CN104534719A - 两级高频脉管制冷机直流驱动与主动温控***及设计方法 - Google Patents

两级高频脉管制冷机直流驱动与主动温控***及设计方法 Download PDF

Info

Publication number
CN104534719A
CN104534719A CN201410748358.2A CN201410748358A CN104534719A CN 104534719 A CN104534719 A CN 104534719A CN 201410748358 A CN201410748358 A CN 201410748358A CN 104534719 A CN104534719 A CN 104534719A
Authority
CN
China
Prior art keywords
signal
module
spwm
temperature
analog
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201410748358.2A
Other languages
English (en)
Inventor
党海政
谭军
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Original Assignee
Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Institute of Technical Physics of CAS filed Critical Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Priority to CN201410748358.2A priority Critical patent/CN104534719A/zh
Publication of CN104534719A publication Critical patent/CN104534719A/zh
Priority to CN201510295790.5A priority patent/CN104864647A/zh
Priority to CN201520371890.7U priority patent/CN204787473U/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B49/00—Arrangement or mounting of control or safety devices
    • F25B49/02—Arrangement or mounting of control or safety devices for compression type machines, plants or systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
    • F25B9/145—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle pulse-tube cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/14—Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used 
    • F25B2309/1411—Pulse-tube cycles characterised by control details, e.g. tuning, phase shifting or general control
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/14—Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used 
    • F25B2309/1427—Control of a pulse tube

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Amplifiers (AREA)

Abstract

本发明公开了一种两级高频脉管制冷机直流驱动与主动温控***及设计方法，该***主要由DC-DC转换模块一、DC-DC转换模块二、双通道模拟-数字信号转换模块、两级间权衡控制模块、PID控制模块、SPWM信号调制模块、双通道数字-模拟信号转换模块、双通道温度信号采集及运放模块以及H桥功率放大模块组成。通过采集两级制冷机每一级冷端温度，转换为合适电压信号，通过一系列的信号处理，输出控制信号能实现两级脉冲管制冷机在直流电源下的高效驱动，并能对两级制冷机每一级的冷端温度进行主动控制。本发明对于两级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

