一种斯特林电机的软启动控制系统及斯特林制冷机

摘要

本发明涉及一种斯特林电机的软启动控制系统及斯特林制冷机，该软启动控制系统包括：用于产生设定序列的SPWM波的脉冲发生器；用于驱动斯特林电机工作的H桥控制单元，该H桥控制单元包括驱动电机的活塞上行的第一通路和驱动电机的活塞下行的第二通路，所述第一通路和第二通路均与脉冲发生器电连接;脉冲发生器分别输出施加于第一通路的第一SPWM波和施加于第二通路的第二SPWM波，在相同脉冲周期内，第一通路和第二通路交替导通或关断。该控制系统应用在斯特林制冷机的控制，具有本发明的斯特林电机及斯特林制冷机可以显著降低启动时的振动冲击，实现了软启动。

权利要求

1.一种斯特林电机的软启动控制系统，用于控制斯特林电机平稳启动，其特征在于，包括：

用于产生设定序列的SPWM波的脉冲发生器；

用于驱动斯特林电机的活塞产生直线振荡的H桥控制单元，该H桥控制单元包括为定子绕组施加正向电压的第一通路和为定子绕组施加反向电压的第二通路，所述第一通路、第二通路分别与脉冲发生器电连接;在电机启动阶段，所述脉冲发生器分别输出第一SPWM波和第二SPWM波，所述第一SPWM波控制第一通路导通和关断，第二SPWM波控制第二通路导通和关断，且第一SPWM波和第二SPWM波的相位相反，在相同脉冲周期内，所述第一通路导通时第二通路关断，所述第二通路导通时第一通路关断；并且，所述第一SPWM波的占空比大于第二SPWM波的占空比时驱动所述活塞上行，所述第二SPWM波的占空比大于第一SPWM波的占空比时驱动所述活塞下行，且在任一相同脉冲周期，所述第一SPWM波和第二SPWM波的占空比之和均为100%，使得该斯特林电机的定子绕组上流动的电流成大致正弦波形，以驱动斯特林电机的活塞平稳运动；

在所述电流的正弦波正半周的上升阶段，所述第一SPWM波的占空比逐渐变大，第二SPWM波的占空比逐渐变小，以逐渐增大电机活塞的上行速度；在该电流的正弦波正半周的下降阶段，所述第一SPWM波的占空比逐渐变小，第二SPWM波的占空比逐渐变大，以逐渐减小电机活塞的上行速度；

在所述电流的正弦波负半周的下降阶段，所述第一SPWM波的占空比逐渐变小，第二SPWM波的占空比逐渐变大，以逐渐增大电机活塞的下行速度；在该电流的正弦波负半周的上升阶段，所述第一SPWM波的占空比逐渐变大，第二SPWM波的占空比逐渐变小，以逐渐减小电机活塞的下行速度。

2.根据权利要求1所述的斯特林电机的软启动控制系统，其特征在于，所述活塞上行的起始位置所对应的第一SPWM波和第二SPWM波的占空比均为50%；所述活塞下行的起始位置所对应第一SPWM波和第二SPWM波的占空比均为50%。

3.根据权利要求1所述的斯特林电机的软启动控制系统，其特征在于，在电机活塞的上行速度达到最大时所对应的第一SPWM波的占空比为预设值DRmax，第二SPWM波的占空比为预设值DRmin，DRmax+DRmin=100%，其中DRmax不小于70%，DRmin不大于30%。

4.根据权利要求1所述的斯特林电机的软启动控制系统，其特征在于，在电机活塞的下行速度达到最大时所对应的第二SPWM波的占空比为预设值DRmax，第一SPWM波的占空比为预设值DRmin，DRmax+DRmin=100%，其中DRmax不小于70%，DRmin不大于30%。

5.根据权利要求1或2所述的斯特林电机的软启动控制系统，其特征在于，在电机活塞的上行阶段，所述第一SPWM波的占空比大于50%，第二SPWM波的占空比小于50%；在电机活塞的下行阶段，所述第一SPWM波的占空比小于50%，第二SPWM波的占空比大于50%。

