一种斯特林制冷机精准控温驱动电路及控制方法与流程

本发明涉及一种精准控温驱动电路的及其控制方法，特别涉及一种斯特林制冷机精准控温驱动电路及控制方法，属于电子电路领域。

背景技术

斯特林制冷机作为低温技术的重要分支，广泛应用于军事、气象、航空航天、低温电子学、低温医学等领域。同时随着其应用的推广，制冷量的提高，大冷量的斯特林制冷机也将在普冷行业如民用制冷具备极大的发展潜力，发展前景十分广阔。但由于斯特林制冷机的技术成本过高，斯特林制冷机目前主要运用于军事和航天领域。斯特林制冷机在普冷领域的研究仍处于起步阶段，对斯特林电机的驱动控制研究也还主要针对小功率、小冷量的小型斯特林电机。国内对于大功率大冷量的斯特林机还未有相应的控制器研制和应用推广。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种斯特林制冷机精准控温驱动电路及控制方法，其将fpga+mcu相结合，有利于更加精准的控温和进行参数的交互。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案在于，一种斯特林制冷机精准控温驱动电路，包括

—用于与计算机或者系统平台实时通讯的mcu主控电路；

—用于进行温度数据采集处理、模糊pid控制算法实现以及spwm波形产生的fpga模块；以及

—用于增强驱动能力的全桥驱动模块；

所述mcu主控电路与fpga模块电连接，所述fpga模块与全桥驱动模块电连接，全桥驱动模块通过接口电路与声能压缩机以及温度采集模块电连接，声能压缩机与温度采集模块电连接，温度采集模块通过温度信号调理电路与fpga模块连接。

在本专利中，所述mcu主控电路与fpga模块电连接，进行温度、电压、电流、频率的设置和读取，所述fpga模块与全桥驱动模块电连接，全桥驱动电路采用正弦逆变驱动模式，加电工作后由fpga产生spwm波，spwm波的占空比和频率可以通过fpga可编程进行调节，通过驱动与变换电路生成两路互补spwm控制信号控制场效应管全桥电路进行功率输出。经整形滤波电路后输出正弦波，全桥驱动模块通过接口电路与声能压缩机连接，将输出的正弦波用于驱动声能压缩制冷机全速工作。声能压缩机与温度采集模块电连接，温度采集模块通过温度信号调理电路与fpga模块连接，将温度信息变化量反馈给fpga内部的pid控制器作为pid控制器的输入变化量来产生其输出控制量，输出控制量会使得fpga输出一个经过调整后的spwm波，从而构成一个精准控制温度变化的闭环。

本发明提出的具体思路为：采用fpga+mcu的驱动控制电路设计模式，克服目前国内已有的斯特林制冷机驱动控制电路采用单片机控制中程序编写复杂，响应适时性和计算处理能力不理想等问题。fpga具有速度快、事件处理能力强，控温精度高等特点，因此我们采用以fpga为核心的数字控制正弦逆变驱动模块式，提高驱动效率；利用fpga的强大处理能力及内部资源加入大量算法结合外部温度反馈电路达到更高的控温精度；采用特殊的接口处理和相应的电路设计来消除电磁干扰对系统的影响；选用高效的mosfet/igbt全桥结合相应设计的整形滤波电路达到输出大功率的驱动能力，同时考虑人机交互的功能，通过mcu进行人机对话处理，下述具体实施方式中有详细描述。

电路中控制功能由mcu主控电路和fpga模块共同完成，是整个电路的核心部分。

在电路的设计中采用基于fpga(现场可编程门阵列)的在线可编程技术，在硬件电路设计定型的基础上通过修改程序来满足不同的使用需求，兼顾实现电路的专用性和较好的可移植性。利用fpga快速高效的处理能力，对制冷机的工作频率、驱动电压以及控温电压进行精确控制；同时接收制冷机的环境温度信号。产生spwm控制信号和电源电路控制信号。在基于fpga实现spwm波的发生，电压、温度的实时控制过程中，为了降低控制效果对数学模型精度的依赖性，提高控制系统的鲁棒性，在传统pid控制中加入现代智能算法，引入模糊控制的环节，可以在保留传统控制方法的通用性、可靠性的基础上，同时使得控制过程更加快捷，提高控制器的动态性能。

本发明的有益效果：本发明提出了一种采用现场可编程门阵列和微控制器联合控制的斯特林制冷机驱动电路方案和方法，使得温度、功率、频率等参数精准可控，可以实现功率的连续可调输出，提高了驱动电路的适应性。fpga与mcu的共同使用，最大程度地发挥了二者的特点，有利于更加精准地控温和进行参数的交互。本发明提出了一种基于模糊理论的温度控制算法，使得温度能够得到精确、快捷控制，给出了一种功率连续可调的spwm波设计方法，同时可以依据所需功率设置波形幅度门限，防止撞缸。本发明提出了一种输出滤波电路的设计方法，给出了lc参数的计算方法，在不增加电路难度的情况下，可以通过输出滤波，减少输入谐波畸变，降低输入电压的thd，有效抑制了输入电压产生的振动。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为是本发明的电路控制系统组成框图；

图2为是本发明中系统方案框图；

图3为是本发明的驱动电路图；

图4为本发明的输出滤波电路图。

图5为本发明驱动电路控制方法的流程图；

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合实施例对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1-图4所示，本发明公开了一种斯特林制冷机精准控温驱动电路，包括：

