高頻脈衝管制冷機的直流驅動與主動溫控系統及設計方法與流程
2024-03-25 15:28:05
本發明涉及製冷與低溫工程領域和物理電子學領域，特別涉及一種脈衝管制冷機的直流驅動與主動溫控系統及設計方法。
背景技術：
脈衝管制冷機是回熱式低溫制冷機的一次重大革新，它取消了廣泛應用於常規回熱式低溫制冷機(如斯特林和G-M制冷機)中的冷端排出器，實現了冷端的低振動、低幹擾和無磨損；而經過結構優化和調相方式上的重要改進，在典型溫區，其實際效率也已達到回熱式低溫制冷機的最高值。這些顯著優點使得脈衝管制冷機成為近30年來低溫制冷機研究的一大熱門，在航空航天、低溫電子學、超導工業和低溫醫療業等方面都獲得了廣泛的應用。根據驅動壓縮機的不同，又將脈衝管制冷機分為由直線壓縮機驅動的高頻脈衝管制冷機和由G-M型壓縮機驅動的低頻脈衝管制冷機兩種。航天及軍事等領域應用的脈衝管制冷機，因為對重量和體積有著非常嚴格的限制，一般都採用輕量化高頻運轉的直線壓縮機，壓縮機的工作頻率通常都在30Hz以上。由直線壓縮機驅動的高頻脈衝管制冷機由於結構緊湊、重量輕、體積小、效率高、運轉可靠、預期壽命長等突出優點，正日益成為新一代航天回熱式低溫制冷機的更新換代品種。直線壓縮機作為高頻脈衝管制冷機的驅動單元，需要通過輸入合適的電壓產生相應的線性力，脈衝管制冷機才能產生最佳製冷效果。在地面一般應用場合，主要使用交流電源儀器對脈衝管制冷機的輸入電壓大小、頻率進行調整以匹配目標製冷量和製冷溫度。而在空間應用環境中，可用的往往只是存儲方便的直流電源，因此，航天應用中要求使用直流電源正常高效地驅動脈衝管制冷機，這是脈衝管制冷機在星載應用與地面應用環境中的顯著區別之一。同時，脈衝管制冷機冷卻的元器件(例如紅外探測器，光學器件等)一般都需要在一個固定的溫度點或是很小的溫度範圍內才能夠正常、穩定、高效地工作。這些元器件的性能通常對工作溫度的反應非常靈敏，外界的微小幹擾往往都會使工作溫度產生一定程度的波動，從而對被冷卻器件的性能產生影響。因此，在實際應用中，通常需要為脈衝管制冷機配置相應的溫度控制系統，以便高精度地對脈衝管制冷機冷端的溫度和冷量進行調控。由於脈衝管制冷機系統是一個複雜的機械-熱力系統，輸入功的變化反映到製冷溫度或製冷量的改變存在時間延滯，而且航天應用環境也排除了手動調節的可能性，在這種情況下，就需要對該直流驅動系統設置自動的精確控制功能，以便根據設定的製冷溫度或冷量自動地對輸入電壓大小和頻率進行靈活調整。因此，在有著高精度溫度控制要求的應用中(特別是航天應用環境)，還要求為脈衝管制冷機配備主動溫控系統，以便於脈衝管制冷機能夠長期穩定可靠地運行。綜上所述，在面向航天星載環境的高頻脈衝管制冷機的研究和應用中，其直流驅動與主動溫控便成為了兩項重要的研究需求。近年來，中國高頻脈衝管制冷技術也獲得了長足進步，並已開始向空間實用化發展，這對其直流下的驅動與主動控制系統的研究都提出了非常迫切的需求，但相關技術的發展在國內才剛剛起步。
技術實現要素：
鑑於現有技術的不足，本發明提出一種高頻脈衝管制冷機的直流驅動與主動溫控系統及其設計方法。本發明的目的在於，提供了一種脈衝管制冷機直流驅動及主動反饋溫度控制系統以及其設計方法。首先，實現直流電源下對脈衝管制冷機用的直線壓縮機的正常線性驅動；其次，通過對脈衝管制冷機冷指的溫度反饋實現對冷指溫度的主動溫度控制。從而滿足高頻脈衝管制冷機在必須採用直流驅動且要求穩定溫度控制的特殊環境下的應用需求。