两级高频脉管制冷机直流驱动与主动温控***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，特别涉及一种两级脉管制冷机的直流驱动与主动温控***及设计方法。
背景技术
脉冲管制冷机是对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。
中国航天事业的快速发展促进了中国低温行业的发展，特别是具备先天航天应用优势的脉冲管制冷机，这些年来得到了飞速的发展。其中单级脉冲管制冷机技术已经相对成熟，并逐步走向航天工程化和实用化。而能同时提供两个不同冷区的两级脉冲管制冷机需求变得日益迫切，也有着更为广阔的航天应用前景。例如，相比较同样能提供两个冷端温度的两个单级脉冲管制冷机***，双级脉冲管制冷机为单***，只需要一套被认为是脉冲管制冷机中结构最复杂的线性压缩机及电子***，因此结构相对更加紧凑；冷却长波红外探测器一般需要冷端的温度低至30K左右，单级脉冲管制冷机较难达到该温度，即使达到了效率也比较低，而两级脉冲管制冷机可以依靠结构的优势在第二级的冷端比较容易实现这个温度并提供一定的冷量，两级脉冲管制冷机扩大了实际应用中冷却的温度范围；两级脉冲管制冷机相对于单级脉冲管制冷机在资源、重量以及空间上有较大的节约，这能降低极其昂贵的航天应用成本。
直线压缩机作为两级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。
在使用脉冲管制冷机冷却的元器件(例如红外探测器，光学器件等)时，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***，以便高精度地对脉冲管制冷机每一级冷端的温度进行调控。由于脉冲管制冷机***是一个复杂的机械-热力***，输入功的变化反映到制冷温度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***设置自动的精确控制功能，以便根据设定的制冷温度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***，以便于脉冲管制冷机能够长期稳定可靠地运行。两级脉冲管制冷机***相比较单级脉冲管制冷机***而言，因为要驱动和控制两级脉冲管冷指，驱动和控制任务变得更为敏感和繁琐。
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，国内单级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，而两级高频脉冲管制冷机在空间应用方面还处于技术储备阶段，对于其直流下的驱动与主动控制***的相关技术研究的发展在国内才刚刚起步。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明提出一种两级高频脉管制冷机直流驱动与主动温控***及其设计方法。
本发明的目的在于，提供了一种两级高频脉管制冷机直流驱动与主动温控***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，通过对两级脉冲管制冷机每一级冷指的温度反馈实现对冷指温度的主动温度控制。从而满足两级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。
下面结合附图对所发明的两级高频脉管制冷机直流驱动与主动温控***及其设计方法进行详细介绍，其中图1为所发明的两级高频脉管制冷机直流驱动与主动温控***的示意图；图2为双通道温度信号采集及运放模块的示意图；图3为H桥功率放大模块的连接示意图。
所发明的两级高频脉管制冷机直流驱动与主动温控***包括DC-DC转换模块一1、DC-DC转换模块二3、双通道模拟-数字信号转换模块4、两级间权衡控制模块5、PID控制模块6、SPWM信号调制模块7、双通道数字-模拟信号转换模块8、双通道温度信号采集及运放模块9以及H桥功率放大模块16，其特征在于：
所述的DC-DC转换模块一1和DC-DC转换模块二3为不同次级端转换电压的直流变压器，双通道模拟-数字信号转换模块4、两级间权衡控制模块5、PID控制模块6、SPWM信号调制模块7以及双通道数字-模拟信号转换模块8均基于DSP芯片上软件实现，双通道温度信号采集及运放模块9由两个热电偶、两个测温电桥，两个运算放大器以及相应***电路组成，H桥功率放大模块16由H桥集成芯片及相应***电路组成；
