CN104654651A - 高频脉冲管制冷机的直流驱动与主动温控系统及设计方法 - Google Patents

高频脉冲管制冷机的直流驱动与主动温控系统及设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高频脉冲管制冷机的直流驱动与主动温控系统及其设计方法，该系统主要由DC-DC转换模块一、DC-DC转换模块二、温度信号运放模块、模拟-数字信号转换模块、数字信号处理器、数字-模拟信号转换模块、H桥功率放大模块以及热电偶测温电桥模块组成。通过热电偶测温电桥模块采集制冷机冷端温度，温度信号通过温度运放模块转换为合适电压信号，进一步通过模拟-数字信号转换、PID控制、SPWM信号调制及数字-模拟信号转换一系列信号处理，输出的控制信号能实现脉冲管制冷机在直流电源下的高效驱动，并能对制冷机的冷端温度进行主动反馈控制。本发明对于高频脉冲管制冷机在航天等特殊领域的应用具有非常积极的意义。

Description

高频脉冲管制冷机的直流驱动与主动温控系统及设计方法
技术领域
本发明涉及制冷与低温工程领域和物理电子学领域，特别涉及一种脉冲管制冷机的直流驱动与主动温控系统及设计方法。
背景技术
脉冲管制冷机是回热式低温制冷机的一次重大革新，它取消了广泛应用于常规回热式低温制冷机(如斯特林和G-M制冷机)中的冷端排出器，实现了冷端的低振动、低干扰和无磨损；而经过结构优化和调相方式上的重要改进，在典型温区，其实际效率也已达到回热式低温制冷机的最高值。这些显著优点使得脉冲管制冷机成为近30年来低温制冷机研究的一大热门，在航空航天、低温电子学、超导工业和低温医疗业等方面都获得了广泛的应用。
根据驱动压缩机的不同，又将脉冲管制冷机分为由直线压缩机驱动的高频脉冲管制冷机和由G-M型压缩机驱动的低频脉冲管制冷机两种。航天及军事等领域应用的脉冲管制冷机，因为对重量和体积有着非常严格的限制，一般都采用轻量化高频运转的直线压缩机，压缩机的工作频率通常都在30Hz以上。由直线压缩机驱动的高频脉冲管制冷机由于结构紧凑、重量轻、体积小、效率高、运转可靠、预期寿命长等突出优点，正日益成为新一代航天回热式低温制冷机的更新换代品种。
直线压缩机作为高频脉冲管制冷机的驱动单元，需要通过输入合适的电压产生相应的线性力，脉冲管制冷机才能产生最佳制冷效果。在地面一般应用场合，主要使用交流电源仪器对脉冲管制冷机的输入电压大小、频率进行调整以匹配目标制冷量和制冷温度。而在空间应用环境中，可用的往往只是存储方便的直流电源，因此，航天应用中要求使用直流电源正常高效地驱动脉冲管制冷机，这是脉冲管制冷机在星载应用与地面应用环境中的显著区别之一。
同时，脉冲管制冷机冷却的元器件(例如红外探测器，光学器件等)一般都需要在一个固定的温度点或是很小的温度范围内才能够正常、稳定、高效地工作。这些元器件的性能通常对工作温度的反应非常灵敏，外界的微小干扰往往都会使工作温度产生一定程度的波动，从而对被冷却器件的性能产生影响。因此，在实际应用中，通常需要为脉冲管制冷机配置相应的温度控制系统，以便高精度地对脉冲管制冷机冷端的温度和冷量进行调控。由于脉冲管制冷机系统是一个复杂的机械-热力系统，输入功的变化反映到制冷温度或制冷量的改变存在时间延滞，而且航天应用环境也排除了手动调节的可能性，在这种情况下，就需要对该直流驱动系统设置自动的精确控制功能，以便根据设定的制冷温度或冷量自动地对输入电压大小和频率进行灵活调整。因此，在有着高精度温度控制要求的应用中(特别是航天应用环境)，还要求为脉冲管制冷机配备主动温控系统，以便于脉冲管制冷机能够长期稳定可靠地运行。
