专利名称：热分析仪高频pwm温度控制装置和控制方法
技术领域：
本发明属于热分析 技术领域，具体涉及一种温度控制装置和控制方法，尤其涉及 一种适合于热分析仪的温度控制装置和控制方法。
背景技术：
热分析仪是分析物质在加热或冷却过程中某些物理变化和化学变化与温度升降 关系的仪器。常用的热分析仪器有热重分析仪(TGA)、差热分析仪(DTA)、差示扫描量热仪 (DSC)以及热机械分析仪(TMA)等。上述仪器需要采用程序温度控制方式实现高精度温度 控制，包括等速升温/降温、恒温，甚至调制温度等多种模式，温度控制的准确度直接影响 分析结果。目前热分析仪中常用的温度控制装置普遍采用过零触发方式和可控硅导通角控 制方式。过零触发方式是在设定时间间隔内，改变晶闸管导通的周波数来实现功率的调节。 其导通电流、关断电流为零，减少了对电网的干扰。但存在功率控制难以达到较高分辨率的 弊端。如按我国50HZ市电计算，功率调整周期为10秒的话，功控分辨率仅能达到1/600。 而现代热分析仪升温速率范围从0. 1度/分到100度/分，粗糙的分辨率难以实现准确的 温度控制。可控硅导通角控制方式通过改变导通角来调整功率，包含三角函数，要实现功率 的线性调整，导通角的计算量非常大，并且可控硅控制方式带来的干扰难以消除。另外，上 述两种控温方式，市电的波动对控温效果也存在较大的影响。
发明内容
鉴于上述情形，本发明的目的在于提出一种功率控制分辨率高、不受外电网电压 波动影响的热分析仪温度控制装置和控制方法。本发明提出的热分析仪温度控制装置，它包括微控制器模块，分别与所述微控制 器相连的功率控制模块、温度测量模块，分别与所述功率控制模块相连接的AC-DC稳压模 块和干扰抑制模块，以及与所述干扰抑制模块相连接的加热丝；其中
所述AC-DC稳压模块将交流电转换为恒定的直流电压，并将该直流电压输出至功率控 制模块；
所述功率控制模块接收来自高频P W M控制信号，控制AC-DC稳压模块输出的直流电 压是否输出到干扰抑制模块，并进一步输出到加热丝；
所述测温度测量模块包含热电偶电压测量部分和冷端温度测量部分，所述冷端温度 测量部分用于热电偶冷端补偿。所述的热分析仪温度控制装置的具体部件包括恒压电源组件、大功率开关器件 及其驱动组件、滤波组件、微控制器控制组件、加热炉、温度传感器与信号调理放大组件、温 度采样组件。所述恒压电源组件为大功率开关电源，是加热炉工作电源。恒压电源组件通 过大功率开关器件、滤波组件后与加热炉相连。微控制器控制组件根据温度控制方法计算 出PWM占空比，形成高频PWM调制信号。高频PWM调制信号经大功率开关器件驱动组件驱动，控制大功率开关器件的通断。达到调整输送到加热炉的有效功率的作用。所述热分析仪高频PWM温度控制装置的控制方法，具体步骤包含目标对象温度计 算、P WM占空比计算、不同升温速率温控段过渡区拐点处理；其中
所述目标对象温度计算，其过程包括
采用高次函数拟合室温范围内热电偶电压与温度对应函数关系f T2V( T )；
采用高次函数拟合热分析仪应用温度范围内热电偶温度与电压函数关系f V2T( V )；
冷端补偿的过程为
权利要求
1.热分析仪高频PWM温度控制装置，其特征在于它包括微控制器模块，分别与所述微 控制器相连的功率控制模块、温度测量模块，分别与所述功率控制模块相连接的AC-DC稳 压模块和干扰抑制模块，以及与所述干扰抑制模块相连接的加热丝；其中所述AC-DC稳压模块将交流电转换为恒定的直流电压，并将该直流电压输出至功率控 制模块；所述功率控制模块接收来自高频P W M控制信号，控制AC-DC稳压模块输出的直流电 压是否输出到干扰抑制模块，并进一步输出到加热丝；所述温度测量模块包含热电偶电压测量部分和冷端温度测量部分，所述冷端温度测量 部分用于热电偶冷端补偿。