所述的外部直流总线2连接H桥功率放大模块16进行供电，DC-DC转换模块一1连接双通道温度信号采集及运放模块9和H桥功率放大模块16进行供电，DC-DC转换模块二3连接双通道数字-模拟信号转换模块4、两级间权衡控制模块5、PID控制模块6、SPWM信号调制模块7以及双通道数字-模拟信号转换模块8进行供电；双通道温度信号采集及运放模块9连接至脉冲管制冷机的第一级冷端换热器12以及第二级冷端换热器10处，通过设置在脉冲管制冷机第一级冷端换热器12上的热电偶一25以及第二级冷端换热器10上的热电偶二28分别获取到两级温度的电阻信号，利用测温电桥一26和测温电桥29分别将两路热电偶电阻信号转化为两路电压信号；两路电压信号分别传送至信号运放模块一27和信号运放模块二30，经过运算放大器将电压信号进一步转换为两路合适大小的模拟电压信号；两路模拟电压信号输送至双通道模拟-数字信号转换模块4，将输入的两路模拟信号转换为相对应的两路数字信号；两路数字信号被输送至两级间权衡控制模块5，对两路数字信号进行比较及权衡分配的控制，并输出处理后的初步控制信号；初步控制信号进入PID控制模块6，通过与温度设定值进行比较，同时进行比例、积分、微分的控制，输出总正弦控制信号；总正弦控制信号被输出至SPWM信号调制模块7；然后SPWM信号调制模块7对总正弦控制信号进行调制，首先，通过正弦信号离散部分7将频率较低的总正弦控制信号进行离散化，其次，将产生的离散化信号PWM化，根据离散信号在原正弦信号上的位置设置脉冲波的占空比，实现将离散化的正弦信号转换为频率较高的SPWM信号的调制，同时输出波形上互补的两路SPWM信号；上述两路SPWM信号送至双通道数字-模拟信号转换模块8，转换为相应的SPWM模拟信号一31和SPWM模拟信号二32；SPWM模拟信号一31和SPWM模拟信号二32分别连接至H桥功率放大模块16中的H桥电路一33和H桥电路二34，在外部直流总线2提供能量的前提下，H桥功率放大模块16根据SPWM模拟信号一31和SPWM模拟信号二32中不同时间点上的占空比，改变H桥电路一33和H桥电路二34上MOSFET管的通断时间，从而实现SPWM模拟信号一31和模拟信号二32的放大输出；输出的调制信号能提供两级高频脉冲管制冷机直线压缩机的直线电机一35和直线电机二35′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第一级冷端换热器12和第二级冷端换热器10的制冷效果，由于对两级脉冲管制冷机第一级的最低制冷温度进行了设计上的限定，加上两级间权衡控制模块5的共同作用，在主要调节第二级冷端换热器10温度的同时也对第一级冷端换热器12的温度进行了控制，完成了对两级脉冲管制冷机第一级冷端换热器12和第二级冷端换热器10的温度稳定性的同时控制；从而形成一种两级高频脉冲管制冷机的直流驱动与主动温控***。
所发明的两级高频脉冲管制冷机的直流驱动与主动温控***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转换模块一1和DC-DC转换模块二3，DC-DC转换模块一1连接双通道温度信号采集及运放模块9和H桥功率放大模块16进行供电，DC-DC转换模块二3连接双通道数字-模拟信号转换模块4、两级间权衡控制模块5、PID控制模块6、SPWM信号调制模块7以及双通道数字-模拟信号转换模块8进行供电；
步骤二：设计用于信号采集与转换的双通道温度信号采集及运放模块9，该模块包括热电偶一25、测温电桥一26、信号运放模块一27、热电偶二28、测温电桥二29以及信号运放模块二30，通过设置在脉冲管制冷机第一级冷端换热器12上的热电偶一25以及第二级冷端换热器10上的热电偶二28分别获取到两级温度的电阻信号，利用测温电桥一26和测温电桥29分别将两路热电偶电阻信号转化为两路电压信号，测温电桥一26以及测温电桥二29均采用四线制接法，消除引线电阻带来的干扰；使用运算放大器构成信号运算模块一27和信号运放模块二30，将两路电压信号分别转换为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，该模块包括双通道模拟-数字信号转换模块4、两级间权衡控制模块5、PID控制模块6、SPWM信号调制模块7以及双通道数字-模拟信号转换模块8，整个信号处理模块是建立在以DSP为硬件基础，结合相应控制算法配合实现功能；双通道模拟-数字信号转换模块4为DSP芯片自带的12位16通道的AD采样器，配合AD采样程序将输入的两路0～3V大小模拟信号分别转换为相对应的数字信号；两路数字信号被输送至两级间权衡控制模块5，对两路数字信号进行比较及权衡分配的控制，并输出处理后的初步控制信号；初步控制信号进入PID控制模块6，通过与温度设定值进行比较，同时进行比例、积分、微分的控制，输出总正弦控制信号；总正弦控制信号被输出至SPWM信号调制模块7；然后SPWM信号调制模块7对总正弦控制信号进行调制，首先，通过正弦信号离散部分7将频率较低的总正弦控制信号进行离散化，其次，将产生的离散化信号PWM化，根据离散信号在原正弦信号上的位置设置脉冲波的占空比，实现将离散化的正弦信号转换为频率较高的SPWM信号的调制，同时输出波形上互补的两路SPWM信号；上述两路SPWM信号送至双通道数字-模拟信号转换模块8，转换为相应的SPWM模拟信号一31和SPWM模拟信号二32；
步骤五：设计用于进行控制信号放大的H桥功率放大模块16，该模块包括H桥电路一33和H桥电路二34，二者均由两个NPN型和两个PNP型MOSFET管构成，且同时接入SPWM模拟信号一31和SPWM模拟信号二32，直线电机一35和直线电机二35′分别接入H桥电路一33和H桥电路二34中；在外部直流总线2提供能量的前提下，根据SPWM模拟信号一31和SPWM模拟信号二32中不同时间点上的占空比，改变H桥电路一33和H桥电路二34上MOSFET管的通断时间，从而实现SPWM模拟信号一31和模拟信号二32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一35和直线电机二35′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第一级冷端换热器12和第二级冷端换热器10的制冷效果，由于对两级脉冲管制冷机第一级的最低制冷温度进行了设计上的限定，加上两级间权衡控制模块5的共同作用，在主要调节第二级冷端换热器10温度的同时也对第一级冷端换热器12的温度进行了控制，从而完成了对两级脉冲管制冷机第一级冷端换热器12和第二级冷端换热器10的温度稳定性的同时控制。
