CN105045308B

CN105045308B - 一种应用于空间环境的半导体制冷器闭环控制方法

Info

Publication number: CN105045308B
Application number: CN201510492965.1A
Authority: CN
Inventors: 崔辰鹏; 刘雪峰; 宋莉; 王淳; 张超; 赵丽婷; 郝中洋; 康晓军
Original assignee: Beijing Institute of Space Research Mechanical and Electricity
Current assignee: Beijing Institute of Space Research Mechanical and Electricity
Priority date: 2015-08-12
Filing date: 2015-08-12
Publication date: 2018-06-01
Anticipated expiration: 2035-08-12
Also published as: CN105045308A

Abstract

本发明涉及一种应用于空间环境的半导体制冷器闭环控制方法，属于航天光学遥感器技术领域。使用桥式串联电路采集探测器焦面的当前温度V1；探测器焦面的当前测量温度的表征参数V1与目标温度的表征参数V2经过运算放大器求差放大后送到PID控制电路，得到控制电压；经PID控制电路输出的控制电压送到驱动电路，驱动电路通过控制通过半导体制冷器的电流来给探测器焦面制冷。本发明的闭环控制电路通过采用桥式串联电阻的方法来测量探测器焦面的温度，选取电阻值在控温点处，分压电压对温度引起的热敏电阻的阻值变化的反应最灵敏，减小了测量误差，实现了高精度测量，进而实现高精度控制。

Description

一种应用于空间环境的半导体制冷器闭环控制方法

技术领域

本发明涉及一种应用于空间环境的半导体制冷器闭环控制方法，属于航天光学遥感器技术领域。

背景技术

随着航天光学遥感器技术的迅速发展，对光学遥感器的探测波长的需求也越来越多样，为了使用不同波长实现对观测目标的观测，减少观测条件的限制，多采用长波长的探测器实现对目标的观测。探测器的信噪比受温度的影响非常敏感，为提高长波观测探测器的成像质量，减少噪声，提高信噪比，需要对探测器进行制冷控制。根据探测器的选型，探测器目标控温点为-65℃，温度控制精度在0.8％以内。另外由于航天应用要求制冷器具有体积小，质量轻，寿命长，可靠性高的特点，选用半导体材料制冷，半导体制冷利用热电效应实现制冷的目的，具有小型化、无噪声，不需要使用制冷剂且使用寿命长，已经广泛应用于小空间小冷量的空间制冷领域。半导体制冷器，是一种通过电能直接实现热能传递控制的半导体组件，其利用波尔帖效应：当直流电通过一对不同金属或半导体时，会在它们的连接点产生吸热(冷端)或放热(热端)现象，从而实现对控温点的温度控制。

目前半导体制冷的控制方式多为数字式控制。主要使用数字控制芯片配合温度测试电路、功率驱动电路，通过反馈的温度量，经数字处理算法后输出脉宽调制波，控制功率驱动芯片的通断，实现对半导体制冷器的控制。系统设计复杂、体积大、成本高、且存在高次谐波，对探测器电路有影响。

发明内容

本发明针对以往的使用的开环制冷器制冷精度低、鲁棒性差以及可靠性低等的特点，针对特定空间应用环境，采用运算放大器、电阻和电容组建的模拟电路实现温度的闭环调节控制，通过对热敏电阻串联一个电阻，改变其两端电压和温度的关系来测得探测器的当前温度值，将其与目标温度值进行比较，将产生的偏差量作为输入送给PID控制器，PID控制器计算出的控制量再经过驱动电路来控制驱动电流，以实现对探测器焦面温度的闭环控制。相比较开环控制，温度稳定性好，能够实现精确控温。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种应用于空间环境的半导体制冷器闭环控制方法，步骤为：

