一種基於pwm原理的紅外線軸溫探測系統光子探頭製冷控制裝置及其控制方法
2023-10-10 15:27:29 2
專利名稱：一種基於pwm原理的紅外線軸溫探測系統光子探頭製冷控制裝置及其控制方法
一種基於PWM原理的紅外線軸溫探測系統光子探頭製冷控制裝置及其控制方法技術領域
本發明屬於列車安全監控技術領域，具體涉及一種基於PWM原理的紅外線軸溫探測系統光子探頭製冷控制裝置及其控制方法。
背景技術：
運行中的列車，車輪軸承與軸頸或軸承本身產生摩擦會使列車軸箱發熱，熱量傳至軸箱與外界環境達成平衡，軸箱表面溫度趨於穩定值。當軸箱內部出現故障時，摩擦加劇，單位時間內產生的熱量增加，溫度突升。可能造成列車出軌，引起人身傷亡及貨車、車輛、鐵路、建築物的破壞。由於紅外測溫具有可以進行遠距離非接觸測量、響應速度快、測溫範圍廣、精度高等優點，所以目前檢測列車軸承溫度普遍採用了紅外線軸溫探測系統。隨著近幾年國內列車的幾次提速，現有的熱敏探測器因其響應時間常數大而漸漸不能適應熱軸探測的需要，而光子類紅外探測器因其響應速度快而受到重視。但是這些光子器件工作時均需低溫製冷或外加磁場，並且是在鐵路旁的惡劣環境下使用，嚴重影響了光子類紅外探測器的使用壽命和使用效果。
目前紅外線軸溫探測系統光子探頭製冷控制板，採用電流驅動電路使用三極體工作在線性工作區，導通電阻大，功耗大，效率低，發熱量大，需要增加體積龐大的散熱器，而且溫度調整後需要的穩定時間較長。外圍器件多，電路複雜，不利於電路調試維護。同時， 只有一種工作模式，在現場電氣環境極其惡劣時，會出現反饋控制失靈現象。發明內容
本發明採用了先進的數控脈衝寬度調製(PWM)技術來控制熱電製冷器。採用 MOSFET開關管大幅減小導通電阻，大大降低了系統的熱功耗，提高了效率；MOS開關頻率達 ΙΟΟΚΗζ，故控溫精度達士0. I0C ；運用增量式PID控制算法，溫度調整後需要的穩定時間大幅減小。採用表貼元件與晶片，體積小，集成度高，需要的外圍電路簡單；具有多種系統監控功能，如探測器溫度監控、熱電製冷器電流保護、熱電製冷器電壓保護等。增加工作模式調整功能，可根據不同的現場應用條件，對溫控系統的工作模式在恆溫和恆流間進行轉換。
本發明提出一種基於PWM原理的紅外線軸溫探測系統光子探頭製冷控制裝置，其特徵在於包括光子探測器A、光子探測器B和溫度控制板，所述的溫度控制板包括電壓調理模塊A、電壓調理模塊B、電流驅動模塊A、電流驅動模塊B、控制模塊和通信模塊；所述的控制模塊包括單片機和DAC晶片；所述的電流驅動模塊A和電流驅動模塊B均包括PWM驅動晶片和限流保護電路。
所述的光子探測器A和光子探測器B分別設置於鐵路軌道兩側，光子探測器A和光子探測器B中包含的熱電製冷器A和熱電製冷器B冷麵上分別設置有熱敏電阻，用於測量熱電製冷器A和熱電製冷器B的溫度電壓信號，並將溫度電壓信號進行調理放大後分別經電纜線傳送到電壓調理模塊A和電壓調理模塊B。
所述的電壓調理模塊A和電壓調理模塊B用於將調理放大後的溫度電壓信號進行調理復原，並傳輸至控制模塊的單片機中，經單片機對復原後的溫度電壓信號進行ADC採樣，並通過增量PID控制完成溫度控制，並向控制模塊的DAC晶片輸出溫度電壓控制量，重現PWM驅動晶片的設置電壓。
所述的電流驅動模塊A和電流驅動模塊B的PWM驅動晶片與DAC晶片相連，根據重現的PWM驅動晶片的設置電壓完成PWM脈衝的佔空比大小控制，向LC低通濾波器輸出 PWM脈衝，變為直流電流和電壓，經LC低通濾後的直流電流和電壓超過保護值時，電流驅動模塊A和電流驅動模塊B的限流保護電路啟動，電流驅動模塊A和電流驅動模塊B進入保護模式，進而使驅動光子探測器A和光子探測器B的熱電製冷器A和熱電製冷器B工作在恆流狀態。