—用于与计算机或者系统平台实时通讯的mcu主控电路；

—用于进行温度数据采集处理、模糊pid控制算法实现以及spwm波形产生的fpga模块；以及

—用于增强驱动能力的全桥驱动模块；

所述mcu主控电路与fpga模块电连接，进行温度、电压、电流、频率的设置和读取，所述fpga模块与全桥驱动模块电连接，全桥驱动电路采用正弦逆变驱动模式，加电工作后由fpga产生spwm波，spwm波的占空比和频率可以通过fpga可编程进行调节，通过驱动与变换电路生成两路互补spwm控制信号控制场效应管全桥电路进行功率输出。经整形滤波电路后输出正弦波，全桥驱动模块通过接口电路与声能压缩机连接，将输出的正弦波用于驱动声能压缩制冷机全速工作。声能压缩机与温度采集模块电连接，温度采集模块通过温度信号调理电路与fpga模块连接，将温度信息变化量反馈给fpga内部的pid控制器作为pid控制器的输入变化量来产生其输出控制量，输出控制量会使得fpga输出一个经过调整后的spwm波，从而构成一个精准控制温度变化的闭环。

所述mcu主控电路与计算机或者系统平台实时通讯，进行温度、电压、电流、频率的读出和设置，将控制参数的输入和人机界面交互显示。

所述mcu主控电路用于实现电路直流输入随交流ac输出实时变化以确保输出的稳定性；还用于实现掉电保护和系统复位。

根据电路所需运算量，可以选择fpga或者cpld进行温度数据采集处理、模糊pid控制算法的实现以及spwm波形的产生。除温度采集电路外，全部由数字电路组成，抗干扰能力强，参数灵活可变。在机械制冷机闭环温度控制系统中，pid控制器采用模糊数字pid算法，pid控制器输出的控制量与spwm波的调制比成比例关系。为了避免制冷机撞缸，根据制冷机允许的最大输入功率对pid控制器的输出进行限幅，即对pid控制器输出的控制量限幅。fpga/cpld输出的spwm波经驱动电路放大后驱动制冷机工作。

从fpga送出的spwm控制信号电压不能直接驱动功率igbt/mosfet管，需经过驱动模块增强驱动能力。如附图3所示，驱动芯片选用ir公司的ir2304s系列全桥驱动芯片，芯片带有输出使能控制端，当控制端为低电平时，允许输出；当控制端为高电平时，禁止输出。将四路spwm波作为输入信号控制端的状态：若上下桥臂直通，则驱动芯片的输出被关断，避免电路出现大电流。

滤波整形电路为满足大功率、大电流输出，输出滤波电容采用高电压、无极性、高精度电容。滤波电感则在保证电感参数和滤波性能不变的前提下可以采用大线径漆包线绕制，以保证大电流输出。

直线电机驱动声能压缩机活塞以一定的频率沿轴向做往复运动，因此对驱动电压的谐波失真(thd)具有较高要求。若thd过大，活塞运动过程中会引入大量谐波，从而产生高频振动，也会降低机械制冷机效率，增加声能压缩机的摩擦损耗，减少空间机械制冷机的寿命。因此，为降低驱动电压的thd，本发明在制冷机的输入端和驱动电压之间加入滤波器，以减少输入谐波畸变，降低输入电压的thd，达到有效抑制输入电压产生的振动的目的。

所述滤波电路的电感l和电容c的选择依据下式(1)和(2)进行选择，其中，

式中，r为阻感性等效负载，fm为滤波器截止频率。

如图5所示，本发明同时还公开了一种斯特林制冷机精准控温驱动电路的控制方法，包括以下步骤：

(1)建立模糊集

将温度、功率、信号频率、撞缸功率门限等控制规则作为模糊集因子，建立模糊集；

(2)形成系统知识库

将上述模糊控制规则及有关参数指标信息作为知识存入到系统知识库；

(3)输出控制量计算

输出控制量δu(k)由输入误差e(k)根据下述公式(3)计算

其中kp、ki和kd分别为比例系数、积分系数和微分系数。

(4)pid参数的自适应调整

实现对pid参数的自适应调整；结合模糊算法的pid控制，选用温度误差和温度误差偏差二维输入，根据不同的偏差和偏差变化率，对pid参数偏差比例p、偏差积分i、偏差微分d进行在线调整。

本发明提出了一种采用现场可编程门阵列和微控制器联合控制的斯特林制冷机驱动电路方案和方法，使得温度、功率、频率等参数精准可控，可以实现功率的连续可调输出，提高了驱动电路的适应性。fpga与mcu的共同使用，最大程度地发挥了二者的特点，有利于更加精准地控温和进行参数的交互。本发明提出了一种基于模糊理论的温度控制算法，使得温度能够得到精确、快捷控制，给出了一种功率连续可调的spwm波设计方法，同时可以依据所需功率设置波形幅度门限，防止撞缸。本发明提出了一种输出滤波电路的设计方法，给出了lc参数的计算方法，在不增加电路难度的情况下，可以通过输出滤波，减少输入谐波畸变，降低输入电压的thd，有效抑制了输入电压产生的振动。

所描述的实施例只是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。