步骤1，使用桥式串联电路测量探测器焦面的当前温度表征参数V1；

步骤2，探测器焦面的当前温度的表征参数V1与探测器焦面的目标温度的表征参数V2经过运算放大器求差放大后送到PID控制电路，得到控制电压；

步骤3，经PID控制电路输出的控制电压送到驱动电路，驱动电路通过控制通过半导体制冷器的电流来给探测器焦面制冷；

重复步骤1-3，直至探测器焦面温度到达目标温度；

所述的桥式串联电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻Rf、热敏电阻Rt和运算放大器U1；

Rt的一端接地并和R3的一端相连，Rt的另一端和R1的一端相连并连至U的正端，R1的另一端连至电源正Vref并和R2的一端相连，R2的另一端和R3的另一端相连并连至U的负端，Rf的一端连至U的负端，另一端连至U的输出端；R1的阻值与R2的阻值相等，R3的阻值与Rf的阻值相等。

所述的PID控制电路包括R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电容C1、电容C2、电容C3和运算放大器U2；

C1的一端连至R5的一端并连至U1的输出端，C1的另一端和R4的一端相连，R4的另一端和R5的另一端相连并连至U2的输入正端，U2的输入负端和地相连，U2的输入正端同时连至R7、C3、R6的一端，R6的另一端连至C2的一端，C2的另一端和C3、R7的另一端相连并连至U2的输出端作为驱动电路的控制电压Vcontrol；R4的阻值与R5的阻值相等，C2与C3的容值相等。

所述的驱动电路包括电流采样电阻R8、运算放大器U3和U4、半导体制冷器T、功率达林顿管Q；

PID控制电路输出的控制电压Vcontrol连至U3的输入负端，U4的输入正端连至采样电阻R8的一端，U4的输入负端连至采样电阻R8的另一端并连至电源地，U4的输出端接至U3的输入正端，U3的输出端接至功率达林顿管Q的B端，Q的E端接至U4的输入正端，Q的C端接至半导体制冷器T的负端，T的正端接至功率电Vp的正端。

有益效果

(1)本发明的闭环控制方法通过采用桥式串联电阻的方法来测量探测器焦面的温度，选取电阻值在控温点处，分压电压对温度引起的热敏电阻的阻值变化的反应最灵敏，减小了测量误差，实现了高精度测量，进而实现高精度控制。

(2)本发明的闭环控制方法通过使用运算放大器、电阻以及电容组建一个PID控制器，对探测器与目标温度之间的偏差量进行补偿，通过控制流过半导体制冷控制器的电流大小实现焦面温度的低温控制，进而实现焦面温度自动调节的闭环控制电路。

(3)本发明的方法采用运算放大器和电阻、电容这些分立器件实现，相比采用数字控制芯片实现半导体制冷器的闭环控制，抗单粒子、电子辐射、抗辐射等性能较好，因此可靠性更高。同时运算放大器和电阻、电容相比数字控制芯片成本较低。

(4)本发明的闭环控制方法中半导体制冷器的制冷效果直接受控于通过直流电的大小，因此只要保证加在制冷器两端的电流保持一定就可以保证制冷效果的稳定。

(5)本发明采用电流闭环控制方法实现半导体制冷器的恒流控制，能够避免制冷器特性及电路功率元件特性由于温度等飘移引起的差异造成输出控制的变化，实现高稳定性的闭环温度控制。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为桥式串联电路组成示意图；

图3为PID控制器组成示意图；

图4为驱动电路组成示意图。

具体实施方式

一种应用于空间环境的半导体制冷器闭环控制方法，步骤为：

步骤1，使用桥式串联电路测量探测器焦面的当前温度的表征参数V1；

所述的桥式串联电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻Rf、热敏电阻Rt和运算放大器U1；R1的阻值与R2的阻值相等，R3的阻值与Rf的阻值相等；连接关系如下：

Rt的一端接地并和R3的一端相连，Rt的另一端和R1的一端相连并连至U1的正端，R1的另一端连至电源正Vref并和R2的一端相连，R2的另一端和R3的另一端相连并连至U1的负端，Rf的一端连至U1的负端，另一端连至U1的输出端；