本发明的优点在于：
1)在直流电源下，所设计的电子***不仅能够提供两级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每一级冷端的温度；
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桥电路可以高效地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；
4)通过将两级脉冲管制冷机第一级的最低制冷温度进行设计限定，配合两级间的权衡控制算法，在仅调节压缩机输入功的情况下实现了两级脉冲管制冷机每一级冷端换热器温度的主动控制；
上述优点将在实现两级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***的能量利用效率和制冷的稳定性，对两级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为所发明的两级高频脉管制冷机直流驱动与主动温控***的示意图；
图2为双通道温度信号采集及运放模块的示意图；
图3为H桥功率放大模块的连接示意图。
其中：1为DC-DC转换模块一；2为外部直流总线；3为DC-DC转换模块二；4为双通道模拟-数字转换模块；5为两级间权衡控制模块；6为PID控制模块；7为SPWM信号调制模块；8为双通道数字-模拟信号转换模块；9为双通道温度信号采集及运放模块；10为制冷机第二级冷端换热器；11为制冷机第二级蓄冷器；12为制冷机第一级冷端换热器；13为制冷机第一级蓄冷器；14为制冷机级后冷却器；15为线性压缩机；16为H桥功率放大模块；17为制冷机第一级脉管；18为制冷机第一级热端换热器；19为制冷机第一级惯性管；20为制冷机第一级气库；21为制冷机第二级脉管；22为制冷机第二级热端换热器；23为制冷机第二级惯性管；24为制冷机第二级气库；25为热电偶一；26为测温电桥一；27为信号运放模块一；28为热电偶二；29为测温电桥二；30为信号运放模块二；31为SPWM模拟信号一；32为SPWM模拟信号二；33为H桥电路一；34为H桥电路二；35为直线电机一；35′为直线电机二。
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为所发明的两级高频脉管制冷机直流驱动与主动温控***的示意图；图2为双通道温度信号采集及运放模块的示意图；图3为H桥功率放大模块的连接示意图。
所发明的两级高频脉管制冷机直流驱动与主动温控***包括DC-DC转换模块一1、DC-DC转换模块二3、双通道模拟-数字信号转换模块4、两级间权衡控制模块5、PID控制模块6、SPWM信号调制模块7、双通道数字-模拟信号转换模块8、双通道温度信号采集及运放模块9以及H桥功率放大模块16，其特征在于：
所述的DC-DC转换模块一1为42V转±12V的直流变压器，DC-DC转换模块二3为42V转5V的直流变压器，双通道模拟-数字信号转换模块4、两级间权衡控制模块5、PID控制模块6、SPWM信号调制模块7以及双通道数字-模拟信号转换模块8均基于TMS320F2812的DSP芯片上软件实现，双通道温度信号采集及运放模块9由两个热电偶、两个测温电桥，两个LM725运算放大器以及相应***电路组成，H桥功率放大模块16由DRV8412集成芯片及相应***电路组成；
所述的外部直流总线2连接H桥功率放大模块16进行供电，DC-DC转换模块一1连接双通道温度信号采集及运放模块9和H桥功率放大模块16进行供电，DC-DC转换模块二3连接双通道数字-模拟信号转换模块4、两级间权衡控制模块5、PID控制模块6、SPWM信号调制模块7以及双通道数字-模拟信号转换模块8进行供电；双通道温度信号采集及运放模块9连接至脉冲管制冷机的第一级冷端换热器12以及第二级冷端换热器10处，通过设置在脉冲管制冷机第一级冷端换热器12上的热电偶一25以及第二级冷端换热器10上的热电偶二28分别获取到两级温度的电阻信号，利用测温电桥一26和测温电桥29分别将两路热电偶电阻信号转化为两路电压信号；两路电压信号分别传送至信号运放模块一27和信号运放模块二30，经过运算放大器将电压信号进一步转换为两路合适大小的模拟电压信号；两路模拟电压信号输送至双通道模拟-数字信号转换模块4，将输入的两路模拟信号转换为相对应的两路数字信号；两路数字信号被输送至两级间权衡控制模块5，对两路数字信号进行比较及权衡分配的控制，并输出处理后的初步控制信号；初步控制信号进入PID控制模块6，通过与温度设定值进行比较，同时进行比例、积分、微分的控制，输出总正弦控制信号；总正弦控制信号被输出至SPWM信号调制模块7；然后SPWM信号调制模块7对总正弦控