CN109282544B - 一种便携式易交互的低温机械制冷机驱动控制电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种便携式易交互的低温机械制冷机驱动控制电路，通过MCU采集温度信号，通过算法生成相应的控制信号，驱动制冷机进行制冷，还通过不间断供电实现整体电路的不间断供电，通过界面可实现数据交互控制。实测证明，相比于以往的机械制冷机驱动电路，本发明不仅仅在80K低温温区实现0.1K量级的温控精度与长时间控温稳定度，还通过不间断供电的功能实现了整体电路的便携性，此外还具有交互便利、低成本和高效率的优点。

Description

一种便携式易交互的低温机械制冷机驱动控制电路
技术领域
本发明涉及机械制冷机驱动控制电路技术领域，具体是指针对脉管式单驱动机械制冷机的驱动控制电路设计的领域。机械制冷机可以用于红外载荷及小型低温冰箱等的冷却降温使用。
背景技术
现今随着小型红外器件及小型低温冰箱等载荷的需求逐渐增大，应用越来越加常见。针对各个载荷的低温工作环境，或低温冰箱的精确稳定工作需求也是越来越高。针对红外载荷低温工作环境最主要的的需求就是低温情况下的控温精度及控温稳定性。只有能够在低温条件下能够实现更高精度的、更加稳定的控温，各类载荷特别是红外载荷才能实现高精度高性能的工作状态。而针对低温冰箱的需求则是实现不同外部工作环境下，维持箱体内部精确稳定的控温。
小型机械制冷机以其高效率、长寿命、体积小、重量轻的特点，逐渐应用于各个场景。随着制冷机的高可靠性小型化，对于机械制冷机驱动电路，不仅仅提出了高精度高稳定的控温要求，也提出了低成本、高可靠性、便携性及交互便利性等要求。
对于制冷机驱动控制电路，最早使用的多为模拟控制方式，容易受到噪声干扰并且控温精度及稳定性较差。之后开发出的使用DSP控制配合集成驱动桥的驱动电路，首先集成驱动桥与DSP的成本较高，其次DSP可靠性也有限制，对使用的电磁环境及热环境的要求较高。此外针对现有的制冷机驱动电路在便携式及使用便利性方面的设计较为落后，首先体积庞大沉重，其次还需要使用上位机服务器借助RS232或RS485等与电控箱进行数据交互，实现控制遥测，不具有便利的交互方式，从而也就制约了其便携性。与此同时在使用时的供电便利性也制约了便携性及使用便利性，以往的制冷机电控箱多使用直流电源供电而非工频交流电，需要配备特定的直流电源进行供电。
发明内容
本发明的目的是提出一种便携式易交互的低温机械制冷机驱动控制电路。从而实现制冷机驱动控制系统高控温精度的同时，提高使用便利性、携带便利性和工作效率，此外还可以降低驱动电路的成本。
为到达上述目的，本发明通过如下的技术方案实现：
本发明为一种机械制冷机驱动控制电路，其包括不间断供电模块，液晶屏交互模块，主控电路模块三个部分。
其中交流供电与不间断供电模块相连，锂电池与不间断供电模块相连，不间断供电模块输出与主控电路模块相连，主控电路模块与制冷机内的测温铂电阻相连，主控电路模块输出与机械制冷机相连，液晶显示屏模块与主控电路模块相连。
主控电路模块，用于实现温度数据的采集，控温PID算法的实现，机械制冷机的驱动，与液晶显示屏模块的交互，供电电压转换及电路保护等功能。
不间断供电模块，使用电源芯片控制，对于输入为交流220V交流电源和直流锂电池进行供电充电管理。当交流220V供电存在时，芯片优先使用交流转直流电路对主控电路模块进行供电，同时电源芯片控制对锂电池进行充电；当交流供电被切断时，芯片自动切换为锂电池对主控电路模块进行直流供电。
液晶屏交互模块，通过液晶触摸屏，用户可以通过串口通讯传输对主控电路模块发送制冷机的开断指令和更改控制参数的指令；同时，主控电路模块的也可以通过串口通讯向液晶屏交互模块发送实时遥测数据，用于在液晶屏上显示温度及系统工作状态。