6.根据权利要求1所述的斯特林电机的软启动控制系统，其特征在于，所述第一SPWM波、第二SPWM波在正弦波电流的正半周和负半周分别具有N个脉冲周期，N≥60。

7.根据权利要求1所述的斯特林电机的软启动控制系统，其特征在于，所述H桥控制单元包括位于高端的左上臂NMOS管(Q1)与右上臂NMOS管(Q3)，以及位于低端的左下臂NMOS管(Q2)与右下臂NMOS管(Q4)，左上臂NMOS管(Q1)与右下臂NMOS管(Q4)构成第一通路，右上臂NMOS管(Q3)与左下臂NMOS管(Q2)构成第二通路。

8.根据权利要求1所述的斯特林电机的软启动控制系统，其特征在于，所述脉冲发生器为存储有预设脉冲发生程序的MCU。

9.根据权利要求8所述的斯特林电机的软启动控制系统，其特征在于，所述脉冲发生器电连接于另一MCU，该MCU用于控制脉冲发生器的工作状态。

10.一种斯特林制冷机，包括控制模块，其特征在于，所述控制模块包括控制斯特林电机在启动阶段平稳启动的启动控制系统，该启动控制系统为前述权利要求1至9任一项所述斯特林电机的软启动控制系统。

11.根据权利要求10所述的斯特林制冷机，其特征在于，所述控制模块还包括控制斯特林电机在运行阶段高能效工作的运行控制系统，所述控制模块在电机完成启动后将软启动控制系统切换为运行控制系统，所述运行控制系统包括脉冲发生器和H桥控制单元，该H桥控制单元包括为定子绕组施加正向电压的第一通路和为定子绕组施加反向电压的第二通路，所述第一通路、第二通路分别与脉冲发生器电连接；该脉冲发生器产生第三SPWM波和第四SPWM波，该第三SPWM波控制第一通路仅在电机活塞上行时导通，第四SPWM波控制第二通路仅在电机活塞下行时导通。

说明书

一种斯特林电机的软启动控制系统及斯特林制冷机

技术领域

[0001] 本发明涉及斯特林电机的控制领域，具体而言是一种启动平稳、低噪音的斯特林电机的软启动控制系统及斯特林制冷机。

背景技术

[0002] 斯特林电机利用电磁力产生往复直线运动，主要包括定子绕组和在定子绕组中做往复式直线运动的电机活塞，其一般用于斯特林制冷机，而斯特林制冷机是由电力驱动的一种机械式制冷机，其工作原理是气体以绝热膨胀做功，即按逆向斯特林循环工作而制冷，因此其制冷的同时也会产生大量的热量，该热量会显著增加斯特林电机的工作温度。因此，为了降低斯特林电机的工作温度，一方面采用风扇驱动斯特林电机周围的空气流动以对其进行散热降温，另一方面则为了尽量减少斯特林电机自身的发热量而采用高能效的电机驱动方案，从而避免定子绕组过热烧机导致电机损毁。为解决该技术问题，现有技术中采用H桥来实现活塞上行和下行的驱动控制，其中，MCU产生的SPWM波控制H桥的一个对角MOS管导通以完成电流正弦波的正半周以控制电机上行，MCU产生的反向SPWM波控制另外一个对角MOS管导通时完成电流正弦波的负半周以控制电机下行，并通过控制SPWM波的占空比来调节电机的功率。

[0003] 但是采用上述控制方案的斯特林电机，由于SPWM波为方波，其由高电平和低电平组成，高电平时MOS管导通，低电平时MOS管关断，因此其导通和关断都会导致电机的电流产生较大的瞬间变化，电机的活塞被快速加速，从而导致电机振动，尤其是在电机启动时，受活塞惯性和前述突变电流的影响，会产生一个较大的振动冲击，所以现有技术中的斯特林电机在启动时会经常听到“哐当”的机械撞击声，降低了电机的寿命。此外，在电流正弦波正半周开始、正半周结束、负半周开始、负半周结束时间段，会出现两个对角的MOS管都不导通（就是同时截止）的情况，造成最后的正弦波不平滑，失真严重，也会使电机运行不平稳，影响电机的寿命。