本發明提出一種基於PWM原理的紅外線軸溫探測系統光子探頭製冷控制方法，包括以下幾個步驟
步驟一通過熱電製冷器A和熱電製冷器B上設置的測溫電路測量熱電製冷器A 和熱電製冷器B的溫度電壓信號，並將溫度電壓信號調理放大後，分別經電纜線傳送到電壓調理模塊A和電壓調理模塊B ；
步驟二 經調理放大的溫度電壓信號經電壓調理模塊A和電壓調理模塊B的調理復原後傳輸至控制模塊的單片機中，通過單片機對調理復原後的溫度電壓信號進行ADC採樣；
步驟三單片機通過通信模塊獲得上位機的溫度電壓命令，設置溫度電壓，根據設置的溫度電壓，將ADC採樣後的溫度電壓信號經單片機的預置控溫策略和增量PID控制完成溫度控制，並向控制模塊的DAC晶片輸出溫度電壓控制量，根據溫度電壓控制量重現PWM 驅動晶片的設置電壓，並將該設置電壓輸出至電流驅動模塊A和電流驅動模塊B的PWM驅動晶片經PWM驅動晶片完成PWM脈衝的佔空比大小控制後向LC低通濾波器輸出PWM脈衝， PWM脈衝經LC低通濾波器的低通濾波後，變為直流電流和電壓；
步驟四判斷經LC低通濾波器濾波後的直流電流和電壓過大是否超過保護值，當未超過保護值時，直接利用低通濾波後的直流電流驅動熱電製冷器A和熱電製冷器B完成製冷控制操作。當超過保護值時，經電壓比較器輸出高電平，並控制電子開關將PWM驅動晶片的脈衝控制輸入從DAC切換到限流保護電路，電流驅動模塊A和電流驅動模塊B進入保護模式，驅動光子探測器A和光子探測器B的熱電製冷器A和熱電製冷器B工作在恆定電流狀態。
本發明的優點在於
(1)；本發明提出一種基於PWM原理的紅外線軸溫探測系統光子探頭製冷控制裝置及其控制方法，採用脈衝寬度調製技術，控溫精度高，功耗小。
(2)；本發明提出一種基於PWM原理的紅外線軸溫探測系統光子探頭製冷控制裝置及其控制方法，運用增量PID控制算法，溫度穩定時間小。
(3)；本發明提出一種基於PWM原理的紅外線軸溫探測系統光子探頭製冷控制裝置及其控制方法，對昂貴的熱電製冷器提供了過壓和過流保護電路。
(4)；本發明提出一種基於PWM原理的紅外線軸溫探測系統光子探頭製冷控制裝置及其控制方法適用複雜的現場環境，工作模式可以切換。
圖1 本發明提出一種基於PWM原理的紅外線軸溫探測系統光子探頭製冷控制裝置的結構示意圖2 本發明提出一種基於PWM原理的紅外線軸溫探測系統光子探頭製冷控制方法流程圖。
圖中1-光子探測器A ； 2-光子探測器B ；
4-電壓調理模塊A ； 5-電壓調理模塊B
7-電流驅動模塊B; 8-控制模塊；
10-上位機；11-電纜線。
具體實施方式
下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。
本發明提出一種基於PWM原理的紅外線軸溫探測系統光子探頭製冷控制裝置，包括光子探測器Al、光子探測器B2和溫度控制板3，所述的溫度控制板3包括電壓調理模塊 A4、電壓調理模塊B5、電流驅動模塊A6、電流驅動模塊B8、控制模塊9和通信模塊。所述的控制模塊9包括單片機和DAC晶片；所述的電流驅動模塊A6和電流驅動模塊B8均包括PWM 驅動晶片和限流保護電路。