其中所述的主控电路模块，其特征在于：由温度信号调理电路、电源供电电路、单片机控制电路、制冷机驱动电路组成。
在模块内部：电源供电电路与单片机控制电路、制冷机驱动电路和温度信号调理电路相连；单片机控制电路与制冷机驱动电路和温度信号调理电路相连。对于模块外部接口，电源供电电路与不间断供电模块输出和液晶屏交互模块输入相连；单片机控制电路与液晶屏交互模块相连；温度信号调理电路与制冷机内的测温铂电阻相连；制冷机驱动电路与制冷机输入相连。
温度信号调理电路用于调理温度信号，将对应不同温度的铂电阻阻值转换为对应电压。通过搭建通过精密全桥桥式电路，实现将不同温度下铂电阻的阻值转化为对应的差分电压信号，通过使用高精度运算放大器OP400/AY，将差分电压进行差分放大和幅度偏置调整，最终分别转化成精测(0.1V/K)和粗测(1V/K)的两个对应不同温度精度的电压信号，并传递给单片机控制电路的A/D转换器。
电源供电电路，用于进行电磁干扰抑制，供给驱动电路与DCDC电路，以及采集电压电流数值。通过结合差模电感与差模电容，共模电感和共模电容组成两个L型滤波器，完成对电磁干扰的抑制，抑制差模噪声与共模噪声；DCDC电路使用的模块，转化母线电压为各个电路提供的供电电压；通过使用霍尔元件ACS713对电流进行采集，通过电阻分压对母线电压进行采集，并传输给单片机控制电路用于采集监控。
单片机控制电路，用于实现AD转换器采集温度信号和电压电流信号，通过PID算法计算制冷机控制量，生成PWM信号驱动制冷机，通过串口与液晶屏实现数据交互，通过监控电压电流实现电路保护。使用宏晶生产的低成本高可靠性C51单片机作为核心控制单元，使用其内置的10位AD转化器实现针对精粗测温度电压参数的采集；将采集所得温度通过增量式PID算法，完成温控所需控制量的计算；使用单片机内置的PWM生成器，根据控制算法算得的控制量(即最大占空比)，实现制冷机驱动模块所需的SPWM信号的生成，输出给制冷机驱动电路；通过AD转换器采集电源供电电路传输来的电压电流参数实现监控，从而控制电路工作与否来保护电路与制冷机安全；通过异步串行通讯与液晶屏交互模块实现数据交互，传输遥测数据或接受控制指令；
制冷机驱动电路，用于实现将单片机控制电路生成的SPWM的转化为驱动制冷机的波形。将单片机输出SPWM控制信号进行74HC系列逻辑运算芯片处理，通过使用较低成本的分离元器件搭建的自举电路来实现驱动波形的幅度偏置调理，转化为可以直接驱动逆变全桥的2个IRF5210PMOS管的驱动信号。同时单片机使用I/O口输出控制H逆变桥2个IRF3710NMOS管在半个周期内的常通与常断，以实现降低两个NMOS的损耗。两个信号结合使用控制逆变桥的输出波形的生成。逆变桥输出波形通过LC无源滤波器，用于降低驱动电压电流波形的thd参数，从而增加制冷机驱动电路的工作效率与控制精度。
其中所述的不间断供电模块，其特征在于：
由AC/DC电路、电源控制芯片电路、选通电路和锂电池组成。其中AC/DC电路与电源芯片控制电路相连，电源芯片控制电路相连，锂电池与电源芯片控制电路相连。
AC/DC电路，采用交流220V转直流42V的buck型开关电源模块，提供最高可达到4A的供电电流，用于实现整体系统的直流供电和42V锂电池的充电供电，交流转直流模块的使用，增加了系统的使用便利性。
电源芯片控制电路，采用IRF3710与IRF5210搭配使用，接受TI电源控制芯片BQ24630的控制，用于根据交流供电状态及锂电池电压状态，来进行供电选通和充电状态的控制。电源芯片控制电路实现交流220V供电状态下，使用AC/DC电路进行供电，同时对没有充满的锂电池充电；当需要携带，从而发生交流220V供电切断状态下，电源芯片控制电路会自动切换锂电池作为供电模块，实现制冷机无间断供电，实现便携特性。