2.根据权利要求1所述的热分析仪高频PWM温度控制装置，其特征在于所述的温度测 量模块(2)中热电偶电压测量部分包括热电偶(2. 1)，与热电偶(2. 1)相连接的信号放大调 理单元(2. 2)，以及与信号放大调理单元(2. 2)相连接的热电偶AD转换单元(2. 3)；所述温 度测量模块(2)中冷端温度测量部分包括冷端温度传感器单元(2. 4)和与冷端温度传感器 相连接的冷端AD转换单元(2. 5);所述热电偶AD转换单元(2. 3)和冷端AD转换单元(2. 5) 与微控制器模块(1)相连，微控制器模块(1)利用冷端AD转换单元(2. 5)输出的数据对热 电偶AD转换单元(2. 3)输出地数据进行补偿，得到目标控制对象的真实温度。
3.根据权利要求2所述的热分析仪高频PWM温度控制装置，其特征在于所述的功率控 制模块(4 )包含与微控制器模块(1)相连的驱动模块单元(4. 2 )，还包括与AC-DC稳压电源 (3)、干扰抑制模块(5)、驱动模块(4. 2)相连的大功率开关器件(4. 1)；微控制器模块(1) 输出的PWM信号经驱动模块单元(4. 2)光电隔离，提升驱动能力后，控制大功率开关器件 (4. 1)导通与截止，从而控制AC-DC稳压电源(3 )按照微控制器模块(1)输出的PWM信号的 脉宽比输出到干扰抑制模块(5)，进一步输出到加热丝(6)，控制输出到加热丝(6)的实际 功率。
4.根据权利要求3所述的热分析仪高频PWM温度控制装置，其特征在于所述的所述干 扰抑制模块(5)包含连接于大功率开关器件(4. 1)输出端和地之间的肖特基二极管(5. 1)， 还包含连接大功率开关器件(4. 1)输出端和加热丝(6)之间的扼流圈(5. 2)，还包含连接扼 流圈(5. 2)与地之间的滤波电容(5. 3)，加热丝(6)与滤波电容(5. 3)并联连接。
5.根据权利要求4所述的热分析仪高频PWM温度控制装置，其特征在于控制装置的控 制程序包括主程序模块(7)、AD转换中断服务模块(8)和温控定时中断服务模块(9)；其中 主程序模块(7)用于系统初始化和轮流检测设定的标志位；AD转换芯片产生新的数据时， 调用AD转换中断服务模块(8)，读取AD转换值，设置数据更新标志位；温控周期时间到达 时，产生温控定时中断，调用温控定时中断服务模块(9)，计算当前需要输出PWM波形的占 空比，设置PWM定时器占空比寄存器。
6.根据权利要求5所述的热分析仪高频PWM温度控制装置，其特征在于所述主程序模 块(7)，首先完成微控制器接口初始化、模数转换芯片初始化、模数转换芯片中断设置、脉宽 调制定时器初始化、温控定时器初始化、温控定时器中断设置；然后循环轮流检测冷端AD 值更新标志、热电偶AD值更新标志、判断是否需要更新PID参数；当冷端AD值更新标志为 真时，依次进行冷端AD值滤波，计算冷端温度；当热电偶AD值更新标志为真时，依次进行热 电偶AD值滤波(7. 11)、计算目标对象温度(7. 9);当判断需要更新PID参数时，神经网络修正PID参数(7. 14)被调用，神经网络修正PID参数(7. 14)根据当前的目标温度、当前设定 温度与目标温度之差、当前温度变化率计算PID参数Kp、Ki、Kd，并且反馈当前控制误差修 正神经网路权值系数；当AD转换产生新的数据，中断发生时，调用AD转换中断服务模块(8)，在AD转换中断 服务模块(8 )中实现热电偶电压值和冷端温度的采集，采集完成后设置相应的更新标志，以 便主程序模块(7)查询；当设定的温度控制周期时间到来后，产生温控定时中断，调用温控定时中断服务模块 (9)；温控定时中断服务模块(9)按照预先设定的温度曲线，实时动态计算目标对象设定温 度；根据设定温度和当前温度，运用PID算法计算PWM波形占空比；设置PWM定时器占空比 设置寄存器，微控制器(1)输出该占空比的PWM波形。