所述的光子探測器Al和光子探測器B2分別設置於鐵路軌道兩側，光子探測器Al 和光子探測器B2中包含的熱電製冷器A和熱電製冷器B(TEC)冷麵上分別設置有熱敏電阻，用於測量熱電製冷器A和熱電製冷器B的溫度電壓信號，並將溫度電壓信號進行調理放大後分別經電纜線11傳送到電壓調理模塊A4和電壓調理模塊B5。
所述的電壓調理模塊A4和電壓調理模塊B5用於將調理放大後的溫度電壓信號進行調理復原，並傳輸至控制模塊99的單片機中，經單片機對復原後的溫度電壓信號進行 ADC採樣，並通過增量PID控制完成快速精確穩定的溫度控制，並向控制模塊9的DAC晶片輸出溫度電壓控制量，重現PWM驅動晶片的設置電壓。
所述的電流驅動模塊A6和電流驅動模塊B8的PWM驅動晶片(DRV104晶片)與DAC 晶片相連，根據重現的PWM驅動晶片的設置電壓完成PWM脈衝的佔空比大小控制，向LC低通濾波器輸出PWM脈衝，變為直流電流和電壓。經LC低通濾後的直流電流和電壓過大時， 電流驅動模塊A6和電流驅動模塊B8的限流保護電路啟動，電流驅動模塊A6和電流驅動模塊B8進入保護模式，進而使驅動光子探測器Al和光子探測器B2的熱電製冷器A和熱電製冷器B工作在恆流狀態。
所述的單片機採用超強抗幹擾單片機(優選為STC12C5160S2)，採樣頻率一般為 250KH，並採用數控脈衝寬度調製(PWM)技術控制熱電製冷器(TEC)。
所述的電壓調理模塊A4和電壓調理模塊B5由運算放大器構成，由於在紅外線軸溫探測系統中，光子探測器Al和光子探測器B2被設置於鐵軌兩側，而溫度控制板3則在離鐵軌較遠的控制室內，二者通過20米以上的電纜線11連接。考慮到現場電磁環境惡劣，並對電纜上的小電壓信號造成的幹擾，因此將光子探測器Al和光子探測器B2的溫度電壓信號先在光子探頭內進行調理，放大6倍以上，便於進行長距離的可靠傳輸，然後，再於電壓3-溫度控制板； 6-電流驅動模塊A ； 9-通信模塊；調理模塊A4和電壓調理模塊B5將溫度電壓信號進行復原之後，再由控制模塊進行ADC採樣處理，從而達到遠距離可靠溫控目的。
通信模塊通過背板接口與上位機10進行通訊，實現對製冷控制裝置的監視與控制。當控制模塊的單片機通過通信模塊收到上位機10發送的查詢命令之後，將單片機ADC 採樣的探測器溫度和製冷電流信號通過通信模塊返回至上位機10 ；當控制模塊的單片機通過通信模塊收到調溫的命令後，將依據控溫策略對光子探測器Al和光子探測器B2的製冷溫度進行調整；當控制模塊通過通信模塊接收到恆流模式命令後，控制模塊將以開環模式工作，光子探測器Al和光子探測器B2將工作在恆定電流狀態，以適應惡劣的現場環境。
控制模塊還分別與電流驅動模塊A6和電流驅動模塊B8連接，控制模塊通過設置電流驅動模塊A6和電流驅動模塊B8輸出的製冷電流大小，使製冷電流經電纜線11傳至光子探測器Al和光子探測器B2，完成對光子探測器Al和光子探測器B2製冷溫度的控制。
所述的電流驅動模塊A6和電流驅動模塊B8的PWM驅動晶片優選為DRV104型號晶片，該驅動晶片輸出頻率為IOOKHz的PWM脈衝，大幅提高了控溫精度，它的導通電阻 Rds(ON)僅為0. 018歐姆，因此導通後的熱損耗非常低，大幅降低系統功耗，提高了電路工作效率。為了保護光子探測器Al和光子探測器B2，電流驅動模塊A6和電流驅動模塊B8中增加了限流限壓保護電路。該限流限壓保護電路包括電壓比較器和電子開關，其中電壓比較器優選為LM331，電子開關優選為ADG5436型號電子開關。當電壓或電流過大，超過保護值時，電壓比較晶片輸出高電平，控制電子開關ADG5436將電流驅動模塊A6和電流驅動模塊 B8(DRV104)的脈衝控制輸入由DAC模式切換到保護電路模式，電流驅動模塊A6和電流驅動模塊B8進入保護模式，進而控制熱電製冷器A和熱電製冷器B工作在恆定電流狀態。DAC 晶片優選為TLV5616型號晶片。