发明内容

[0004] 本发明的发明目的在于克服上述现有技术中存在的不足而提供一种启动平稳、噪音低、振动小的斯特林电机的软启动控制系统及斯特林制冷机。

[0005] 为解决现有技术中存在的技术问题，本发明采用了以下技术措施：

[0006] 一种斯特林电机的软启动控制系统，用于控制斯特林电机平稳启动，其特征在于，包括：

[0007] 用于产生设定序列的SPWM波的脉冲发生器；

[0008] 用于驱动斯特林电机的活塞产生直线振荡的H桥控制单元，该H桥控制单元包括为定子绕组施加正向电压的第一通路和为定子绕组施加反向电压的第二通路，所述第一通路、第二通路分别与脉冲发生器电连接;

[0009] 在电机启动阶段，所述脉冲发生器分别输出第一SPWM波和第二SPWM波，所述第一SPWM波控制第一通路导通和关断，第二SPWM波控制第二通路导通和关断，且第一SPWM波和第二SPWM波的相位相反，在相同脉冲周期内，所述第一通路导通时第二通路关断，所述第二通路导通时第一通路关断；并且，所述第一SPWM波的占空比大于第二SPWM波的占空比时驱动所述活塞上行，所述第二SPWM波的占空比大于第一SPWM波的占空比时驱动所述活塞下行，且在任一相同脉冲周期，所述第一SPWM波和第二SPWM波的占空比之和均为100%，使得该斯特林电机的定子绕组上流动的电流成大致正弦波形，以驱动斯特林电机的活塞平稳运动。

[0010] 上述技术方案还可以通过以下措施进一步优化：

[0011] 作为进一步优化，所述活塞上行的起始位置所对应的第一SPWM波和第二SPWM波的占空比均为50%；所述活塞下行的起始位置所对应第一SPWM波和第二SPWM波的占空比均为50%。

[0012] 作为进一步优化，在所述电流的正弦波形正半周的上升阶段，所述第一SPWM波的占空比逐渐变大，第二SPWM波的占空比逐渐变小，以逐渐增大电机活塞的上行速度；在该电流的正弦波形正半周的下降阶段，所述第一SPWM波的占空比逐渐变小，第二SPWM波的占空比逐渐变大，以逐渐减小电机活塞的上行速度。

[0013] 作为进一步优化，在电机活塞的上行速度达到最大时，电流正弦波位于最高点，第一SPWM波的占空比为预设值DRmax，第二SPWM波的占空比为预设值DRmin，DRmax+DRmin=100%，其中DRmax不小于70%，DRmin不大于30%。

[0014] 作为进一步优化，在所述电流的正弦波形负半周的下降阶段，所述第一SPWM波的占空比逐渐变小，第二SPWM波的占空比逐渐变大，以逐渐增大电机活塞的下行速度；在该电流的正弦波形负半周的上升阶段，所述第一SPWM波的占空比逐渐变大，第二SPWM波的占空比逐渐变小，以逐渐减小电机活塞的下行速度。

[0015] 作为进一步优化，在电机活塞的下行速度达到最大时，电流正弦波位于最低点，第二SPWM波的占空比为预设值DRmax，第一SPWM波的占空比为预设值DRmin，DRmax+DRmin=100%，其中DRmax不小于70%，DRmin不大于30%。

[0016] 作为进一步优化，在所述电机活塞的上行阶段，所述第一SPWM波的占空比大于50%，第二SPWM波的占空比小于50%；在所述电机活塞的下行阶段，所述第一SPWM波的占空比小于50%，第二SPWM波的占空比大于50%。

[0017] 作为进一步优化，所述第一SPWM波、第二SPWM波在正弦波电流的正半周和负半周分别具有的N个脉冲周期，N≥60。

[0018] 作为进一步优化，在所述电流的正弦波形的正半周，所述第一SPWM波控制第一通路关断时，第二SPWM波控制第二通路导通以在电机活塞上行时产生一反向电流使电机活塞平稳上行；在所述电流的正弦波形的负半周，所述第二SPWM波控制第二通路关断时，第一SPWM波控制第一通路导通以在电机活塞下行时产生一反向电流使电机活塞平稳下行。