制信号进行调制，首先，通过正弦信号离散部分7将频率较低的总正弦控制信号进行离散化，其次，将产生的离散化信号PWM化，根据离散信号在原正弦信号上的位置设置脉冲波的占空比，实现将离散化的正弦信号转换为频率较高的SPWM信号的调制，同时输出波形上互补的两路SPWM信号；上述两路SPWM信号送至双通道数字-模拟信号转换模块8，转换为相应的SPWM模拟信号一31和SPWM模拟信号二32；SPWM模拟信号一31和SPWM模拟信号二32分别连接至H桥功率放大模块16中的H桥电路一33和H桥电路二34，在外部直流总线2提供能量的前提下，H桥功率放大模块16根据SPWM模拟信号一31和SPWM模拟信号二32中不同时间点上的占空比，改变H桥电路一33和H桥电路二34上MOSFET管的通断时间，从而实现SPWM模拟信号一31和模拟信号二32的放大输出；输出的调制信号能提供两级高频脉冲管制冷机直线压缩机的直线电机一35和直线电机二35′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第一级冷端换热器12和第二级冷端换热器10的制冷效果，由于对两级脉冲管制冷机第一级的最低制冷温度进行了设计上的限定，加上两级间权衡控制模块5的共同作用，在主要调节第二级冷端换热器10温度的同时也对第一级冷端换热器12的温度进行了控制，完成了对两级脉冲管制冷机第一级冷端换热器12和第二级冷端换热器10的温度稳定性的同时控制；从而形成一种两级高频脉冲管制冷机的直流驱动与主动温控***。
所发明的两级高频脉管制冷机直流驱动与主动温控***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转换模块一1和DC-DC转换模块二3，DC-DC转换模块一1连接双通道温度信号采集及运放模块9和H桥功率放大模块16进行供电，DC-DC转换模块二3连接双通道数字-模拟信号转换模块4、两级间权衡控制模块5、PID控制模块6、SPWM信号调制模块7以及双通道数字-模拟信号转换模块8进行供电；
步骤二：设计用于信号采集与转换的双通道温度信号采集及运放模块9，该模块包括热电偶一25、测温电桥一26、信号运放模块一27、热电偶二28、测温电桥二29以及信号运放模块二30，通过设置在脉冲管制冷机第一级冷端换热器12上的热电偶一25以及第二级冷端换热器10上的热电偶二28分别获取到两级温度的电阻信号，利用测温电桥一26和测温电桥29分别将两路热电偶电阻信号转化为两路电压信号，测温电桥一26以及测温电桥二29均采用四线制接法，消除引线电阻带来的干扰；使用运算放大器构成信号运算模块一27和信号运放模块二30，将两路电压信号分别转换为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，该模块包括双通道模拟-数字信号转换模块4、两级间权衡控制模块5、PID控制模块6、SPWM信号调制模块7以及双通道数字-模拟信号转换模块8，整个信号处理模块是建立在以DSP为硬件基础，结合相应控制算法配合实现功能；双通道模拟-数字信号转换模块4为DSP芯片自带的12位16通道的AD采样器，配合AD采样程序将输入的两路0～3V大小模拟信号分别转换为相对应的数字信号；两路数字信号被输送至两级间权衡控制模块5，对两路数字信号进行比较及权衡分配的控制，并输出处理后的初步控制信号；初步控制信号进入PID控制模块6，通过与温度设定值进行比较，同时进行比例、积分、微分的控制，输出总正弦控制信号；总正弦控制信号被输出至SPWM信号调制模块7；然后SPWM信号调制模块7对总正弦控制信号进行调制，首先，通过正弦信号离散部分7将频率较低的总正弦控制信号进行离散化，其次，将产生的离散化信号PWM化，根据离散信号在原正弦信号上的位置设置脉冲波的占空比，实现将离散化的正弦信号转换为频率较高的SPWM信号的调制，同时输出波形上互补的两路SPWM信号；上述两路SPWM信号送至双通道数字-模拟信号转换模块8，转换为相应的SPWM模拟信号一31和SPWM模拟信号二32；
步骤五：设计用于进行控制信号放大的H桥功率放大模块16，该模块包括H桥电路一33和H桥电路二34，二者均由两个NPN型和两个PNP型MOSFET管构成，且同时接入SPWM模拟信号一31和SPWM模拟信号二32，直线电机一35和直线电机二35′分别接入H桥电路一33和H桥电路二34中；在外部直流总线2提供能量的前提下，根据SPWM模拟信号一31和SPWM模拟信号二32中不同时间点上的占空比，改变H桥电路一33和H桥电路二34上MOSFET管的通断时间，从而实现SPWM模拟信号一31和模拟信号二32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一35和直线电机二35′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第一级冷端换热器12和第二级冷端换热器10的制冷效果，由于对两级脉冲管制冷机第一级的最低制冷温度进行了设计上的限定，加上两级间权衡控制模块5的共同作用，在主要调节第二级冷端换热器10温度的同时也对第一级冷端换热器12的温度进行了控制，从而完成了对两级脉冲管制冷机第一级冷端换热器12和第二级冷端换热器10的温度稳定性的同时控制。