Rt两端的电压V1表征的为探测器的焦面温度；

R3两端的电压V2表征的为探测器的焦面目标温度；

温度传感器是集成在探测器组件里的热敏电阻；热敏电阻的阻值和温度相关，通过测量热敏电阻的阻值变化就可以得到探测器焦面的温度变化，其中，热敏电阻的阻值和探测器焦面的温度关系表达式为：

其中R_T为热敏电阻的阻值，单位为Ω，R_T0为基准温度下热敏电阻的阻值12kΩ，基准温度为-30℃，A、B、C、D为常数，A＝-11.9316669764028，B＝2711.95609218539，C＝149375.626003661，D＝-25133116.9680607，e为科学常数，T为探测器焦面的温度，单位为℃；

由于热敏电阻的阻值和温度呈非线性关系，不能通过热敏电阻的阻值或电压值立即反演出温度值，因此，我们通过对热敏电阻串联一个特定阻值电阻，改变其两端电压和温度的关系，使电压和温度变成一条有拐点的曲线，在拐点附近，电压和温度呈线性关系，从而通过电压值直接反演出温度值。通过电桥将温度信号转为相应的电压信号，传给PID控制器。串联电阻R₁的选择原则应满足：在控温点处，分压电压V₁对温度引起的热敏电阻T阻值变化的反应最灵敏，即在控温点处热敏电阻T阻值变化引起的ΔV₁最大。由于则令V1”＝0，求取R₁的值。选取R₂＝R₁，R₃的值与目标温度下R_t的值一致。

步骤2，探测器焦面的当前温度的表征参数V1与目标温度的表征参数V2经过运算放大器U求差放大后送到PID控制电路，得到控制电压；该PID控制电路包括电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电容C1、电容C2、电容C3和运算放大器U2；R4的阻值与R5的阻值相等，C2与C3的容值相等；连接关系如下：

C1的一端连至R5的一端并连至U1的输出端，C1的另一端和R4的一端相连，R4的另一端和R5的另一端相连并连至U2的输入正端，U2的输入负端和地相连，U2的输入正端同时连至R7、C3、R6的一端，R6的另一端连至C2的一端，C2的另一端和C3、R7的另一端相连并连至U2的输出端作为驱动电路的控制电压Vcontrol；

PID控制电路对应的各个阻容参数的选取通过对半导体制冷器制冷进行精确建模，进而计算出PID控制器的各个参数来选取各个阻容值，最后在实际的半导体制冷器制冷特性调试中对各个阻容值进行微调；

步骤3，经PID控制电路输出的控制电压送到驱动电路，驱动电路通过控制通过半导体制冷器的电流来给探测器焦面制冷。

驱动电路包括电流采样电阻R8、运算放大器U3和U4、半导体制冷器T、功率达林顿管Q；连接关系如下：

利用达林顿管工作在放大区电流受基极电流控制呈现恒流特性，可以通过控制流过功率达林顿管基极的电流的大小实现对负载电流的控制。

半导体制冷器利用波尔帖效应实现制冷目的。探测器和半导体制冷器的冷端封装在一起，并封装有表征温度的测温电阻。控制系统采集测温电阻在不同温度下的阻值不同来测量温度，并和设定的制冷目标值进行比较，产生的偏差量作为输入送给比例积分环节控制器。经过比例积分运算的控制量，结合采集驱动环路的电流值形成恒流源控制电路，通过控制流过功率达林顿管基极的电流大小，控制驱动电流，达到控制温度的目的。控制系统设计合理，体积小，可靠性高，温度控制精度高且稳定性好，适合航天产品对制冷控制系统的小型化、高稳定性、高可靠性和长使用寿命的要求。目前已成功在某航天型号任务中使用。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明文字能够据以实施。

实施例

一种应用于空间环境的半导体制冷器闭环控制方法，该方法流程图如图1所示，该方法的步骤为：

步骤1，使用桥式串联电路采集探测器焦面的当前温度表征参数V1＝1.875V，目标温度为-65℃，根据热敏电阻的阻值和探测器焦面的温度关系表达式可知，目标温度的表征参数V2＝2.5V；当前温度表征参数V1对应的探测器焦面的温度T0＝-30℃；