[0019] 作为进一步优化，所述H桥控制单元包括位于高端的左上臂NMOS管(Q1)与右上臂NMOS管(Q3)，以及位于低端的左下臂NMOS管(Q2)与右下臂NMOS管(Q4)，左上臂NMOS管(Q1)与右下臂NMOS管(Q4)构成第一通路，右上臂NMOS管(Q3)与左下臂NMOS管(Q2)构成第二通路。

[0020] 作为进一步优化，所述脉冲发生器为存储有预设脉冲发生程序的MCU。所述脉冲发生器电连接于另一MCU，该MCU用于控制脉冲发生器的工作状态。

[0021] 本发明还提供一种斯特林制冷机，包括控制模块，该控制模块包括控制斯特林电机在启动阶段平稳启动的启动控制系统，该启动控制为前述斯特林电机的软启动控制系统。

[0022] 作为进一步优化，所述控制模块还包括控制斯特林电机在运行阶段高能效工作的运行控制系统，所述控制模块在电机完成启动后将软启动控制系统切换为运行控制系统，所述运行控制系统包括脉冲发生器和H桥控制单元，该H桥控制单元包括为定子绕组施加正向电压的第一通路和为定子绕组施加反向电压的第二通路，所述第一通路、第二通路分别与脉冲发生器电连接；该脉冲发生器产生第三SPWM波和第四SPWM波，该第三SPWM波控制第一通路仅在电机活塞上行时导通，第四SPWM波控制第二通路仅在电机活塞下行时导通。

[0023] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0024] 由于本发明采用了两路SPWM波分别控制H桥的第一通路和第二通路在电机启动阶段交替导通，且在相同脉冲周期内，第一通路导通时第二通路关断，第二通路导通时第一通路关断，并利用占空比的差值来驱动电机的活塞上行或下行，也即，第一SPWM波的占空比大于第二SPWM波的占空比时则驱动电机活塞上行，反之则驱动电机活塞下行，且在第一通路导通时使电机的定子绕组上产生的使活塞上行的正向电流，而在第二通路导通时则使电机的定子绕组上产生了与前述正向电流方向相反的反向电流，该反向电流抑制了正向电流的快速变化，从而减小了正向电流的变化率，从而可以使电机活塞平稳上行，反之在电机活塞的下行阶段，正向电流抑制了反向电流的快速变化，从而可以是电机活塞平稳下行。将该软启动控制系统应用于电机的启动阶段，可以有效防止电机活塞突然上行或突然停止所产生的惯性冲击，不仅降低振动和噪音，同时也提高了电机的使用寿命。

[0025] 但是，由于正向电流和反向电流相互抵消，导致电机的能效大幅降低，发热量增加，长时间工作将不利于电机的寿命，因此，本发明在电机完成启动后将软启动控制系统切换为运行控制系统，该运行控制系统的第一通路仅在电机活塞的上行时导通，第二通路仅在电机活塞的下行时导通，从而有效解决了正向电流和反向电流相互抵消而大幅增加了发热量，降低电机能效和寿命的问题，不仅降低了能耗，还显著提高了电机的使用寿命。

附图说明

[0026] 为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

[0027] 图1是实施例一的软启动控制电路原理图。

[0028] 图2是图1中H桥控制单元不导通的状态图。

[0029] 图3是图1中H桥控制单元的第一通路导通时的状态图

[0030] 图4中图1中H桥控制单元的第二通路导通时的状态图。

[0031] 图5是实施例一中一个电机运行周期内的波形示意图。

[0032] 图6是图5中电机上行时对应的波形示意图。

[0033] 图7是图5中电机下行时对应的波形示意图。

具体实施方式

[0034] 下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例中的特征可以相互组合。

[0035] 为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

[0036] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外， 术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

[0037] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连， 可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0038] 下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例中的特征可以相互组合。