所發明的高頻脈衝管制冷機直流驅動及主動反饋溫度控制系統包括溫度信號運放模塊1、模擬-數位訊號轉換模塊2、數位訊號處理器3、數字-模擬信號轉換模塊5、H橋功率放大模塊6、DC-DC轉換模塊一10、DC-DC轉換模塊二11以及熱電偶測溫電橋模塊13，其特徵在於：外部直流總線12連接H橋功率放大模塊6進行供電，DC-DC轉換模塊一10連接溫度信號運放模塊1和H橋功率放大模塊6進行供電，DC-DC轉換模塊二11連接數字-模擬信號轉換模塊2、數位訊號處理器3以及數字-模擬信號轉換模塊5進行供電；熱電偶測溫電橋模塊13連接至脈衝管制冷機冷端換熱器9，通過設置在脈衝管制冷機冷端換熱器9上的熱電偶14獲取到溫度信號，利用測溫電橋15將熱電偶電阻信號轉化為電壓信號16；電壓信號16傳送至溫度信號運放模塊1，經過溫度信號運放模塊1中的運放電路將電壓信號16進一步轉換為合適大小的模擬電壓信號；此模擬電壓信號輸送至模擬-數位訊號轉換模塊2，利用模擬-數位訊號轉換模塊2的轉換功能將輸入的模擬信號轉換為相對應的數位訊號17；然後數位訊號17被輸送至數位訊號處理器3後同時輸出波形上互補的兩路SPWM信號；上述兩路SPWM信號送至數字-模擬信號轉換模塊5，轉換為相應的SPWM模擬信號一24和SPWM模擬信號二25；SPWM模擬信號一24和SPWM模擬信號二25分別連接至H橋功率放大模塊6中的H橋電路一26和H橋電路二27，在外部直流總線12提供能量的前提下，H橋功率放大模塊6以模擬SPWM信號作為控制信號，改變H橋路上MOSFET管的通斷時間，從而實現SPWM信號的放大輸出；輸出的調製信號能提供高頻脈衝管制冷機直線壓縮機的直線電機一7和直線電機二7′正常的直流線性驅動，且控制信號反映到輸入功的變化，進一步調整脈衝管制冷機冷指8的製冷效果，完成對脈衝管制冷機冷端換熱器9的溫度穩定性的控制；從而共同形成一種高頻脈衝管制冷機的直流驅動與主動溫控系統。下面結合附圖對所發明的脈衝管制冷機的直流驅動與主動溫控系統的設計方法進行詳細介紹，其中圖1為所發明的高頻脈衝管制冷機的直流驅動及主動溫控系統的示意圖；圖2為溫度信號運放模塊的示意圖；圖3為PID控制過程的示意圖；圖4為SPWM信號調製過程以及數-模轉換模塊的示意圖；圖5為H橋功率放大模塊的連接示意圖。該設計方法包括以下步驟：步驟一：設計用於直流電壓轉換的DC-DC轉換模塊一10和DC-DC轉換模塊二11，DC-DC轉換模塊一10連接溫度信號運放模塊1和H橋功率放大模塊6進行供電，DC-DC轉換模塊二11連接數字—模擬信號轉換模塊2、數位訊號處理器3以及數字-模擬信號轉換模塊5進行供電；步驟二：設計用於信號採集與轉換的熱電偶測溫電橋模塊13，該模塊包括熱電偶14以及測溫電橋15，通過設置在脈衝管制冷機冷端換熱器9上的熱電偶14獲取到溫度信號，利用測溫電橋15將熱電偶電阻信號轉化為電壓信號16，測溫電橋15採用四線制接法，消除引線電阻帶來的幹擾；步驟三：設計用於進行信號調整的溫度信號運放模塊1，使用運算放大器構成電壓運算放大電路，將電壓信號16轉換為0～3V大小的模擬電壓信號；步驟四：設計用於信號處理的信號處理模塊，該模塊包括模擬-數位訊號轉換模塊2、數位訊號處理器3以及數字-模擬信號轉換模塊5，數位訊號處理器3是建立在以DSP為硬體基礎，結合相應控制軟體配合實現PID控制及SPWM信號調製功能；模擬-數位訊號轉換模塊2為DSP晶片自帶的AD採樣器，配合AD採樣程序將輸入合適大小的模擬信號轉換為相對應的數位訊號17；輸送數位訊號17至數位訊號處理器3，PID控制模塊是通過控制軟體實現的數字PID，通過與溫度設定值進行比較，得到誤差信號，將誤差信號同時進行比例部分18、積分部分19、微分部分20的控制，將三部分的控制信號相加形成總正弦控制信號21；總正弦控制信號21被SPWM信號調製軟體調製，首先，通過正弦信號離散部分22將頻率較低的總正弦控制信號21進行離散化，其次，產生的離散化信號被PWM化23，使用PWM(脈寬調製)技術設置相應算法，根據不同離散點在總正弦控制信號上的位置不同，改變正弦信號不同時間點上脈衝波的佔空比，將離散化的正弦信號轉換為頻率較高的SPWM信號，同時輸出波形上互補的兩路SPWM信號；兩路SPWM信