CN105466064A - 一种通用的分置式线性斯特林制冷机驱动方法及驱动电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通用的分置式线性斯特林制冷机驱动方法及驱动电路，本发明通过数字信号处理DSP芯片来采集温度二极管的温度，根据该温度确定相应的控制信号，并通过所述控制信号控制所述制冷机进行制冷，实测证明，本发明的控温精度比现有的模拟电路驱动提高一个数量级，并且本发明的高低温适应性优异，在环境温度为-40℃至+71℃范围内，设定点变化在±2.0mV以内，在稳态条件下，短期1s间隔内，控温点波动<0.05mV，长期10分钟间隔内，控温点波动<0.15mV。
Description
技术领域
本发明涉及制冷机技术领域，尤其涉及一种通用的分置式线性斯特林制冷机驱动方法及驱动电路。
背景技术
红外探测器所采用的红外感光器件对工作温度非常敏感，红外探测器经低温冷却后，响应时间缩短、灵敏度提高、响应波长展宽、受限背景噪声减小，红外成像效果得到大幅度提升。制冷机的工作性能直接制约着制冷型红外探测器的成像效果。随着红外技术的飞速发展，高分辨率、大视场、大面阵红外探测器件逐渐成为主流，红外探测器也更多的应用在便携设备及航空航天领域。当前的制冷机控制器多采用模拟控制方式，而模拟电路比较复杂，易于引入各种串扰信号，影响控温精度。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种通用的分置式线性斯特林制冷机驱动方法及驱动电路，用以解决现有技术中制冷机的驱动电路控制不准确的问题。
为解决上述问题，本发明主要是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种通用的分置式线性斯特林制冷机驱动电路，该驱动电路包括：数字信号处理DSP芯片与测温二极管连接，所述测温二极管与制冷机连接；
所述数字信号处理DSP芯片通过测温二极管实时采集制冷机的温度，根据所述温度计算得到控制信号，并通过所述控制信号控制所述制冷机进行制冷。
优选地，所述数字信号处理DSP芯片包括：采集模块和处理模块；
所述采集模块，用于通过测温二极管实时采集制冷机的温度；
所述处理模块，用于根据所述温度计算得到控制信号，并通过所述控制信号控制所述制冷机进行制冷。
优选地，所述采集模块具体用于，向所述测温二极管输入电流，并得到所述测温二极管的反馈电压，将所述反馈电压发送给所述处理模块；
所述处理模块具体用于，根据所述反馈电压计算得到所述控制信号，并通过所述控制信号控制所述制冷机进行制冷。
优选地，所述处理模块具体用于，将所述反馈电压通过运算放大器进行放大，并将放大后的反馈电压转换为数字信号，根据转换后的反馈电压计算得到所述控制信号，并通过所述控制信号控制所述制冷机进行制冷。
优选地，所述数字信号处理DSP芯片还包括：接收模块；
所述接收模块，用于接收服务器发送的控制指令，并根据所述控制指令得到所述控制信号，并通过所述控制信号控制所述制冷机进行制冷。
优选地，所述数字信号处理DSP芯片还包括：断电保护模块；
所述断电保护模块，用于在电路工作异常时，对所述数字信号处理DSP芯片进行断电保护。
本发明另一方面还提供了一种通用的分置式线性斯特林制冷机驱动方法，该驱动方法包括：
数字信号处理DSP芯片通过测温二极管实时采集制冷机的温度，根据所述温度计算得到控制信号，并通过所述控制信号控制所述制冷机进行制冷。
优选地，所述数字信号处理DSP芯片包括：采集模块和处理模块；
所述采集模块通过测温二极管实时采集制冷机的温度；
所述处理模块根据所述温度计算得到控制信号，并通过所述控制信号控制所述制冷机进行制冷。
优选地，所述采集模块通过测温二极管实时采集制冷机的温度具体包括：
所述采集模块具体用于，向所述测温二极管输入电流，并得到所述测温二极管的反馈电压，将所述反馈电压发送给所述处理模块；