[0039] 实施例一：

[0040] 请参照图1至图7所示的一种斯特林电机的软启动控制系统，用于控制斯特林电机平稳启动，斯特林电机包括定子绕组和在定子绕组做往复式直线运动的电机活塞，电机活塞上设置有动子磁极，其具体结构可以参考中国专利CN200810213624.6、CN200810202693.7、CN97182465.7等现有技术，由于斯特林电机的机械结构属于本领域的现有技术，在本说明书中即使不对该部分结构进行详细描述，本领域的技术人员也知晓或者在现有技术中找到斯特林电机的具体机械机构，因此对该斯特林电机的机械结构不再赘述。该电机软启动控制系统包括：

[0041] 用于产生设定序列的SPWM波的脉冲发生器，该设定序列包括为占空比、频率和周期等；在本实施例中，脉冲发生器为存储有预设脉冲发生程序的第一MCU(Microcontroller Unit，即微处理器)，该第一MCU电连接于第二MCU，第二MCU用于控制第一MCU的工作状态。在其它实施方式中，脉冲发生器还可以是FPGA（Field－Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列）。脉冲发生器中具有存储单元，存储单元中预设有控制脉冲发生器产生一定序列的SPWM脉冲波形，该脉冲波形为方波。在本实施例中，脉冲发生器共产生四个SPWM波，分别为第一SPWM波、第二SPWM波、第三SPWM波和第四SPWM波，其中第一SPWM波和第二SPWM波用于控制斯特林电机平稳启动，第三SPWM波和第四SPWM波用于控制斯特林电机高能效运行，也即低发热工作。第一SPWM波和第二SPWM波在相同脉冲周期内波形相位相反。第一SPWM波和第二SPWM波的占空比是变化的，调节二者占空比的差值可以改变电机的运行速度，而第三SPWM波和第四SPWM波占空比是固定的，且二者的占空比是相同的，调节占空比的数值可以改变电机的运行速度。第一SPWM波和第二SPWM波驱动电机工作时，电机的定子绕组发热量大，温度高，能效较低。第三SPWM波和第四SPWM波驱动电机工作时，电机的定子绕组发热量小，温度低，能效较高，有利于电机长时间运行。

[0042] 用于驱动斯特林电机的活塞产生直线振荡的H桥控制单元，该H桥控制单元包括为定子绕组施加正向电压的第一通路和为定子绕组施加反向电压的第二通路，所述第一通路、第二通路分别与脉冲发生器电连接;第一通路导通时为电机活塞的上行赋能，也即产生正向电流，为电机活塞的上行供给电能，第二通路导通时为电机活塞的下行赋能，也即产生反向电流，为电机活塞的下行供给电能。当第一通路导通的时间大于第二通路导通的时间时，也即正向电流的作用时间大于反向电流的作用时间，使电机活塞上行的电能大于使电机活塞下行的电能，则电机活塞上行，反之则电机活塞下行。

[0043] 在电机启动阶段，所述脉冲发生器分别输出第一SPWM波和第二SPWM波，所述第一SPWM波控制第一通路导通和关断，第二SPWM波控制第二通路导通和关断，且第一SPWM波和第二SPWM波的相位相反，在相同脉冲周期内，所述第一通路导通时第二通路关断，所述第二通路导通时第一通路关断。相同脉冲周期是指同一数级的SPWM波脉冲周期，例如，第1个脉冲周期、第2个脉冲周期、第3个脉冲周期……。在本实施例中，在电机活塞上行阶段和下行阶段分别对应180个SPWM波脉冲周期，一个电机活塞往返运动周期内共对应360个脉冲周期。在一个脉冲周期内，SPWM波的高电平驱动H桥的桥臂之间导通，低电平驱动H桥的桥臂之间关断。