综上所述，在面向航天星载环境的高频脉冲管制冷机的研究和应用中，其直流驱动与主动温控便成为了两项重要的研究需求。近年来，中国高频脉冲管制冷技术也获得了长足进步，并已开始向空间实用化发展，这对其直流下的驱动与主动控制系统的研究都提出了非常迫切的需求，但相关技术的发展在国内才刚刚起步。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明提出一种高频脉冲管制冷机的直流驱动与主动温控系统及其设计方法。
本发明的目的在于，提供了一种脉冲管制冷机直流驱动及主动反馈温度控制系统以及其设计方法。首先，实现直流电源下对脉冲管制冷机用的直线压缩机的正常线性驱动；其次，通过对脉冲管制冷机冷指的温度反馈实现对冷指温度的主动温度控制。从而满足高频脉冲管制冷机在必须采用直流驱动且要求稳定温度控制的特殊环境下的应用需求。
所发明的高频脉冲管制冷机直流驱动及主动反馈温度控制系统包括温度信号运放模块1、模拟-数字信号转换模块2、数字信号处理器3、数字-模拟信号转换模块5、H桥功率放大模块6、DC-DC转换模块一10、DC-DC转换模块二11以及热电偶测温电桥模块13，其特征在于：
外部直流总线12连接H桥功率放大模块6进行供电，DC-DC转换模块一10连接温度信号运放模块1和H桥功率放大模块6进行供电，DC-DC转换模块二11连接数字-模拟信号转换模块2、数字信号处理器3以及数字-模拟信号转换模块5进行供电；热电偶测温电桥模块13连接至脉冲管制冷机冷端换热器9，通过设置在脉冲管制冷机冷端换热器9上的热电偶14获取到温度信号，利用测温电桥15将热电偶电阻信号转化为电压信号16；电压信号16传送至温度信号运放模块1，经过温度信号运放模块1中的运放电路将电压信号16进一步转换为合适大小的模拟电压信号；此模拟电压信号输送至模拟-数字信号转换模块2，利用模拟-数字信号转换模块2的转换功能将输入的模拟信号转换为相对应的数字信号17；然后数字信号17被输送至数字信号处理器3后同时输出波形上互补的两路SPWM信号；上述两路SPWM信号送至数字-模拟信号转换模块5，转换为相应的SPWM模拟信号一24和SPWM模拟信号二25；SPWM模拟信号一24和SPWM模拟信号二25分别连接至H桥功率放大模块6中的H桥电路一26和H桥电路二27，在外部直流总线12提供能量的前提下，H桥功率放大模块6以模拟SPWM信号作为控制信号，改变H桥路上MOSFET管的通断时间，从而实现SPWM信号的放大输出；输出的调制信号能提供高频脉冲管制冷机直线压缩机的直线电机一7和直线电机二7′正常的直流线性驱动，且控制信号反映到输入功的变化，进一步调整脉冲管制冷机冷指8的制冷效果，完成对脉冲管制冷机冷端换热器9的温度稳定性的控制；从而共同形成一种高频脉冲管制冷机的直流驱动与主动温控系统。
下面结合附图对所发明的脉冲管制冷机的直流驱动与主动温控系统的设计方法进行详细介绍，其中图1为所发明的高频脉冲管制冷机的直流驱动及主动温控系统的示意图；图2为温度信号运放模块的示意图；图3为PID控制过程的示意图；图4为SPWM信号调制过程以及数-模转换模块的示意图；图5为H桥功率放大模块的连接示意图。该设计方法包括以下步骤：
步骤一：设计用于直流电压转换的DC-DC转换模块一10和DC-DC转换模块二11，DC-DC转换模块一10连接温度信号运放模块1和H桥功率放大模块6进行供电，DC-DC转换模块二11连接数字—模拟信号转换模块2、数字信号处理器3以及数字-模拟信号转换模块5进行供电；
步骤二：设计用于信号采集与转换的热电偶测温电桥模块13，该模块包括热电偶14以及测温电桥15，通过设置在脉冲管制冷机冷端换热器9上的热电偶14获取到温度信号，利用测温电桥15将热电偶电阻信号转化为电压信号16，测温电桥15采用四线制接法，消除引线电阻带来的干扰；