锂电池，为定制42V直流锂电池，输出电压最大为42V，其电池容量根据所需的续航里程来定制。
其中所述的液晶屏交互模块，其特征在于：
由内置的FPGA电路控制液晶屏的显示与通讯。对于模块间的交互接口，液晶屏交互模块与主控电路模块的电源供电电路相连，用于提供+5V供电电源；液晶屏交互模块与主控电路模块的单片机控制电路相连，通过串口通讯来实现数据交互
液晶屏交互模块在内置的FPGA程序中烧录好控制液晶屏界面的程序，可以通过触摸液晶屏特定区域，FPGA实现发送制冷机的开断指令或更改控制参数的指令通过串口通讯传输至主控电路模块的单片机控制电路。同时，主控电路模块的单片机控制电路也会通过串口向液晶屏交互模块发送特定遥测数据指令，用于在液晶屏上显示实时温度及系统工作状态。
本发明的优点是：
1.本发明的制冷机驱动控制电路具有显示屏的通讯交互方式，可以通过液晶显示屏完成状态温度检测与发送控制指令，对于使用者有较高的交互便利性和自由度；
2.具有更大温度工作范围，铂电阻的使用可以使得该制冷机驱动控制电路可以在相较于测温二极管更大的控温范围内工作；
3.具有很高的控温精度，增量式PID及相关控制算法的使用，使得能够在80K超低温下能实现长时间±100mK的控制精度；
4.具有便携性及供电便利性，电控电路具有较小的体积和轻便的重量，同时对主要发热器件具有良好的散热设计。供电电源部分电路的设计，可以方便的使用工频交流市电进行供电，同时配合锂电池的不间断供电设计，实现了整体电路长时间没有外部供电携带使用的可能。此外液晶显示屏的交互方式，摆脱了需使用专门的上位机进行控制，增加了相应的便携性；
5.此外还具有较高的工作效率，首先对于逆变桥NMOS管采用半周期内常通的控制策略降低了开关管的开断损耗，其次输出驱动电路合理的无源LC匹配设计实现了具有较低的thd参数的输入波形，提高了驱动制冷机的效率；
6.具有良好的电磁兼容特性，通过合理的滤波器设计，实现整体电路达到电磁兼容标准，对外部或对内部电路间都具有较小的噪声干扰；
7.采用STC系列51单片机替代DSP等作为主控芯片，以及使用分离元器件搭建SPWM波形的自举电路和分立MOS元件构建逆变桥集成的驱动芯片或模块作为制冷机驱动。可以很大的降低成本，具有很好的经济效益。
附图说明
图1为本发明一个实施例的机械制冷机驱动系统。
图2为本发明一个实施例的驱动系统的主控电路模块示意图。
图3为本发明一个实施例的驱动系统的主控电路模块的单片机控制电路示意图。
图4为本发明一个实施例的驱动系统的主控电路模块的制冷机驱动电路示意图。
图5为本发明一个实施例的驱动系统的不间断供电模块示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的具体实施例，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。
为了实现对机械制冷机精确的控制，实现低温区制冷控温的稳定，同时考虑交互便利性、使用便携性及低成本、高可靠等因素，本发明提出了一种机械制冷机的驱动控制系统，下面将结合附图及实例对本发明进行进一步详述。
1.图1是本发明的针对中科院技物所第四研究室研制的一款70w小型脉管式制冷机，设计的一种具体实施例。具体实施时：整个机械制冷机驱动控制系统，包括不间断供电模块，液晶屏交互模块，主控电路模块三个部分。