[0044] 并且，所述第一SPWM波的占空比大于第二SPWM波的占空比时驱动所述活塞上行，所述第二SPWM波的占空比大于第一SPWM波的占空比时驱动所述活塞下行，且在任一相同脉冲周期，所述第一SPWM波和第二SPWM波的占空比之和均为100%，使得该斯特林电机的定子绕组上流动的电流成大致正弦波形，以驱动斯特林电机的活塞平稳运动。所谓大致正弦波是指该电流波形接近于正弦波，但并非理想中的正弦波，在实践中，该电流波形越接近于理想正弦波，则说明其越平滑，则电机运行就越平稳。在本实施例中所采用的具有360个周期的方波脉冲的SPWM波，且第一通路和第二通路在相同脉冲周期内交替导通的控制方法使得定子绕组上的电流变化较为平滑，因此其也更接近于理想正弦波。

[0045] 如图1、图2、图3和图4所示，所述H桥控制单元包括位于高端的左上臂NMOS管(Q1)与右上臂NMOS管(Q3)，以及位于低端的左下臂NMOS管(Q2)与右下臂NMOS管(Q4)，左上臂NMOS管(Q1)与右下臂NMOS管(Q4)构成第一通路，右上臂NMOS管(Q3)与左下臂NMOS管(Q2)构成第二通路。本发明中的高端桥臂和低端桥臂上均采用了NMOS管，在其它实施方式中，为进一步提高导通效率，还可以在高端使用PMOS,在低端使用NMOS，但成本略高。

[0046] 如图5、图6和图7所示，驱动斯特林电机做直线往复振荡时，第一MCU分别输出施加于第一通路的第一SPWM波和施加于第二通路的第二SPWM波，所谓施加是指第一SPWM波控制第一通路的导通或关断，第二SPWM波控制第二通路的导通或关断。在相同脉冲周期内，第一通路导通时第二通路关断，在定子绕组上施加正向电压，第一通路关断时第二通路导通，在定子绕组上施加反向电压，使得流经其定子绕组的电流为大致正弦波波形以使得电机平稳运行。需要说明的是，正向电压是指在图2中的电机左侧为﹢，右侧为﹣时的电压，电流流向为由左向右。反向电压是指电机的右侧为﹢，左侧为﹣时的电压，电流流向为由右向左。在本实施例中，仅在电机启动阶段采用了本发明的软启动控制系统以达到平稳启动的效果，当然，在其它实施方式中，还可以在电机停止时采用本发明的控制方法实现软停止，以避免在停止时产生较大的振动和冲击。

[0047] 需要补充说明的是，在本实施例中采用了一个MCU输出两个SPWM波，在其他实施方式中，还可以使用两个MCU，分别输出第一SPWM波和第二SPWM波。

[0048] 当电机活塞处于上行的起始位置和下行的起始位置时，第一SPWM波和第二SPWM波的第1个脉冲的占空比均为50%，两者赋予电机的定子绕组的能量相互抵消，然后逐渐增大第一SPWM波的占空比，减小第二SPWM波的占空比，也即第一SPWM波赋予电机定子绕组的电能逐渐增大，而第二SPWM波赋予电机定子绕组的能量逐渐减小，二者产生使电机活塞上行的电能差，从而驱动电机活塞上行，反之则驱动电机活塞下行，由于二者对电机活塞运动的赋能是从零逐渐增大的，不会产生能量突变，使电机活塞不会产生突然上行或突然下行。所以大大降低了电机启动瞬间因能量脉冲产生的启动冲击。

[0049] 如图5和图6所示，在任一相同脉冲周期内，第一SPWM波和第二SPWM波的占空比之和为100%，且二者的相位差为180°。当第一SPWM波的占空比大于50%时，第二SPWM波的占空比小于50%，此时使得电机活塞上行。逐渐从50%增加第一SPWM波的占空比，可以使得电机活塞上行加速，逐渐减小第一SPWM波的占空比至50%，可以使得电机活塞上行减速。与之相反，如图5和图7所示，当第二SPWM波的占空比大于50%时，第一SPWM波的占空比小于50%，此时驱动电机活塞下行。逐渐从50%增加第二SPWM波的占空比，可以使得电机活塞下行加速，逐渐减小第二SPWM波的占空比至50%，则使得电机活塞下行减速。因此，第一通路对电机提供的能量大于第二通路对电机的提供的能量，电机活塞上行，反之则下行。