Claims (2)

1.一种两级高频脉管制冷机直流驱动与主动温控***，它包括DC-DC转换模块一(1)、DC-DC转换模块二(3)、双通道模拟-数字信号转换模块(4)、两级间权衡控制模块(5)、PID控制模块(6)、SPWM信号调制模块(7)、双通道数字-模拟信号转换模块(8)、双通道温度信号采集及运放模块(9)以及H桥功率放大模块(16)，其特征在于：
所述的DC-DC转换模块一(1)和DC-DC转换模块二(3)为不同次级端转换电压的直流变压器，所述的双通道模拟-数字信号转换模块(4)、两级间权衡控制模块(5)、PID控制模块(6)、SPWM信号调制模块(7)以及双通道数字-模拟信号转换模块(8)均基于DSP芯片上软件实现，双通道温度信号采集及运放模块(9)由两个热电偶、两个测温电桥，两个运算放大器以及相应***电路组成，H桥功率放大模块(16)由H桥集成芯片及相应***电路组成；
外部直流总线(2)连接H桥功率放大模块(16)进行供电，DC-DC转换模块一(1)连接双通道温度信号采集及运放模块(9)和H桥功率放大模块(16)进行供电，DC-DC转换模块二(3)连接双通道数字-模拟信号转换模块(4)、两级间权衡控制模块(5)、PID控制模块(6)、SPWM信号调制模块(7)以及双通道数字-模拟信号转换模块(8)进行供电；双通道温度信号采集及运放模块(9)连接至脉冲管制冷机的第一级冷端换热器(12)以及第二级冷端换热器(10)处，通过设置在脉冲管制冷机第一级冷端换热器(12)上的热电偶一(25)以及第二级冷端换热器(10)上的热电偶二(28)分别获取到两级温度的电阻信号，利用测温电桥一(26)和测温电桥(29)分别将两路热电偶电阻信号转化为两路电压信号；两路电压信号分别传送至信号运放模块一(27)和信号运放模块二(30)，经过运算放大器将电压信号进一步转换为两路合适大小的模拟电压信号；两路模拟电压信号输送至双通道模拟-数字信号转换模块(4)，将输入的两路模拟信号转换为相对应的两路数字信号；两路数字信号被输送至两级间权衡控制模块(5)，对两路数字信号进行比较及权衡分配的控制，并输出处理后的初步控制信号；初步控制信号进入PID控制模块(6)，通过与温度设定值进行比较，同时进行比例、积分、微分的控制，输出总正弦控制信号；总正弦控制信号被输出至SPWM信号调制模块(7)；然后SPWM信号调制模块(7)对总正弦控制信号进行调制，首先，通过正弦信号离散部分(7)将频率较低的总正弦控制信号进行离散化，其次，将产生的离散化信号PWM化，根据离散信号在原正弦信号上的位置设置脉冲波的占空比，实现将离散化的正弦信号转换为频率较高的SPWM信号的调制，同时输出波形上互补的两路SPWM信号；上述两路SPWM信号送至双通道数字-模拟信号转换模块(8)，转换为相应的SPWM模拟信号一(31)和SPWM模拟信号二(32)；SPWM模拟信号一(31)和SPWM模拟信号二(32)分别连接至H桥功率放大模块(16)中的H桥电路一(33)和H桥电路二(34)，在外部直流总线(2)提供能量的前提下，H桥功率放大模块(16)根据SPWM模拟信号一(31)和SPWM模拟信号二(32)中不同时间点上的占空比，改变H桥电路一(33)和H桥电路二(34)上MOSFET管的通断时间，从而实现SPWM模拟信号一(31)和模拟信号二(32)的放大输出；输出的调制信号能提供两级高频脉冲管制冷机直线压缩机的直线电机一(35)和直线电机二(35′)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第一级冷端换热器(12)和第二级冷端换热器(10)的制冷效果，由于对两级脉冲管制冷机第一级的最低制冷温度进行了设计上的限定，加上两级间权衡控制模块(5)的共同作用，在主要调节第二级冷端换热器(10)温度的同时也对第一级冷端换热器(12)的温度进行了控制，完成了对两级脉冲管制冷机第一级冷端换热器(12)和第二级冷端换热器(10)的温度稳定性的同时控制；从而形成一种两级高频脉冲管制冷机的直流驱动与主动温控***。
2.一种设计如权利要求1所述的两级高频脉管制冷机直流驱动与主动温控***的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：设计用于直流电压转换的DC-DC转换模块一(1)和DC-DC转换模块二(3)，DC-DC转换模块一(1)连接双通道温度信号采集及运放模块(9)和H桥功率放大模块(16)进行供电，DC-DC转换模块二(3)连接双通道数字-模拟信号转换模块(4)、两级间权衡控制模块(5)、PID控制模块(6)、SPWM信号调制模块(7)以及双通道数字-模拟信号转换模块(8)进行供电；
步骤二：设计用于信号采集与转换的双通道温度信号采集及运放模块(9)，该模块包括热电偶一(25)、测温电桥一(26)、信号运放模块一(27)、热电偶二(28)、测温电桥二(29)以及信号运放模块二(30)，通过设置在脉冲管制冷机第一级冷端换热器(12)上的热电偶一(25)以及第二级冷端换热器(10)上的热电偶二(28)分别获取到每一级温度的电阻信号，利用测温电桥一(26)和测温电桥(29)分别将两路热电偶电阻信号转化为两路电压信号，测温电桥一(26)以及测温电桥二(29)均采用四线制接法，消除引线电阻带来的干扰；使用运算放大器构成信号运算模块一(27)和信号运放模块二(30)，将两路电压信号分别转换为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，该模块包括双通道模拟-数字信号转换模块(4)、两级间权衡控制模块(5)、PID控制模块(6)、SPWM信号调制模块(7)以及双通道数字-模拟信号转换模块(8)，整个信号处理模块是建立在以DSP为硬件基础，结合相应控制算法配合实现功能；双通道模拟-数字信号转换模块(4)为DSP芯片自带的12位16通道的AD采样器，配合AD采样程序将输入的两路0～3V大小模拟信号分别转换为相对应的数字信号；两路数字信号被输送至两级间权衡控制模块(5)，对两路数字信号进行比较及权衡分配的控制，并输出处理后的初步控制信号；初步控制信号进入PID控制模块(6)，通过与温度设定值进行比较，同时进行比例、积分、微分的控制，输出总正弦控制信号；总正弦控制信号被输出至SPWM信号调制模块(7)；然后SPWM信号调制模块(7)对总正弦控制信号进行调制，首先，通过正弦信号离散部分(7)将频率较低的总正弦控制信号进行离散化，其次，将产生的离散化信号PWM化，根据离散信号在原正弦信号上的位置设置脉冲波的占空比，实现将离散化的正弦信号转换为频率较高的SPWM信号的调制，同时输出波形上互补的两路SPWM信号；上述两路SPWM信号送至双通道数字-模拟信号转换模块(8)，转换为相应的SPWM模拟信号一(31)和SPWM模拟信号二(32)；
步骤五：设计用于进行控制信号放大的H桥功率放大模块(16)，该模块包括H桥电路一(33)和H桥电路二(34)，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(31)和SPWM模拟信号二(32)，直线电机一(35)和直线电机二(35′)分别接入H桥电路一(33)和H桥电路二(34)中；在外部直流总线(2)提供能量的前提下，根据SPWM模拟信号一(31)和SPWM模拟信号二(32)中不同时间点上的占空比，改变H桥电路一(33)和H桥电路二(34)上MOSFET管的通断时间，从而实现SPWM模拟信号一(31)和模拟信号二(32)的放大输出及电机不同方向的运动；输出的放大后的SPWM信号能提供两级高频脉冲管制冷机线性压缩机的直线电机一(35)和直线电机二(35′)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第一级冷端换热器(12)和第二级冷端换热器(10)的制冷效果，由于对两级脉冲管制冷机第一级的最低制冷温度进行了设计上的限定，加上两级间权衡控制模块(5)的共同作用，在主要调节第二级冷端换热器(10)温度的同时也对第一级冷端换热器(12)的温度进行了控制，从而完成了对两级脉冲管制冷机第一级冷端换热器(12)和第二级冷端换热器(10)的温度稳定性的同时控制。
CN201410748358.2A 2014-12-09 2014-12-09 两级高频脉管制冷机直流驱动与主动温控***及设计方法 Pending CN104534719A (zh)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410748358.2A CN104534719A (zh) 2014-12-09 2014-12-09 两级高频脉管制冷机直流驱动与主动温控***及设计方法
CN201510295790.5A CN104864647A (zh) 2014-12-09 2015-06-02 两级高频脉管制冷机直流驱动与主动温控***及设计方法
CN201520371890.7U CN204787473U (zh) 2014-12-09 2015-06-02 两级高频脉管制冷机直流驱动与主动温控***