步骤三：设计用于进行信号调整的温度信号运放模块1，使用运算放大器构成电压运算放大电路，将电压信号16转换为0～3V大小的模拟电压信号；
步骤四：设计用于信号处理的信号处理模块，该模块包括模拟-数字信号转换模块2、数字信号处理器3以及数字-模拟信号转换模块5，数字信号处理器3是建立在以DSP为硬件基础，结合相应控制软件配合实现PID控制及SPWM信号调制功能；模拟-数字信号转换模块2为DSP芯片自带的AD采样器，配合AD采样程序将输入合适大小的模拟信号转换为相对应的数字信号17；输送数字信号17至数字信号处理器3，PID控制模块是通过控制软件实现的数字PID，通过与温度设定值进行比较，得到误差信号，将误差信号同时进行比例部分18、积分部分19、微分部分20的控制，将三部分的控制信号相加形成总正弦控制信号21；总正弦控制信号21被SPWM信号调制软件调制，首先，通过正弦信号离散部分22将频率较低的总正弦控制信号21进行离散化，其次，产生的离散化信号被PWM化23，使用PWM(脉宽调制)技术设置相应算法，根据不同离散点在总正弦控制信号上的位置不同，改变正弦信号不同时间点上脉冲波的占空比，将离散化的正弦信号转换为频率较高的SPWM信号，同时输出波形上互补的两路SPWM信号；两路SPWM信号送至数字-模拟信号转换模块5转换为相应的SPWM模拟信号一24和SPWM模拟信号二25；
步骤五：设计用于进行控制信号放大的H桥功率放大模块6，该模块包括H桥电路一26和H桥电路二27，二者均由两个NPN型和两个PNP型MOSFET管构成，且同时接入SPWM模拟信号一24和SPWM模拟信号二25，直线电机一7和直线电机二7′分别接入H桥电路一26和H桥电路二27中；在外部直流总线12提供能量的前提下，根据SPWM模拟信号一24和SPWM模拟信号二25中每个脉冲波不同的占空比，改变H桥电路上不同类型MOSFET管的通断及开关时间，实现SPWM信号的放大及电机不同方向的运动；输出的放大后的SPWM信号能提供高频脉冲管制冷机线性压缩机的直线电机一7和直线电机二7′正常的直流线性驱动，且控制信号反映到输入功的变化，进一步调整脉冲管制冷机冷指8的制冷效果，完成对脉冲管制冷机冷端换热器9的温度稳定性的控制。
本发明的优点在于：
1)在直流电源下，所设计的电子系统不仅能够提供高频脉冲管制冷机的线性驱动，并且能够通过主动温度反馈控制脉冲管制冷机冷端的温度；
2)基于DSP芯片的高时钟频率，利用PWM技术对线性压缩机所需的正弦电压进行调制，实现直流下的能量高效转换，利用PID控制方法能够对脉冲管制冷机冷端换热器的温度进行快速、稳定的调控；
3)利用低阻抗的MOSFET管，H桥电路可以高效的将直流电源输出的功率传输给线性压缩机的两个直线电机。
上述优点将在实现高频脉冲管制冷机的直流驱动和主动温度控制的基础上，大幅度提高系统的能量利用效率和控制的稳定性，对高频脉冲管制冷机在必须采用直流驱动且要求稳定温度控制的特殊应用环境(如航天星载应用环境)方面的实用化等方面具有非常积极的意义。
附图说明
图1为所发明的高频脉冲管制冷机的直流驱动及主动温控系统的示意图；
图2为温度信号运放模块1的示意图；
图3为PID控制过程的示意图；
图4为SPWM信号调制过程的示意图；
图5为H桥功率放大模块6的连接示意图。