[0050] 如图5、图6和图7所示，在电机活塞上行时，第一SPWM波的占空比由50%逐渐增大，电机活塞的速度也逐渐增大，当速度达到最大值时，电流正弦波位于高点，此时，第一SPWM波的占空比为最大预设值DRmax，第二SPWM波的占空比为最小预设值DRmin。在电机活塞的下行时，第二SPWM波的占空比由50%逐渐增大，电机活塞的速度也逐渐增大，当速度达到最大时，电流正弦波位于低点，第二SPWM波的占空比为预设值DRmax，第一SPWM波的占空比为预设值DRmin。其中，DRmax+DRmin=100%，其中DRmax不小于70%，DRmin不大于30%，该不大于是指包括本数。在本实施例中，DRmax为90%，DRmin为10%。在其它实施方式中，DRmax还可以是70%、80%或95%，相对应DRmin为30%、20%或5%。

[0051] 本实施例中的第一通路和第二通路无论是在电机上行时，还是下行时，都是交替导通和关断，而在同一个脉冲周期内，反向电流的产生抑制了电机电流发生过快变化，减小了其变化率，从而使电机的电流正弦波更为平滑，也即更接近于理想正弦波。

[0052] 在本实施例中，第一SPWM波和第二SPWM波的波形相反，所谓波形相反是指相位相反，相位差为180度，第一SPWM波为高电平时，第二SPWM波为低电平，第一SPWM波为低电平时，第二SPWM波为高电平，且二者的占空比相加之和为100%。在前述电流正弦波的正半周时，所述第一SPWM波的占空比大于第二SPWM波的占空比以使电机的活塞上行。在所述电流的正弦波形正半周的上升阶段，所述第一SPWM波的占空比逐渐变大，相对应，第二SPWM波的占空比逐渐变小，以逐渐增大电机活塞的上行速度，在到达正弦波的高点时，第一SPWM波和第二SPWM波的占空比的差值最大，第一SPWM波的占空比达到最大值，第二SPWM波的占空比达到最小值，此时电机活塞的上行速度达到最大值；在该电流的正弦波形正半周的下降阶段，所述第一SPWM波的占空比逐渐变小，相对应，第二SPWM波的占空比逐渐变大，以逐渐减小电机活塞的上行速度。

[0053] 需要进一步说明的是，在前述电流正弦波的负半周时，所述第一SPWM波的占空比小于第二SPWM波的占空比以使电机活塞下行。在所述电流的正弦波形负半周的下降阶段，所述第一SPWM波的占空比逐渐变小，相对应，第二SPWM波的占空比逐渐变大，以逐渐增大电机活塞下行的速度，在到达正弦波的低点时，第二SPWM波和第一SPWM波的占空比差值最大，也即第二SPWM波的占空比达到最大值，第一SPWM波的占空比达到最小值，电机活塞的下行速度达到最大值；在该电流的正弦波形负半周的上升阶段，所述第一SPWM波的占空比逐渐变大，相对应，第二SPWM波的占空比逐渐变小，以逐渐减小电机活塞的下行速度。但在所述电流的正弦波形回到零点位置时，所述第一SPWM波和第二SPWM波的占空比相等，且均为50%，此时电机活塞达到下行的终止位置，然后则开始上行。

[0054] 还需要说的是，改变第一SPWM和第二SPWM的占空比的最大值DRmax，也即增大电流正弦波的面积则可以实现对电机功率的调整。

[0055] 在所述电流的正弦波形正半周，所述第一SPWM波的占空比大于50%，第二SPWM波的占空比小于50%；在所述电流的正弦波形负半周，所述第一SPWM波的占空比小于50%，第二SPWM波的占空比大于50%。

[0056] 此外，需要补充说的是，由于电子元器件存在开关响应时间，也即死区时间，为了克服死区时间可能导致的上下MOS管的短路问题，在现有技术中的高电压、大电流的场合通常会在驱动电路里设置死区保护模块，以防止上下臂的MOS管短路影响MOS管的寿命，但在本实施例中，由于电压和电流均较小，死区短路对本发明的发明目的实现不构成实质性影响，因而没有在驱动电路里设置死区保护模块。当然，在其它实施方式中，为提高MOS管的寿命也可以设置该死区保护模块，但需要增加成本。