通信模塊通過航空插頭接口與上位機10進行通訊，實現對製冷系統工作狀態的監視與控制，同時實現溫控系統恆流或恆溫工作模式的設置。
本發明提出一種基於PWM原理的紅外線軸溫探測系統光子探頭製冷控制方法，如圖2所示，具體包括以下幾個步驟
步驟一通過熱電製冷器A和熱電製冷器B (TEC)上設置的測溫電路(熱敏電阻) 測量熱電製冷器A和熱電製冷器B的溫度電壓信號，並將溫度電壓信號調理放大後，分別經電纜線11傳送到電壓調理模塊A4和電壓調理模塊B5。
步驟二 經調理放大的溫度電壓信號經電壓調理模塊A4和電壓調理模塊B5的調理復原後傳輸至控制模塊的單片機中，通過單片機對調理復原後的溫度電壓信號進行ADC 採樣。
步驟三單片機通過通信模塊獲得上位機10的溫度電壓命令，設置溫度電壓，根據設置的溫度電壓，將ADC採樣後的溫度電壓信號經單片機的預置控溫策略和增量PID控制完成快速精確穩定的溫度控制，並向控制模塊的DAC晶片輸出溫度電壓控制量，根據溫度電壓控制量重現PWM驅動晶片的設置電壓，並將該設置電壓輸出至電流驅動模塊A6和電流驅動模塊B8的PWM驅動晶片(DRV104晶片)，經PWM驅動晶片完成PWM脈衝的佔空比大小控制後向LC低通濾波器輸出PWM脈衝，PWM脈衝經LC低通濾波器的低通濾波後，變為直流電流和電壓。
步驟四判斷經LC低通濾波器濾波後的直流電流和電壓過大是否超過保護值，當未超過保護值時，直接利用低通濾波後的直流電流驅動熱電製冷器A和熱電製冷器B完成製冷控制操作。當超過保護值時，經電壓比較器輸出高電平，並控制電子開關(ADG5436)將 PWM驅動晶片(DRV104)的脈衝控制輸入從DAC切換到限流保護電路，電流驅動模塊A6和電流驅動模塊B8進入保護模式，驅動光子探測器Al和光子探測器B2的熱電製冷器A和熱電製冷器B工作在恆定電流狀態。
權利要求
1.一種基於PWM原理的紅外線軸溫探測系統光子探頭製冷控制裝置，其特徵在於包括光子探測器A、光子探測器B和溫度控制板，所述的溫度控制板包括電壓調理模塊A、電壓調理模塊B、電流驅動模塊A、電流驅動模塊B、控制模塊和通信模塊；所述的控制模塊包括單片機和DAC晶片；所述的電流驅動模塊A和電流驅動模塊B均包括PWM驅動晶片和限流保護電路；所述的光子探測器A和光子探測器B分別設置於鐵路軌道兩側，光子探測器A和光子探測器B中包含的熱電製冷器A和熱電製冷器B冷麵上分別設置有熱敏電阻，用於測量熱電製冷器A和熱電製冷器B的溫度電壓信號，並將溫度電壓信號進行調理放大後分別經電纜線傳送到電壓調理模塊A和電壓調理模塊B ；所述的電壓調理模塊A和電壓調理模塊B用於將調理放大後的溫度電壓信號進行調理復原，並傳輸至控制模塊的單片機中，經單片機對復原後的溫度電壓信號進行ADC採樣，並通過增量PID控制完成溫度控制，並向控制模塊的DAC晶片輸出溫度電壓控制量，重現PWM驅動晶片的設置電壓；所述的電流驅動模塊A和電流驅動模塊B的PWM驅動晶片與DAC晶片相連，根據重現的PWM驅動晶片的設置電壓完成PWM脈衝的佔空比大小控制，向LC低通濾波器輸出PWM脈衝，變為直流電流和電壓，經LC低通濾後的直流電流和電壓超過保護值時，電流驅動模塊A和電流驅動模塊B的限流保護電路啟動，電流驅動模塊A和電流驅動模塊B進入保護模式，進而使驅動光子探測器A和光子探測器B的熱電製冷器A和熱電製冷器B工作在恆流狀態。