其中：1 为温度信号运放模块；2 为模拟-数字信号转换模块；3 为数字信号处理器；5 为数字-模拟信号转换模块；6 为H桥功率放大模块；7 为直线电机一；7′ 为直线电机二；8 为脉冲管制冷机冷指；9 为脉冲管制冷机冷端换热器；10 为DC-DC转换模块一；11 为DC-DC转换模块二；12 为外部直流总线；13为热电偶测温电桥模块；14 为热电偶；15 为测温电桥；16 为电压信号；17 为数字信号；18 为比例控制部分；19 为积分控制部分；20为微分控制部分；21为总正弦控制信号；22 为正弦信号离散部分；23 为PWM化；24 为SPWM模拟信号一；25 为SPWM模拟信号二；26 为H桥电路一；27 为H桥电路二。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：
图1为所发明的高频脉冲管制冷机的直流驱动及主动温控系统的示意图；
所发明的高频脉冲管制冷机直流驱动及主动反馈温度控制系统包括温度信号运放模块1、模拟-数字信号转换模块2、PID控制模块3、数字信号处理器3、H桥功率放大模块6、DC-DC转换模块一10、DC-DC转换模块二11以及热电偶测温电桥模块13，其特征在于：
外部直流总线12连接H桥功率放大模块6进行供电，DC-DC转换模块一10连接温度信号运放模块1和H桥功率放大模块6进行供电，DC-DC转换模块二11连接数字-模拟信号转换模块2、数字信号处理器3以及数字-模拟信号转换模块5进行供电；热电偶测温电桥模块13连接至脉冲管制冷机冷端换热器9，通过设置在脉冲管制冷机冷端换热器9上的热电偶14获取到温度信号，利用测温电桥15将热电偶电阻信号转化为电压信号16；电压信号16传送至温度信号运放模块1，经过温度信号运放模块1中的运放电路将电压信号16进一步转换为合适大小的模拟电压信号；此模拟电压信号输送至模拟-数字信号转换模块2，利用模拟-数字信号转换模块2的转换功能将输入的模拟信号转换为相对应的数字信号17；然后数字信号17被输送至数字信号处理器3后同时输出波形上互补的两路SPWM信号；上述两路SPWM信号送至数字-模拟信号转换模块5，转换为相应的SPWM模拟信号一24和SPWM模拟信号二25；SPWM模拟信号一24和SPWM模拟信号二25分别连接至H桥功率放大模块6中的H桥电路一26和H桥电路二27，在外部直流总线12提供能量的前提下，H桥功率放大模块6以SPWM模拟信号作为控制信号，改变H桥路上MOSFET管的通断时间，从而实现SPWM信号的放大输出；输出的调制信号能提供高频脉冲管制冷机直线压缩机的直线电机一7和直线电机二7′正常的直流线性驱动，且控制信号反映到输入功的变化，进一步调整脉冲管制冷机冷指8的制冷效果，完成对脉冲管制冷机冷端换热器9的温度稳定性的控制；从而共同形成一种高频脉冲管制冷机的直流驱动与主动温控系统。
所发明的脉冲管制冷机的直流驱动与主动温控系统的设计方法包括以下步骤：
步骤一：设计用于直流电压转换的DC-DC转换模块一10和DC-DC转换模块二11，DC-DC转换模块一10连接温度信号运放模块1和H桥功率放大模块6进行供电，DC-DC转换模块二11连接数字—模拟信号转换模块2、数字信号处理器3以及数字-模拟信号转换模块5进行供电；
步骤二：设计用于信号采集与转换的热电偶测温电桥模块13，该模块包括热电偶14以及测温电桥15，通过设置在脉冲管制冷机冷端换热器9上的热电偶14获取到温度信号，利用测温电桥15将热电偶电阻信号转化为电压信号16，测温电桥15采用四线制接法，消除引线电阻带来的干扰；
步骤三：设计用于进行信号调整的温度信号运放模块1，使用运算放大器构成电压运算放大电路，将电压信号16转换为0～3V大小的模拟电压信号；