[0057] 在本发明中，一个脉冲周期是指由一个高电平和一个低电平组成的脉冲周期，在电流正弦波的一个半周期内，SPWM波中共有180个脉冲周期，进而使得电流正弦波更加的平滑，实现了电机活塞的软启动和软着陆。图5、图6和图7均为波形示意图，为便于本领域的技术人员理解本发明的实质精神，图中的SPWM波中的脉冲周期有所放大，且仅仅画出了几个脉冲周期。

[0058] 控制系统还包括控制第一MCU工作状态的第二MCU，第一MCU和第二MCU电连接，其中第一MCU用于产生SPWM波，第二MCU用于向第一MCU发送控制指令，控制第一MCU工作或停止，并检测电机上的电流信号等，并控制第一MCU产生增加或减小电机功率信号。

[0059] 需要补充说明的是，为进一步增加电流正弦波的平滑性，降低冲击和振动，所述第一SPWM波、第二SPWM波在正弦波电流的正半周和负半周分别具有的N个脉冲周期，N≥60。在本实施例中，所述电流的正弦波形的正半周和负半周分别对应于180个SPWM脉冲周期，其上升阶段对应有90个SPWM脉冲周期，下降阶段也对应90个SPWM脉冲周期，也即在电流正弦波的正半周和负半周，第一通路和第二通路均导通180次，但在电流正弦波的正半周，由于第一SPWM波的占空比大于第二SPWM波的占空比，所以第一通路的总导通时间大于第二通路的总导通时间，也即第一通路比第二通路赋予了电机更多的驱动力，所以电机的活塞为上行，反之亦然。在其它实施方式中，也可以设置其它数量的脉冲个数，例如60个、90个、120个、150个等等。在实践中，脉冲数量越多，电流的波形就越约接近于理想的正弦波。反之，脉冲数量越少，电流波形则会产生更多的锯齿形。

[0060] 此外，在本发明中的第一驱动电路和第二驱动电路为现有常规的H桥驱动电路，其由逻辑门电路组成，通常包括或门和非门，具体或门和非门元器件通常是根据实际电路需求来进行选择。当然，也可以直接采用现有技术中的H桥驱动模块。

[0061] 本发明还提供一种斯特林制冷机，其包括控制模块，该模块包括前述斯特林电机的软启动控制系统。

[0062] 所述控制模块还包括控制斯特林电机在运行阶段高能效工作的运行控制系统，所述控制模块在电机完成启动后将软启动控制系统切换为运行控制系统，所述运行控制系统包括脉冲发生器和H桥控制单元，该H桥控制单元包括为定子绕组施加正向电压的第一通路和为定子绕组施加反向电压的第二通路，所述第一通路、第二通路分别与脉冲发生器电连接；该脉冲发生器产生第三SPWM波和第四SPWM波，该第三SPWM波控制第一通路仅在电机活塞上行时导通，第四SPWM波控制第二通路仅在电机活塞下行时导通。采用运行控制系统控制的斯特林电机的发热量较小，有利于提高定子绕组的寿命。

[0063] 需要补充的是，在电机活塞的一个运动周期（一个上行和一个下行为一个运动周期）内，第三SPWM波和第四SPWM波的占空比相同，但第三SPWM波位于X轴的上方，第四SPWM波位于X轴的下方，二者对置设置。

[0064] 从软启动控制系统切换为运行控制系统的方式包括时间控制法和温度控制法等，时间控制法是指在控制模块中设置计时单元，并预设启动阶段的持续时间为t，当启动时间超过时间t时，控制模块自动将软启动控制系统切换为运行控制系统。温度控制法是指设置检测定子绕组温度的温度传感器，当温度传感器检测到定子的温度超过预设值T时，控制模块自动将软启动控制系统切换为运行控制系统。软启控制系统和运行控制系统切换只需调用不同的程序模块即可实现。

[0065] 以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。