號送至數字-模擬信號轉換模塊5轉換為相應的SPWM模擬信號一24和SPWM模擬信號二25；步驟五：設計用於進行控制信號放大的H橋功率放大模塊6，該模塊包括H橋電路一26和H橋電路二27，二者均由兩個NPN型和兩個PNP型MOSFET管構成，且同時接入SPWM模擬信號一24和SPWM模擬信號二25，直線電機一7和直線電機二7′分別接入H橋電路一26和H橋電路二27中；在外部直流總線12提供能量的前提下，根據SPWM模擬信號一24和SPWM模擬信號二25中每個脈衝波不同的佔空比，改變H橋電路上不同類型MOSFET管的通斷及開關時間，實現SPWM信號的放大及電機不同方向的運動；輸出的放大後的SPWM信號能提供高頻脈衝管制冷機線性壓縮機的直線電機一7和直線電機二7′正常的直流線性驅動，且控制信號反映到輸入功的變化，進一步調整脈衝管制冷機冷指8的製冷效果，完成對脈衝管制冷機冷端換熱器9的溫度穩定性的控制。本發明的優點在於：1)在直流電源下，所設計的電子系統不僅能夠提供高頻脈衝管制冷機的線性驅動，並且能夠通過主動溫度反饋控制脈衝管制冷機冷端的溫度；2)基於DSP晶片的高時鐘頻率，利用PWM技術對線性壓縮機所需的正弦電壓進行調製，實現直流下的能量高效轉換，利用PID控制方法能夠對脈衝管制冷機冷端換熱器的溫度進行快速、穩定的調控；3)利用低阻抗的MOSFET管，H橋電路可以高效的將直流電源輸出的功率傳輸給線性壓縮機的兩個直線電機。上述優點將在實現高頻脈衝管制冷機的直流驅動和主動溫度控制的基礎上，大幅度提高系統的能量利用效率和控制的穩定性，對高頻脈衝管制冷機在必須採用直流驅動且要求穩定溫度控制的特殊應用環境(如航天星載應用環境)方面的實用化等方面具有非常積極的意義。附圖說明圖1為所發明的高頻脈衝管制冷機的直流驅動及主動溫控系統的示意圖；圖2為溫度信號運放模塊1的示意圖；圖3為PID控制過程的示意圖；圖4為SPWM信號調製過程的示意圖；圖5為H橋功率放大模塊6的連接示意圖。其中：1為溫度信號運放模塊；2為模擬-數位訊號轉換模塊；3為數位訊號處理器；5為數字-模擬信號轉換模塊；6為H橋功率放大模塊；7為直線電機一；7′為直線電機二；8為脈衝管制冷機冷指；9為脈衝管制冷機冷端換熱器；10為DC-DC轉換模塊一；11為DC-DC轉換模塊二；12為外部直流總線；13為熱電偶測溫電橋模塊；14為熱電偶；15為測溫電橋；16為電壓信號；17為數位訊號；18為比例控制部分；19為積分控制部分；20為微分控制部分；21為總正弦控制信號；22為正弦信號離散部分；23為PWM化；24為SPWM模擬信號一；25為SPWM模擬信號二；26為H橋電路一；27為H橋電路二。具體實施方式下面結合附圖及實施例對本發明的具體實施方式作進一步的詳細說明：圖1為所發明的高頻脈衝管制冷機的直流驅動及主動溫控系統的示意圖；所發明的高頻脈衝管制冷機直流驅動及主動反饋溫度控制系統包括溫度信號運放模塊1、模擬-數位訊號轉換模塊2、PID控制模塊3、數位訊號處理器3、H橋功率放大模塊6、DC-DC轉換模塊一10、DC-DC轉換模塊二11以及熱電偶測溫電橋模塊13，其特徵在於：外部直流總線12連接H橋功率放大模塊6進行供電，DC-DC轉換模塊一10連接溫度信號運放模塊1和H橋功率放大模塊6進行供電，DC-DC轉換模塊二11連接數字-模擬信號轉換模塊2、數位訊號處理器3以及數字-模擬信號轉換模塊5進行供電；熱電偶測溫電橋模塊13連接至脈衝管制冷機冷端換熱器9，通過設置在脈衝管制冷機冷端換熱器9上的熱電偶14獲取到溫度信號，利用測溫電橋15將熱電偶電阻信號轉化為電壓信號16；電壓信號16傳送至溫度信號運放模塊1，經過溫度信號運放模塊1中的運放電路將電壓信號16進一步轉換為合適大小的模擬電壓信號；此模擬電壓信號輸送至模擬-數位訊號轉換模塊2，利用模擬-數位訊號轉換模塊2的