7.根据权利要求6所述的热分析仪高频PWM温度控制装置，其特征在于所述主程序 模块(7)所包含的计算目标对象温度模块(7. 9)，对热电偶冷端进行补偿，根据所测得的 热电偶输出电压值计算目标函数的实际温度；根据热电偶分度表，用三次函数分段拟合出 在-50°C至100°C之间热电偶冷端为0°C条件下温度与电压的对应函数fT2V(T)；用三次函 数分段拟合出-100°C -iooo°c之间热电偶冷端为o°c条件下电压与温度对应关系的函数 fV2T(V)；计算目标对象温度模块(7. 9)进一步包含三次函数拟合冷端温度对应热电偶电压 模块(7. 9. 1)、计算相对于冷端0°C时热电偶相应输出电压值模块(7. 9. 2)、三次函数拟合 热电偶电压对应温度值模块(7. 9. 3)三个模块；这三个模块的计算公式依次为Vcold- f*T2V (TcoId)公式 1Vor = Vcold+ Vffl公式 2τ = fV2T (Vor)公式 3T。。ld为冷端温度；热电偶热端为T。。ld，冷端温度为0°C时，对应输出电压为V。。ld;相对于 热电偶冷端在0°C条件下热电偶应该输出的电压Vcre，T为目标对象实际温度。
8.根据权利要求7所述的热分析仪高频PWM温度控制装置，其特征在于所述温控定 时中断服务模块(9)所包含的计算温度设定值模块(9. 1)，进一步包含判断是否为恒定温 度区域模块(9. 1. 1)、判断是否为线性升降温区域模块(9. 1. 2)、判断是否为拐点区域模块 (9. 1. 3)；当判断为恒定温度区域成立时，目标对象设定温度为固定值；当判断为线性升降 温区域成立时，根据所设定升降温速率，线性修改目标对象设定温度；当判断为拐点区域成 立时，利用二次或高次函数修正拐点曲线，得到拐点函数，根据拐点函数修改目标对象设定 温度。
9.根据权利要求8所述的热分析仪高频PWM温度控制装置，其特征在于所述利用二次 函数修正拐点曲线，根据拐点函数修改目标对象设定温度的步骤为设前一段升温速率为h，后一段升温速率为k2，则建立拐点函数Ts=kt2 ；当1^众2时，k取正值，否则k取负值，k为经验值；为使两温控段平滑过渡，二次拐点函数与温控段相交处斜率相同，即得A1=Ic1/ (2*k)，t2=k2/(2*k)；在前一温控段结束后，按Ts=kt2 (t>=t1; t<t2)修改目标设定温度，当t=t2时，进入后一 温控段。
10.应用于权利要求1一9之一所述热分析仪高频PWM温度控制装置的控制方法，其特征在于具体步骤包含目标对象温度计算、P WM占空比计算、不同升温速率温控段过渡区 拐点处理；其中所述目标对象温度计算，其过程包括采用高次函数拟合室温范围内热电偶电压与温度对应函数关系f T2V( T )； 采用高次函数拟合热分析仪应用温度范围内热电偶温度与电压函数关系f V2T( V )； 冷端补偿的过程为Vcold- f*T2V (TcoId)公式 1Vor = Vcold+ Vffl公式 2τ = fV2T (Vor)公式 3T。。ld为 冷端温度；热电偶热端为T。。ld，冷端温度为0°C时，对应输出电压为V。。ld;相对于 热电偶冷端在0°C条件下热电偶应该输出的电压Nov，T为目标对象实际温度； 所述PWM占空比计算，其过程包括 利用神经网络动态修改PID系数； 利用PID方法计算PWM占空比；所述不同升温速率温控段过渡区拐点处理，其过程包括根据两相邻温控段不同升温速率，计算二次或高次函数的系数；采用二次或高次平滑 连接相邻温控段，减小不同温控段拐点处过冲现象。
全文摘要
本发明属于热分析技术领域，具体为一种热分析仪高频PWM温度控制装置及控制方法。该温度控制装置包括微控制器模块，分别与该微控制器相连的功率控制模块、温度测量模块，与功率控制模块相连接的AC-DC稳压模块和干扰抑制模块，还包括与干扰抑制模块相连接的加热丝，所述温度测量模块进一步包括热电偶电压测量模块和冷端补偿模块。其中，AC-DC稳压模块将交流电转换为稳定的直流电源，功率控制模块接收微控制器输出高频PWM信号；微控制器检测热电偶电压和冷端温度，得到实际温度，并动态调整微控制器所输出PWM信号占空比。本发明还提供适用于该温度控制装置的控制方法，能实现满足热分析仪需求的高精度温度控制。
文档编号G01N25/00GK102109861SQ20101058910
公开日2011年6月29日 申请日期2010年12月15日 优先权日2010年12月15日
发明者杨磊, 胡运发, 邹豪杰, 郭贵兵, 陈彤兵 申请人:复旦大学