所述处理模块根据所述温度计算得到控制信号，并通过所述控制信号控制所述制冷机进行制冷具体包括：
所述处理模块根据所述反馈电压计算得到所述控制信号，并通过所述控制信号控制所述制冷机进行制冷。
优选地，所述处理模块根据所述反馈电压计算得到所述控制信号，并通过所述控制信号控制所述制冷机进行制冷具体包括：
所述处理模块将所述反馈电压通过运算放大器进行放大，并将放大后的反馈电压转换为数字信号，根据转换后的反馈电压计算得到所述控制信号，并通过所述控制信号控制所述制冷机进行制冷。
本发明有益效果如下：
本发明通过数字信号处理DSP芯片来采集温度二极管的温度，根据该温度确定相应的控制信号，并通过所述控制信号控制所述制冷机进行制冷，实测证明，本发明的控温精度比现有的模拟电路驱动提高一个数量级，并且本发明的高低温适应性优异，在环境温度为-40℃至+71℃范围内，设定点变化在±2.0mV以内，在稳态条件下，短期1s间隔内，控温点波动<0.05mV，长期10分钟间隔内，控温点波动<0.15mV。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
图1为本发明实施例的一种通用的分置式线性斯特林制冷机驱动电路示意图；
图2为本发明实施例的另一种通用的分置式线性斯特林制冷机驱动电路示意图；
图3为本发明实施例的再一种通用的分置式线性斯特林制冷机驱动电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。为了清楚和简化目的，当其可能使本发明的主题模糊不清时，将省略本文所描述的器件中已知功能和结构的详细具体说明。
为了解决现有技术对制冷机的驱动电路控制不准确的问题，本发明提供了一种通用的分置式线性斯特林制冷机驱动方法及驱动电路，以下结合附图以及几个实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。
电路实施例
本发明实施例提供了一种通用的分置式线性斯特林制冷机驱动电路，该驱动电路包括：数字信号处理DSP芯片与测温二极管连接，所述测温二极管与制冷机连接；
数字信号处理DSP芯片通过测温二极管实时采集制冷机的温度，根据所述温度计算得到控制信号，并通过所述控制信号控制所述制冷机进行制冷。
具体来说，本发明实施例的所述数字信号处理DSP芯片包括：采集模块和处理模块，其中，
所述采集模块，用于通过测温二极管实时采集制冷机的温度；
所述处理模块，用于根据所述温度计算得到控制信号，并通过所述控制信号控制所述制冷机进行制冷。
具体实施时，本发明实施例所述采集模块具体用于，向所述测温二极管输入电流，并得到所述测温二极管的反馈电压，将所述反馈电压发送给所述处理模块；
所述处理模块具体用于，根据所述反馈电压计算得到所述控制信号，并通过所述控制信号控制所述制冷机进行制冷。
即，温度二极管电压值经模数转换后输入DSP芯片，通过芯片内部的控制算法，调节输出PWM波形的占空比，通过电机驱动模块改变输出电压幅值，调节电机功率，进而使冷头保持一个恒定的温度。
具体实施时，本发明实施例的数字信号处理DSP芯片通过RS232的串口与PC进行通信，客户端或上位机系统通过接收模块对电路工作状态进行实时监控和调控，而且本发明实施例的驱动电路还设有断电保护模块，以在电路工作异常时对整个电路进行断电保护。
用户可通过串口修改软件内部参数来调节驱动电路(即，数字信号处理DSP芯片)的控制参数；通过修改工作频率和最大输出电压，使得驱动电路可通用于多款线性制冷机；通过修改设定点数值、根据检测的输出电压和环境温度修改反馈系数等提高控温精度；通过检测环境温度、最大电流、输出电压等设置保护机制，设置过温过流过压保护，保护方式包括降低输出功率和关闭电源两种。
本发明实施例所述驱动电路体积为6.7cm×5.6cm×2.4cm，总重量仅为150g，而目前主流驱动器总重量约1500g，该新型驱动体积和质量都为其1/10。体积小、重量轻、单一电源供电和宽电源输入使得该产品更易于系统集成设计。
