此(v)積分是電動(dòng)機(jī)位移，接下來，直線電動(dòng)機(jī)移動(dòng)磁體的位移＝K4×U3輸出 ----------------等式5在等式5中，K4是等于(K3×α)/C6的恒量。R14是高電阻，為U3提供DC反饋路徑，且對等式5的有效性沒有任何實(shí)際影響。
AMEAS是通過全波整流器得自于U3充分的正弦曲線輸出，全波整流器包括逆變器(U4，R15)、整流二極管D1、D2和低通濾波器R16、C7。時(shí)間恒量R16×C7相對于V周期比較是長的。
盡管圖3示出了AMEAS的模擬計(jì)算，AMEAS的數(shù)字計(jì)算也是可能的，且在本
權(quán)利要求
1.一種電子控制器用于控制直線運(yùn)動(dòng)永磁電動(dòng)機(jī)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)振幅，電動(dòng)機(jī)有二個(gè)功能上的可交換電氣端子，在此標(biāo)明為M1和M2，電動(dòng)機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的振幅在此標(biāo)明為A，用于導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的電源是交流電壓，在此標(biāo)明為V，電源有二個(gè)電氣端子標(biāo)明為L1和L2，所述控制器包括以下部件，a)擁有控制門的三端雙向可控硅開關(guān)元件在此標(biāo)明為G，二個(gè)主要端子標(biāo)明為MT1和MT2，b)串聯(lián)電路中L2連接M1，M2連接MT2，MT1連接L1，c)壓控振蕩器，在此標(biāo)明為VCO，VCO擁有控制它頻率的輸入電壓，輸入在此標(biāo)明為VCOin，VCO擁有基本上為方波的輸出電壓，在此標(biāo)明為VCOout，VCOout擁有二個(gè)電壓電平中連續(xù)的一個(gè)，電壓電平在此標(biāo)明為“高”和“低”，d)啟動(dòng)脈沖發(fā)生器，其當(dāng)VCOout從高變換到低時(shí)或當(dāng)VCOout從低變換到高時(shí)，產(chǎn)生三端雙向可控硅開關(guān)元件啟動(dòng)脈沖，啟動(dòng)脈沖施加于G和MT1之間，e)相位比較器擁有二個(gè)輸入，一個(gè)是VCOout，另一個(gè)是與電源電壓V成比例的電壓，相位比較器擁有一個(gè)輸出在此標(biāo)明為PCout，f)低通濾波器，其輸入是PCout，輸出在此標(biāo)明為“已濾波PCout”，g)放大器，放大在此標(biāo)明為ASET的第一電壓和在此標(biāo)明為AMEAS的第二電壓之間的差值，第一電壓與上述振幅A所需值成比例，第二電壓與振幅A測量值成比例，放大器輸出在此標(biāo)明為VCTL，h)減法電路，其從已濾波PCout減去VCTL，差值施加于VCOin來達(dá)到控制關(guān)于V的VCOout相位的目的。
2.如權(quán)利要求1所述控制器，其特征在于，VCO和相位比較器是單片集成電路元件。
3.如權(quán)利要求1所述控制器，其特征在于，AMEAS是通過模擬或數(shù)字計(jì)算從下面等式獲得的；AMEAS(t)-K·∫0t(VM(t)-L·dIdt-I(t)·R)dt]]>此處K是恒量，VM(t)是電動(dòng)機(jī)兩端的電壓，L是電動(dòng)機(jī)電感，I(t)是電動(dòng)機(jī)電流，R是電動(dòng)機(jī)電阻，t表示時(shí)間。
全文摘要
三端雙向可控硅開關(guān)元件和鎖相環(huán)常用于控制AC直線電動(dòng)機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的振幅。鎖相環(huán)產(chǎn)生一個(gè)與AC電源同步但與電源電力雜波充分隔離的方波。方波的相位隨著振幅控制信號而改變，方波變換中產(chǎn)生三端雙向可控硅開關(guān)元件啟動(dòng)脈沖。
文檔編號H02P23/00GK1416213SQ0214827
公開日2003年5月7日 申請日期2002年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月31日
發(fā)明者羅伯特·W·萊德里克 申請人:羅伯特·W·萊德里克