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410748358.2A CN104534719A (zh) 2014-12-09 2014-12-09 两级高频脉管制冷机直流驱动与主动温控***及设计方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN104534719A true CN104534719A (zh) 2015-04-22

Family

ID=52850294

Family Applications (3)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201410748358.2A Pending CN104534719A (zh) 2014-12-09 2014-12-09 两级高频脉管制冷机直流驱动与主动温控***及设计方法
CN201520371890.7U Expired - Fee Related CN204787473U (zh) 2014-12-09 2015-06-02 两级高频脉管制冷机直流驱动与主动温控***
CN201510295790.5A Pending CN104864647A (zh) 2014-12-09 2015-06-02 两级高频脉管制冷机直流驱动与主动温控***及设计方法

Family Applications After (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201520371890.7U Expired - Fee Related CN204787473U (zh) 2014-12-09 2015-06-02 两级高频脉管制冷机直流驱动与主动温控***
CN201510295790.5A Pending CN104864647A (zh) 2014-12-09 2015-06-02 两级高频脉管制冷机直流驱动与主动温控***及设计方法

Country Status (1)

Country Link
CN (3) CN104534719A (zh)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106288479A (zh) * 2016-07-28 2017-01-04 武汉高芯科技有限公司 旋转分置式气动斯特林制冷机驱动及温控***和方法
CN107994890A (zh) * 2017-12-28 2018-05-04 中国科学院西安光学精密机械研究所 基于反熔丝fpga的星载制冷机控制器内部复位电路及方法
CN108224835A (zh) * 2018-01-10 2018-06-29 中国科学院上海技术物理研究所 一种实现高电机效率的高频脉冲管制冷机的驱动***
CN109740188A (zh) * 2018-12-11 2019-05-10 西北工业大学 两级热电制冷机参数基于响应量方差的全局灵敏度分析方法
CN109990496A (zh) * 2017-12-29 2019-07-09 同济大学 一种串列式脉管制冷机
CN113239474A (zh) * 2021-03-11 2021-08-10 中国科学院上海技术物理研究所 一种极低温区复合制冷机用管套管换热器的设计方法
CN115183491A (zh) * 2022-05-13 2022-10-14 上海铂钺制冷科技有限公司 一种主动调相型脉冲管制冷机双压缩机驱动控制***