步骤四：设计用于信号处理的信号处理模块，该模块包括模拟-数字信号转换模块2、数字信号处理器3以及数字-模拟信号转换模块5，数字信号处理器3是建立在以DSP为硬件基础，结合相应控制软件配合实现PID控制及SPWM信号调制功能；模拟-数字信号转换模块2为DSP芯片自带的AD采样器，配合AD采样程序将输入合适大小的模拟信号转换为相对应的数字信号17；输送数字信号17至数字信号处理器3，通过软件实现PID控制，通过与温度设定值进行比较，得到误差信号，将误差信号同时进行比例部分18、积分部分19、微分部分20的控制，将三部分的控制信号相加形成总正弦控制信号21；总正弦控制信号21被SPWM信号调制软件调制，首先，通过正弦信号离散部分22将频率较低的总正弦控制信号21进行离散化，其次，产生的离散化信号被PWM化23，使用PWM(脉宽调制)技术设置相应算法，根据不同离散点在总正弦控制信号上的位置不同，改变正弦信号不同时间点上脉冲波的占空比，将离散化的正弦信号转换为频率较高的SPWM信号，同时输出波形上互补的两路SPWM信号；两路SPWM信号送至数字-模拟信号转换模块5转换为相应的SPWM模拟信号一24和SPWM模拟信号二25；
步骤五：设计用于进行控制信号放大的H桥功率放大模块6，该模块包括H桥电路一26和H桥电路二27，二者均由两个NPN型和两个PNP型MOSFET管构成，且同时接入SPWM模拟信号一24和SPWM模拟信号二25，直线电机一7和直线电机二7′分别接入H桥电路一26和H桥电路二27中；在外部直流总线12提供能量的前提下，根据SPWM模拟信号一24和SPWM模拟信号二25中每个脉冲波不同的占空比，改变H桥电路上不同类型MOSFET管的通断及开关时间，实现SPWM信号的放大及电机不同方向的运动；输出的放大后的SPWM信号能提供高频脉冲管制冷机线性压缩机的直线电机一7和直线电机二7′正常的直流线性驱动，且控制信号反映到输入功的变化，进一步调整脉冲管制冷机冷指8的制冷效果，完成对脉冲管制冷机冷端换热器9的温度稳定性的控制。

Claims (2)

1.一种高频脉冲管制冷机的直流驱动与主动温控系统，它包括温度信号运放模块(1)、模拟-数字信号转换模块(2)、数字信号处理器(3)、数字-模拟信号转换模块(5)、H桥功率放大模块(6)、DC-DC转换模块一(10)、DC-DC转换模块二(11)以及热电偶测温电桥模块(13)，其特征在于：
所述的外部直流总线(12)连接H桥功率放大模块(6)进行供电，DC-DC转换模块一(10)连接温度信号运放模块(1)和H桥功率放大模块(6)进行供电，DC-DC转换模块二(11)连接数字-模拟信号转换模块(2)、数字信号处理器(3)以及数字-模拟信号转换模块(5)进行供电；热电偶测温电桥模块(13)连接至脉冲管制冷机冷端换热器(9)，通过设置在脉冲管制冷机冷端换热器(9)上的热电偶(14)获取到温度信号，利用测温电桥(15)将热电偶电阻信号转化为电压信号(16)；电压信号(16)传送至温度信号运放模块(1)，经过温度信号运放模块(1)中的运放电路将电压信号(16)进一步转换为合适大小的模拟电压信号；此模拟电压信号输送至模拟-数字信号转换模块(2)，利用模拟-数字信号转换模块(2)的转换功能将输入的模拟信号转换为相对应的数字信号(17)；然后数字信号(17)被输送至数字信号处理器(3)后同时输出波形上互补的两路SPWM信号；上述两路SPWM信号送至数字-模拟信号转换模块(5)，转换为相应的SPWM模拟信号一(24)和SPWM模拟信号二(25)；SPWM模拟信号一(24)和SPWM模拟信号二(25)分别连接至H桥功率放大模块(6)中的H桥电路一(26)和H桥电路二(27)，在外部直流总线(12)提供能量的前提下，H桥功率放大模块(6)以SPWM模拟信号作为控制信号，改变H桥电路一(26)和H桥电路二(27)上MOSFET管的通断时间，从而实现SPWM模拟信号一(24)和模拟信号二(25)的放大输出；输出的调制信号能提供高频脉冲管制冷机直线压缩机的直线电机一(7)和直线电机二(7′)正常的直流线性驱动，且控制信号反映到输入功的变化，进一步调整脉冲管制冷机冷指(8)的制冷效果，完成对脉冲管制冷机冷端换热器(9)的温度稳定性的控制；从而共同形成一种高频脉冲管制冷机的直流驱动与主动温控系统。