其中交流供电与不间断供电模块相连，锂电池与不间断供电模块相连，不间断供电模块输出与主控电路模块相连，主控电路模块与制冷机内的测温铂电阻相连，主控电路模块输出与机械制冷机相连，液晶显示屏模块与主控电路模块相连。
主控电路模块，用于实现温度数据的采集，控温PID算法的实现，机械制冷机的驱动，与液晶显示屏模块的交互，供电电压转换及电路保护等功能。
不间断供电模块，使用电源芯片控制，对于输入为交流220V交流电源和直流锂电池进行供电充电管理，实现携带时无间断供电功能，增加便携性。当交流220V供电存在时，芯片优先使用AC/DC电路对主控电路模块进行42V供电，同时电源芯片控制对锂电池进行充电；当交流供电被切断时，芯片自动切换为锂电池42V对主控电路模块进行直流供电。
液晶屏交互模块，通过具有较高交互便利性液晶触摸屏，用户可以通过串口通讯传输对主控电路模块发送制冷机的开断指令和更改控制参数的指令；同时，主控电路模块的也可以通过串口通讯向液晶屏交互模块发送实时遥测数据，用于在液晶屏上显示温度及系统工作状态。
2.图2为本发明实施例的驱动系统的主控电路模块具体示意图。所述的主控电路模块，具体由温度信号调理电路、电源供电电路、单片机控制电路、制冷机驱动电路组成，具体实施时：
其中在模块内部：电源供电电路与单片机控制电路、制冷机驱动电路和温度信号调理电路相连；单片机控制电路与制冷机驱动电路和温度信号调理电路相连。对于模块外部接口，电源供电电路与不间断供电模块输出和液晶屏交互模块输入相连；单片机控制电路与液晶屏交互模块相连；温度信号调理电路与制冷机内的测温铂电阻相连；制冷机驱动电路与制冷机输入相连。
实施例所述温度信号调理电路用于调理温度信号，将对应不同温度的铂电阻Pt100阻值转换为对应电压。通过搭建通过精密全桥桥式电路，实现将不同温度下铂电阻的阻值转化为对应的差分电压信号，最终分别针对173K的控温要求，通过使用高精度运算放大器OP400/AY，将差分电压进行差分放大和幅度偏置调整，转化成精度0.1V/K范围160K～185.6K的精测和精度1V/K范围160K～416K的粗测的两种电压信号，并传递给单片机控制电路的A/D转换器。
实施例所述电源供电电路，用于进行电磁干扰抑制，供给驱动电路与DCDC电路，以及采集电压电流数值。通过结合差模电感与差模电容，共模电感和共模电容组成两个L型滤波器，完成对电磁干扰的抑制，抑制差模噪声与共模噪声；DCDC电路使用的模块，转化母线电压42V为5V和±12V向各个电路提供的供电电压；通过使用霍尔元件ACS713对电流进行采集，通过电阻分压对母线电压42V进行采集，并传输给单片机控制电路用于采集监控。
图3为本发明实施例的主控电路模块的单片机控制电路具体示意图。实施例所述单片机控制电路，用于实现AD转换器采集温度信号和电压电流信号，通过PID算法计算制冷机控制量，生成PWM信号驱动制冷机，通过串口与液晶屏实现数据交互，通过监控电压电流实现电路保护。使用宏晶生产的低成本高可靠性C51单片机作为核心控制单元，使用其内置的10位AD转化器实现针对精粗测温度电压参数的采集；将采集所得温度通过增量式PID算法，完成温控所需控制量的计算；使用单片机内置的PWM生成器，根据控制算法算得的控制量(即最大占空比)，实现制冷机驱动模块所需的20kHz的SPWM信号的生成，输出给制冷机驱动电路；通过STC单片机内置的AD转换器采集电源供电电路传输来的电压电流参数实现监控，从而控制电路工作与否来保护电路与制冷机安全；通过异步串行通讯与液晶屏交互模块实现数据交互，传输遥测数据或接受控制指令；