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104534719A (zh) * 2014-12-09 2015-04-22 中国科学院上海技术物理研究所 两级高频脉管制冷机直流驱动与主动温控***及设计方法
CN112212541B (zh) * 2020-09-15 2021-10-01 中国科学院上海技术物理研究所 自由调节输入功和制冷量的单压缩机三冷头脉冲管制冷机

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2909934B2 (ja) * 1991-07-12 1999-06-23 アイシン精機株式会社 パルス管冷凍機
US7614240B2 (en) * 2006-09-22 2009-11-10 Praxair Technology, Inc. Control method for pulse tube cryocooler
GB2496573B (en) * 2011-09-27 2016-08-31 Oxford Instr Nanotechnology Tools Ltd Apparatus and method for controlling a cryogenic cooling system
CN203068893U (zh) * 2012-12-28 2013-07-17 中国电子科技集团公司第十六研究所 一种自由活塞式斯特林制冷机温度控制器
CN104534719A (zh) * 2014-12-09 2015-04-22 中国科学院上海技术物理研究所 两级高频脉管制冷机直流驱动与主动温控***及设计方法

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106288479A (zh) * 2016-07-28 2017-01-04 武汉高芯科技有限公司 旋转分置式气动斯特林制冷机驱动及温控***和方法
CN106288479B (zh) * 2016-07-28 2019-08-09 武汉高芯科技有限公司 旋转分置式气动斯特林制冷机驱动及温控***和方法
CN107994890A (zh) * 2017-12-28 2018-05-04 中国科学院西安光学精密机械研究所 基于反熔丝fpga的星载制冷机控制器内部复位电路及方法
CN107994890B (zh) * 2017-12-28 2023-09-01 中国科学院西安光学精密机械研究所 基于反熔丝fpga的星载制冷机控制器内部复位电路及方法
CN109990496A (zh) * 2017-12-29 2019-07-09 同济大学 一种串列式脉管制冷机
CN109990496B (zh) * 2017-12-29 2021-10-08 同济大学 一种串列式脉管制冷机
CN108224835A (zh) * 2018-01-10 2018-06-29 中国科学院上海技术物理研究所 一种实现高电机效率的高频脉冲管制冷机的驱动***
CN109740188A (zh) * 2018-12-11 2019-05-10 西北工业大学 两级热电制冷机参数基于响应量方差的全局灵敏度分析方法
CN113239474A (zh) * 2021-03-11 2021-08-10 中国科学院上海技术物理研究所 一种极低温区复合制冷机用管套管换热器的设计方法
CN113239474B (zh) * 2021-03-11 2022-03-29 中国科学院上海技术物理研究所 一种极低温区复合制冷机用管套管换热器的设计方法
CN115183491A (zh) * 2022-05-13 2022-10-14 上海铂钺制冷科技有限公司 一种主动调相型脉冲管制冷机双压缩机驱动控制***

Also Published As

Publication number Publication date
CN204787473U (zh) 2015-11-18
CN104864647A (zh) 2015-08-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN204787473U (zh) 两级高频脉管制冷机直流驱动与主动温控***
CN204513838U (zh) 高频脉冲管制冷机的直流驱动与主动温控***
CN102721243B (zh) 一种基于单片机的多tec调温控制***
Ekren et al. Performance evaluation of a variable speed DC compressor
CN202177270U (zh) 多片半导体制冷器联合控制的温控器
CN102306903B (zh) 一种数字式大功率半导体激光电源
CN202024548U (zh) 一种基于单片机的多tec调温控制***
CN108666856A (zh) 功率稳定型固体激光器及控制方法
Wang et al. High efficiency thermoelectric temperature control system with improved proportional integral differential algorithm using energy feedback technique
CN107588576A (zh) 高精度温控的热电制冷功率优化调节***及方法
US8970158B1 (en) High-efficiency-direct-drive cryocooler driver
CN1453674A (zh) 一种用于热电制冷器的高精度温度控制电路
CN106288479B (zh) 旋转分置式气动斯特林制冷机驱动及温控***和方法
CN210090995U (zh) 一种支持外部通讯的小型tec制冷温度规整***
CN103495444A (zh) 低温恒温槽及低温恒温控制方法
CN105242716A (zh) 一种温度控制***
CN208423445U (zh) 功率稳定型固体激光器
CN104035460A (zh) 一种半球谐振陀螺组合的温控电路
CN103064449B (zh) 一种基于微控制器的制冷机控制电路
CN204832991U (zh) 一种基于pid补偿的tec温控驱动***
CN206593776U (zh) 一种用于斯特林制冷机的高精度测温电路
CN101968664B (zh) 一种表面温度信号快速发生装置
CN108255211A (zh) 一种tec制冷装置
CN203084572U (zh) 一种基于微控制器的制冷机控制电路
CN103899559B (zh) 一种高性能呼吸机涡轮控制器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C05 Deemed withdrawal (patent law before 1993)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20150422