本发明的驱动电路效率常温正常工作状态下保持在95％(60W)左右，发热量小。电路板每层包含几个覆铜区域，对系统地进行分区域覆铜，各个区域之间采取单点共地，即利于系统性能稳定，又利于散热。电路设计有过温保护功能，以确保电路板温度保持在规定范围内。
图3是本发明实施例的采集模块以及处理模块的具体实现电路图，如图3所示，首先，DSP的采集模块通过运算放大器向温度二极管发送电流，然后采集温度二极管的反馈电压，并发送给处理模块的运算放大器对该反馈电压进行放大处理，再经ADC模数转换器转换为数字信号，最后根据该数字信号计算得到相应的控制信号，从而控制制冷机的温度。
具体实施时，采集模块的运算放大器一端与贴在制冷机冷头的温度二极管相连，为温度二极管提供一个1mA的恒定电流，进而采集温度二极管的反馈电压值，并对采集到的电压信号进行放大处理。另一端与ADC模数转换器相连，对采集到得电压信号进行模数转换。数模转换器的另一端与计算单元相连将数字电压信号传入主控芯片进行计算处理。当前主流设计中，二极管模拟电压信号直接由主控芯片内部ADC转换处理，而在本设计中，ADC模数转换器采用的ADS8320为逐次逼近式串行16位微功耗CMOS型高速A/D转换器，它的线性度为±0.05％，采样频率可达100kHz，而功耗仅为1.8mW，采用8引脚MSOP小体积封装，满足电路系统对于高精度、低功耗和小型化的要求。
本发明实施例的处理模块由电流检测器、双路输出低压降稳压器、高压开关稳压器、DC/DC转换器组成。其中，外接输入电压V+(18—30V直流电压)经电容和LC滤波后输入电流检测器，经采样电阻检测电路系统总电流，电流检测器与DSP的IO相连接，将电流采样信号传入DSP作为实时监控和过流保护采样值。经采样后的输入电压V+分为两路，一路直接作为制冷机驱动模块MOS管的驱动电压，一路与开关稳压器相连，输出4.5V直流电压V_4.5，为后续电压模块供电，通过LDO和基准稳压源为后续电路系统提供供电电压和基准电压。其中，DC/DC转换器输出端输出12V直流电压V_12，为制冷机驱动输出模块的MOS驱动供电，DC/DC转换器的SHDN端与DSP的IO相连，接收DSP的高电平指令时切断V_12对制冷机输出模块进行断电，从而实现DSP芯片对输出端的开关控制。
本发明实施例所述的驱动电路还包括输出模块，输出模块由MOS驱动器、MOS及LC滤波电路组成。MOS驱动器的HIN和LIN端与DSP主控芯片的EPWM相连接，从DSP芯片中获得控制信号，通过MOS驱动芯片驱动输出端的N沟道MOS管，产生脉宽不等的高低电平，经后续的LC滤波电路调整为幅值变化的正弦波，输出至制冷机电机，调节电机功率。
方法实施例
本发明实施例提供了一种通用的分置式线性斯特林制冷机驱动方法，该方法包括：
数字信号处理DSP芯片通过测温二极管实时采集制冷机的温度，根据所述温度计算得到控制信号，并通过所述控制信号控制所述制冷机进行制冷。
其中，本发明实施例所述数字信号处理DSP芯片包括：采集模块和处理模块；
所述采集模块通过测温二极管实时采集制冷机的温度；
所述处理模块根据所述温度计算得到控制信号，并通过所述控制信号控制所述制冷机进行制冷。
具体实施时，本发明实施例所述采集模块通过测温二极管实时采集制冷机的温度具体包括：所述采集模块向所述测温二极管输入电流，并得到所述测温二极管的反馈电压，将所述反馈电压发送给所述处理模块；
所述处理模块根据所述温度计算得到控制信号，并通过所述控制信号控制所述制冷机进行制冷具体包括：所述处理模块根据所述反馈电压计算得到所述控制信号，并通过所述控制信号控制所述制冷机进行制冷，具体为，所述处理模块将所述反馈电压通过运算放大器进行放大，并将放大后的反馈电压转换为数字信号，根据转换后的反馈电压计算得到所述控制信号，并通过所述控制信号控制所述制冷机进行制冷。