轉換功能將輸入的模擬信號轉換為相對應的數位訊號17；然後數位訊號17被輸送至數位訊號處理器3後同時輸出波形上互補的兩路SPWM信號；上述兩路SPWM信號送至數字-模擬信號轉換模塊5，轉換為相應的SPWM模擬信號一24和SPWM模擬信號二25；SPWM模擬信號一24和SPWM模擬信號二25分別連接至H橋功率放大模塊6中的H橋電路一26和H橋電路二27，在外部直流總線12提供能量的前提下，H橋功率放大模塊6以SPWM模擬信號作為控制信號，改變H橋路上MOSFET管的通斷時間，從而實現SPWM信號的放大輸出；輸出的調製信號能提供高頻脈衝管制冷機直線壓縮機的直線電機一7和直線電機二7′正常的直流線性驅動，且控制信號反映到輸入功的變化，進一步調整脈衝管制冷機冷指8的製冷效果，完成對脈衝管制冷機冷端換熱器9的溫度穩定性的控制；從而共同形成一種高頻脈衝管制冷機的直流驅動與主動溫控系統。所發明的脈衝管制冷機的直流驅動與主動溫控系統的設計方法包括以下步驟：步驟一：設計用於直流電壓轉換的DC-DC轉換模塊一10和DC-DC轉換模塊二11，DC-DC轉換模塊一10連接溫度信號運放模塊1和H橋功率放大模塊6進行供電，DC-DC轉換模塊二11連接數字—模擬信號轉換模塊2、數位訊號處理器3以及數字-模擬信號轉換模塊5進行供電；步驟二：設計用於信號採集與轉換的熱電偶測溫電橋模塊13，該模塊包括熱電偶14以及測溫電橋15，通過設置在脈衝管制冷機冷端換熱器9上的熱電偶14獲取到溫度信號，利用測溫電橋15將熱電偶電阻信號轉化為電壓信號16，測溫電橋15採用四線制接法，消除引線電阻帶來的幹擾；步驟三：設計用於進行信號調整的溫度信號運放模塊1，使用運算放大器構成電壓運算放大電路，將電壓信號16轉換為0～3V大小的模擬電壓信號；步驟四：設計用於信號處理的信號處理模塊，該模塊包括模擬-數位訊號轉換模塊2、數位訊號處理器3以及數字-模擬信號轉換模塊5，數位訊號處理器3是建立在以DSP為硬體基礎，結合相應控制軟體配合實現PID控制及SPWM信號調製功能；模擬-數位訊號轉換模塊2為DSP晶片自帶的AD採樣器，配合AD採樣程序將輸入合適大小的模擬信號轉換為相對應的數位訊號17；輸送數位訊號17至數位訊號處理器3，通過軟體實現PID控制，通過與溫度設定值進行比較，得到誤差信號，將誤差信號同時進行比例部分18、積分部分19、微分部分20的控制，將三部分的控制信號相加形成總正弦控制信號21；總正弦控制信號21被SPWM信號調製軟體調製，首先，通過正弦信號離散部分22將頻率較低的總正弦控制信號21進行離散化，其次，產生的離散化信號被PWM化23，使用PWM(脈寬調製)技術設置相應算法，根據不同離散點在總正弦控制信號上的位置不同，改變正弦信號不同時間點上脈衝波的佔空比，將離散化的正弦信號轉換為頻率較高的SPWM信號，同時輸出波形上互補的兩路SPWM信號；兩路SPWM信號送至數字-模擬信號轉換模塊5轉換為相應的SPWM模擬信號一24和SPWM模擬信號二25；步驟五：設計用於進行控制信號放大的H橋功率放大模塊6，該模塊包括H橋電路一26和H橋電路二27，二者均由兩個NPN型和兩個PNP型MOSFET管構成，且同時接入SPWM模擬信號一24和SPWM模擬信號二25，直線電機一7和直線電機二7′分別接入H橋電路一26和H橋電路二27中；在外部直流總線12提供能量的前提下，根據SPWM模擬信號一24和SPWM模擬信號二25中每個脈衝波不同的佔空比，改變H橋電路上不同類型MOSFET管的通斷及開關時間，實現SPWM信號的放大及電機不同方向的運動；輸出的放大後的SPWM信號能提供高頻脈衝管制冷機線性壓縮機的直線電機一7和直線電機二7′正常的直流線性驅動，且控制信號反映到輸入功的變化，進一步調整脈衝管制冷機冷指8的製冷效果，完成對脈衝管制冷機冷端換熱器9的溫度穩定性的控制。