如图2所示，所述的桥式串联电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻Rf、热敏电阻Rt和运算放大器U；R1的阻值与R2的阻值相等，R3的阻值与Rf的阻值相等；连接关系如下：

Rt的一端接地并和R3的一端相连，Rt的另一端和R1的一端相连并连至U的正端，R1的另一端连至电源正Vref并和R2的一端相连，R2的另一端和R3的另一端相连并连至U的负端，Rf的一端连至U的负端，另一端连至U的输出端；

Rt两端的电压V1表征的为探测器的焦面温度；

R3两端的电压V2表征的为目标温度；

所述的Vref＝5V，R1＝R2＝R3＝Rf＝20kΩ，V2＝2.5V，V1＝1.875V，经过运算放大器U1的放大后输出的△V为1.25V；

步骤2，将步骤1中的△V＝1.25V送到PID控制电路，得到控制电压；如图3所示，该PID控制电路包括电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电容C1、电容C2、电容C3和运算放大器U2；R4的阻值与R5的阻值相等，C2与C3的容值相等；连接关系如下：

所述的Vpp＝15V，R4＝R5＝100kΩ，C1＝1uf，R7＝2.7kΩ，R6＝1kΩ，C2＝C3＝0.1uf；经计算后得到的驱动电压Vcontrol为2.9V；

步骤3，经PID控制电路输出的控制电压送到驱动电路，如图4所示，驱动电路包括电流采样电阻R8、运算放大器U3和U4、半导体制冷器T、功率达林顿管Q；连接关系如下：

所述的Vp＝3.3V，R8＝0.1Ω；通过驱动电路得到通过半导体制冷器的电流为1.2A，来给探测器焦面制冷；

步骤4，通过桥式串联电路采集探测器焦面当前温度表征参数下的温度为-60℃；重复步骤1-3，令T0＝-60℃，直至通过桥式串联电路采集探测器焦面当前温度表征参数下的温度为-65℃。

Claims

1.一种应用于空间环境的半导体制冷器闭环控制方法，其特征在于该方法的步骤为：

步骤4，重复步骤1-3，直至探测器焦面温度到达目标温度；

Rt的一端接地并和R3的一端相连，Rt的另一端和R1的一端相连并连至U1的正端，R1的另一端连至电源正Vref并和R2的一端相连，R2的另一端和R3的另一端相连并连至U1的负端，Rf的一端连至U1的负端，另一端连至U1的输出端；R1的阻值与R2的阻值相等，R3的阻值与Rf的阻值相等；

Rt两端的电压V1表征的为探测器的焦面温度；

R3两端的电压V2表征的为探测器的焦面目标温度；

C1的一端连至R5的一端并连至U1的输出端，C1的另一端和R4的一端相连，R4的另一端和R5的另一端相连并连至U2的输入正端，U2的输入负端和地相连，U2的输入正端同时连至R7、C3、R6的一端，R6的另一端连至C2的一端，C2的另一端和C3、R7的另一端相连并连至U2的输出端作为驱动电路的控制电压Vcontrol；R4的阻值与R5的阻值相等，C2与C3的容值相等；

PID控制电路输出的控制电压Vcontrol连至U3的输入负端，U4的输入正端连至采样电阻R8的一端，U4的输入负端连至采样电阻R8的另一端并连至电源地，U4的输出端接至U3的输入正端，U3的输出端接至功率达林顿管Q的B端，Q的E端接至U4的输入正端，Q的C端接至半导体制冷器T的负端，T的正端接至功率电Vp的正端；

R1＝R2＝R3＝Rf＝20kΩ；

R8＝0.1Ω。

2.根据权利要求1所述的一种应用于空间环境的半导体制冷器闭环控制方法，其特征在于：R4＝R5＝100kΩ，R7＝2.7kΩ，R6＝1kΩ。

3.根据权利要求1或2所述的一种应用于空间环境的半导体制冷器闭环控制方法，其特征在于：C1＝1uf，C2＝C3＝0.1uf。