即，温度二极管电压值经模数转换后输入DSP芯片，通过芯片内部的控制算法，调节输出PWM波形的占空比，通过电机驱动模块改变输出电压幅值，调节电机功率，进而使冷头保持一个恒定的温度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种通用的分置式线性斯特林制冷机驱动电路，其特征在于，包括：数字信号处理DSP芯片与测温二极管连接，所述测温二极管与制冷机连接；
所述数字信号处理DSP芯片通过测温二极管实时采集制冷机的温度，根据所述温度计算得到控制信号，并通过所述控制信号控制所述制冷机进行制冷。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述数字信号处理DSP芯片包括：采集模块和处理模块；
所述采集模块，用于通过测温二极管实时采集制冷机的温度；
所述处理模块，用于根据所述温度计算得到控制信号，并通过所述控制信号控制所述制冷机进行制冷。
3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，
所述采集模块具体用于，向所述测温二极管输入恒定电流，并得到所述测温二极管的反馈电压，将所述反馈电压发送给所述处理模块；
所述处理模块具体用于，根据所述反馈电压计算得到所述控制信号，并通过所述控制信号控制所述制冷机进行制冷。
4.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，
所述处理模块具体用于，将所述反馈电压通过运算放大器进行放大，并将放大后的反馈电压转换为数字信号，根据转换后的反馈电压计算得到所述控制信号，并通过所述控制信号控制所述制冷机进行制冷。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的电路，其特征在于，所述数字信号处理DSP芯片还包括：接收模块；
所述接收模块，用于接收服务器发送的控制指令，并根据所述控制指令得到所述控制信号，并通过所述控制信号控制所述制冷机进行制冷。
6.根据权利要求1-4中任意一项所述的电路，其特征在于，所述数字信号处理DSP芯片还包括：断电保护模块；
所述断电保护模块，用于在电路工作异常时，对所述数字信号处理DSP芯片进行断电保护。
7.一种通用的分置式线性斯特林制冷机驱动方法，其特征在于，包括：
数字信号处理DSP芯片通过测温二极管实时采集制冷机的温度，根据所述温度计算得到控制信号，并通过所述控制信号控制所述制冷机进行制冷。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述数字信号处理DSP芯片包括：采集模块和处理模块；
所述采集模块通过测温二极管实时采集制冷机的温度；
所述处理模块根据所述温度计算得到控制信号，并通过所述控制信号控制所述制冷机进行制冷。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，
所述采集模块通过测温二极管实时采集制冷机的温度具体包括：
所述采集模块向所述测温二极管输入电流，并得到所述测温二极管的反馈电压，将所述反馈电压发送给所述处理模块；
所述处理模块根据所述温度计算得到控制信号，并通过所述控制信号控制所述制冷机进行制冷具体包括：
所述处理模块根据所述反馈电压计算得到所述控制信号，并通过所述控制信号控制所述制冷机进行制冷。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述处理模块根据所述反馈电压计算得到所述控制信号，并通过所述控制信号控制所述制冷机进行制冷具体包括：
所述处理模块将所述反馈电压通过预算放大器进行放大，并将放大后的反馈电压转换为数字信号，根据转换后的反馈电压计算得到所述控制信号，并通过所述控制信号控制所述制冷机进行制冷。
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