图4为本发明实施例的主控电路模块的制冷机驱动电路具体示意图。实施例所述制冷机驱动电路，用于实现将单片机控制电路生成的SPWM的转化为驱动制冷机的波形。将单片机输出20kHz的SPWM控制信号进行74HC系列逻辑运算芯片处理，通过使用较低成本的分离元器件搭建的自举电路来实现驱动波形的幅度偏置调理，转化为可以直接驱动逆变全桥的2个IRF5210PMOS管的驱动信号。同时单片机使用I/O口输出控制H逆变桥2个IRF3710NMOS管在半个周期内的常通与常断，以实现降低两个NMOS的损耗，增高制冷机驱动电路的工作效率。两个信号结合使用控制逆变桥的输出波形的生成。逆变桥输出波形通过LC无源滤波器，用于降低驱动电压电流波形的thd参数，从而增加制冷机驱动电路的工作效率与控制精度。
3.图5为本发明实施例的驱动系统的不间断供电模块具体示意图。所述的不间断供电模块，具体实施时：
由AC/DC电路、电源控制芯片电路、选通电路和锂电池组成。其中AC/DC电路与电源芯片控制电路相连，电源芯片控制电路相连，锂电池与电源芯片控制电路相连。
所述的AC/DC电路，采用交流220V转直流42V的buck型开关电源模块，提供最高可达到100W的供电功率，用于实现整体系统的直流供电和42V锂电池的充电供电。
所述的电源芯片控制电路，采用IRF3710与IRF5210搭配使用，接受TI电源控制芯片BQ24630的控制，用于根据交流供电状态及锂电池电压状态，来进行供电选通和充电状态的控制。电源芯片控制电路实现交流220V供电状态下，使用AC/DC电路进行供电，同时对没有充满的锂电池充电；当需要携带，从而发生交流220V供电切断状态下，电源芯片控制电路会自动切换锂电池作为供电模块，实现制冷机无间断供电。
所述的锂电池，为定制42V直流锂电池，输出电压最大为42V，电池容量为5Ah。
4.所述的液晶屏交互模块，具体实施时：
选用的为淘晶驰的串口HMI液晶屏，由内置的FPGA电路控制液晶屏的显示与通讯。对于模块间的交互接口，液晶屏交互模块与主控电路模块的电源供电电路相连，用于提供+5V供电电源；液晶屏交互模块与主控电路模块的单片机控制电路相连，通过串口通讯来实现数据交互。
液晶屏交互模块在内置的FPGA程序中烧录好控制液晶屏界面的程序，可以通过触摸液晶屏特定区域，FPGA实现发送制冷机的开断指令或更改控制参数的指令通过串口通讯传输至主控电路模块的单片机控制电路。同时，主控电路模块的单片机控制电路也会通过串口向液晶屏交互模块发送特定遥测数据指令，用于在液晶屏上显示实时温度及系统工作状态。

Claims (1)

1.一种便携式易交互的低温机械制冷机驱动控制电路，包括不间断供电模块，液晶屏交互模块，主控电路模块，其特征在于：
交流供电与不间断供电模块相连，锂电池与不间断供电模块相连，不间断供电模块输出与主控电路模块相连，主控电路模块与制冷机内的测温铂电阻相连，主控电路模块输出与机械制冷机相连，液晶显示屏模块与主控电路模块相连；
所述的主控电路模块由温度信号调理电路、电源供电电路、单片机控制电路、制冷机驱动电路组成；其中在模块内部：电源供电电路与单片机控制电路、制冷机驱动电路和温度信号调理电路相连；单片机控制电路与制冷机驱动电路和温度信号调理电路相连；对于模块外部接口，电源供电电路与不间断供电模块输出和液晶屏交互模块输入相连；单片机控制电路与液晶屏交互模块相连；温度信号调理电路与制冷机内的测温铂电阻相连；制冷机驱动电路与制冷机输入相连；
所述的温度信号调理电路，用于调理温度信号，将对应不同温度的铂电阻阻值转换为对应电压；通过搭建通过精密全桥桥式电路，实现将不同温度下铂电阻的阻值转化为对应的差分电压信号，通过使用高精度运算放大器，将差分电压进行差分放大和幅度偏置调整，最终分别转化成精测0.1V/K和粗测1V/K的两个对应不同温度精度的电压信号，并传递给单片机控制电路的A/D转换器；