2.根據權利要求1所述的一種基於PWM原理的紅外線軸溫探測系統光子探頭製冷控制裝置，其特徵在於所述的單片機為STC12C5160S2型號單片機，採樣頻率為250KH。
3.根據權利要求1所述的一種基於PWM原理的紅外線軸溫探測系統光子探頭製冷控制裝置，其特徵在於所述的電壓調理模塊A和電壓調理模塊B由運算放大器構成。
4.根據權利要求1所述的一種基於PWM原理的紅外線軸溫探測系統光子探頭製冷控制裝置，其特徵在於所述的PWM驅動晶片為DRV104型號晶片，輸出頻率為IOOKHz的PWM脈衝，導通電阻Rdsw為0. 018歐姆。
5.根據權利要求1所述的一種基於PWM原理的紅外線軸溫探測系統光子探頭製冷控制裝置，其特徵在於所述的電壓比較器選擇LM331型號比較器。
6.根據權利要求1所述的一種基於PWM原理的紅外線軸溫探測系統光子探頭製冷控制裝置，其特徵在於所述的DAC晶片為TLV5616型號晶片。
7.一種基於PWM原理的紅外線軸溫探測系統光子探頭製冷控制方法，其特徵在於具體包括以下幾個步驟步驟一通過熱電製冷器A和熱電製冷器B上設置的測溫電路測量熱電製冷器A和熱電製冷器B的溫度電壓信號，並將溫度電壓信號調理放大後，分別經電纜線傳送到電壓調理模塊A和電壓調理模塊B ；步驟二 經調理放大的溫度電壓信號經電壓調理模塊A和電壓調理模塊B的調理復原後傳輸至控制模塊的單片機中，通過單片機對調理復原後的溫度電壓信號進行ADC採樣；步驟三單片機通過通信模塊獲得上位機的溫度電壓命令，設置溫度電壓，根據設置的溫度電壓，將ADC採樣後的溫度電壓信號經單片機的預置控溫策略和增量PID控制完成溫度控制，並向控制模塊的DAC晶片輸出溫度電壓控制量，根據溫度電壓控制量重現PWM驅動晶片的設置電壓，並將該設置電壓輸出至電流驅動模塊A和電流驅動模塊B的PWM驅動晶片經PWM驅動晶片完成PWM脈衝的佔空比大小控制後向LC低通濾波器輸出PWM脈衝，PWM脈衝經LC低通濾波器的低通濾波後，變為直流電流和電壓；步驟四判斷經LC低通濾波器濾波後的直流電流和電壓過大是否超過保護值，當未超過保護值時，直接利用低通濾波後的直流電流驅動熱電製冷器A和熱電製冷器B完成製冷控制操作。當超過保護值時，經電壓比較器輸出高電平，並控制電子開關將PWM驅動晶片的脈衝控制輸入從DAC切換到限流保護電路，電流驅動模塊A和電流驅動模塊B進入保護模式，驅動光子探測器A和光子探測器B的熱電製冷器A和熱電製冷器B工作在恆定電流狀態。
全文摘要
本發明提出一種基於PWM原理的紅外線軸溫探測系統光子探頭製冷控制裝置及其控制方法，屬於列車安全監控技術領域，該製冷控制裝置包括光子探測器A、光子探測器B和溫度控制板，所述的溫度控制板包括電壓調理模塊A、電壓調理模塊B、電流驅動模塊A、電流驅動模塊B、控制模塊和通信模塊。所述的控制模塊包括單片機和DAC晶片；所述的電流驅動模塊A和電流驅動模塊B均包括PWM驅動晶片和限流保護電路。本發明採用脈衝寬度調製技術，控溫精度高，功耗小，且本發明運用增量PID控制算法，溫度穩定時間小，對昂貴的熱電製冷器提供了過壓和過流保護電路，適用複雜的現場環境，工作模式可以切換。
文檔編號B61K9/04GK102556114SQ201210067378
公開日2012年7月11日 申請日期2012年3月14日 優先權日2012年3月14日
發明者關亮, 畢方勇, 王勇, 苗鑫, 許英傑 申請人:北京康拓紅外技術股份有限公司