2.一种设计如权利要求1所述的高频脉冲管制冷机的直流驱动与主动温控系统的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：
步骤一：设计用于直流电压转换的DC-DC转换模块一(10)和DC-DC转换模块二(11)，DC-DC转换模块一(10)连接温度信号运放模块(1)和H桥功率放大模块(6)进行供电，DC-DC转换模块二(11)连接数字-模拟信号转换模块(2)、数字信号处理器(3)以及数字-模拟信号转换模块(5)进行供电；
步骤二：设计用于信号采集与转换的热电偶测温电桥模块(13)，该模块包括热电偶(14)以及测温电桥(15)，通过设置在脉冲管制冷机冷端换热器(9)上的热电偶(14)获取到温度信号，利用测温电桥(15)将热电偶电阻信号转化为电压信号(16)，测温电桥(15)采用四线制接法，消除引线电阻带来的干扰；
步骤三：设计用于进行信号调整的温度信号运放模块(1)，使用运算放大器构成电压运算放大电路，将电压信号(16)转换为0～3V大小的模拟电压信号；
步骤四：设计用于信号处理的信号处理模块，该模块包括模拟-数字信号转换模块(2)、数字信号处理器(3)以及数字-模拟信号转换模块(5)，数字信号处理器(3)是建立在以DSP为硬件基础，结合相应控制软件配合实现PID控制及SPWM信号调制功能；模拟-数字信号转换模块(2)为DSP芯片自带的AD采样器，配合AD采样程序将输入的0～3V大小模拟信号转换为相对应的数字信号(17)；输送数字信号(17)至数字信号处理(3)，通过软件实现PID控制，通过与温度设定值进行比较，得到误差信号，将误差信号同时进行比例部分(18)、积分部分(19)、微分部分(20)的控制，将三部分的控制信号相加形成总正弦控制信号(21)；总正弦控制信号(21)被SPWM信号调制软件调制，首先，通过正弦信号离散部分(22)将频率较低的总正弦控制信号(21)进行离散化，其次，产生的离散化信号被PWM化(23)，使用PWM(脉宽调制)技术设置相应算法，根据不同离散点在总正弦控制信号上的位置不同，改变正弦信号不同时间点上脉冲波的占空比，将离散化的正弦信号转换为频率较高的SPWM信号，同时输出波形上互补的两路SPWM信号；两路SPWM信号送至数字-模拟信号转换模块(5)转换为相应的SPWM模拟信号一(24)和SPWM模拟信号二(25)；
步骤五：设计用于进行控制信号放大的H桥功率放大模块(6)，该模块包括H桥电路一(26)和H桥电路二(27)，二者均由两个NPN型和两个PNP型MOSFET管构成，且同时接入SPWM模拟信号一(24)和SPWM模拟信号二(25)，直线电机一(7)和直线电机二(7′)分别接入H桥电路一(26)和H桥电路二(27)中；在外部直流总线(12)提供能量的前提下，根据SPWM模拟信号一(24)和SPWM模拟信号二(25)中不同时间点上的占空比，改变H桥电路一(26)和H桥电路二(27)上MOSFET管的通断时间，从而实现SPWM模拟信号一(24)和模拟信号二(25)的放大输出及电机不同方向的运动；输出的放大后的SPWM信号能提供高频脉冲管制冷机线性压缩机的直线电机一(7)和直线电机二(7′)正常的直流线性驱动，且控制信号反映到输入功的变化，进一步调整脉冲管制冷机冷指(8)的制冷效果，完成对脉冲管制冷机冷端换热器(9)的温度稳定性的控制。
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