所述电源供电电路，用于进行电磁干扰抑制，供给驱动电路与DCDC电路，以及采集电压电流数值；通过结合L型无源差模滤波器与共模滤波器，完成对电磁干扰的抑制，抑制差模噪声与共模噪声；DCDC电路转化母线电压为各个电路提供的供电电压；通过使用霍尔元件对电流进行采集，通过电阻分压对母线电压进行采集，并传输给单片机控制电路用于采集监控；
所述单片机控制电路，用于实现AD转换器采集温度信号和电压电流信号，通过PID算法计算制冷机控制量，生成PWM信号驱动制冷机，通过串口与液晶屏交互模块实现数据交互，通过监控电压电流实现电路保护；使用宏晶生产的低成本高可靠性STC系列单片机作为核心控制单元，使用其内置的10位AD转化器实现针对精粗测温度电压参数的采集；将采集所得温度通过增量式PID算法，完成温控所需控制量的计算；使用单片机内置的PWM生成器，根据控制算法算得的控制量，即最大占空比，实现制冷机驱动模块所需的SPWM信号的生成，输出给制冷机驱动电路；通过AD转换器采集电源供电电路传输来的电压电流参数实现监控，从而控制电路工作与否来保护电路与制冷机安全；通过异步串行通讯与液晶屏交互模块实现数据交互，传输遥测数据或接受控制指令；
所述制冷机驱动电路，用于实现将单片机控制电路生成的SPWM的转化为驱动制冷机的波形；将单片机输出SPWM控制信号进行74HC系列逻辑运算芯片处理，通过使用低成本的分离元器件搭建的自举电路来实现驱动波形的幅度偏置调理，转化为可以直接驱动逆变全桥的2个IRF5210 PMOS管的驱动信号，同时单片机使用I/O口输出控制H逆变桥2个IRF3710NMOS管在半个周期内的常通与常断，以实现降低两个NMOS的损耗，增高制冷机驱动电路的工作效率；两个信号结合使用控制逆变桥的输出波形的生成，逆变桥输出波形通过LC无源滤波器，用于降低驱动电压电流波形的thd参数，从而增加制冷机驱动电路的工作效率与控制精度；
所述的不间断供电模块由AC/DC电路、电源控制芯片电路、选通电路和锂电池组成，AC/DC电路与电源芯片控制电路相连，电源芯片控制电路相连，锂电池与电源芯片控制电路相连；
所述的AC/DC电路，采用交流220V转直流42V的buck型开关电源模块，提供最高可达到4A的供电电流，用于实现整体系统的直流供电和42V锂电池的充电供电，交流转直流模块的使用，增加了系统的使用便利性；
所述的电源芯片控制电路，采用IRF3710与IRF5210搭配使用，接受TI电源控制芯片BQ24630的控制，用于根据交流供电状态及锂电池电压状态，来进行供电选通和充电状态的控制，电源芯片控制电路实现交流220V供电状态下，使用AC/DC电路进行供电，同时对没有充满的锂电池充电；当需要携带，从而发生交流220V供电切断状态下，电源芯片控制电路会自动切换锂电池作为供电模块，实现制冷机无间断供电，实现便携特性；
所述的锂电池，为定制42V直流锂电池，输出电压最大为42V，其电池容量根据所需的续航里程来定制；
所述的液晶屏交互模块由内置的FPGA电路控制液晶屏的显示与通讯，对于模块间的交互接口，液晶屏交互模块与主控电路模块的电源供电电路相连，用于提供+5V供电电源；液晶屏交互模块与主控电路模块的单片机控制电路相连，通过串口通讯来实现数据交互；
液晶屏交互模块在内置的FPGA程序中烧录好控制液晶屏界面的程序，通过触摸液晶屏特定区域，FPGA实现发送制冷机的开断指令或更改控制参数的指令通过串口通讯传输至主控电路模块的单片机控制电路，同时，主控电路模块的单片机控制电路也会通过串口向液晶屏交互模块发送特定遥测数据指令，用于在液晶屏上显示实时温度及系统工作状态。
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