一种低成本的数字自适应tec控温装置及方法

文档序号:9843698阅读:767来源:国知局
一种低成本的数字自适应tec控温装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及TEC控温技术,具体是一种低成本的数字自适应TEC控温装置及方法。
【背景技术】
[0002] TEC(Thermoelectric Cooler,半导体致冷器)是一种电子制冷器件,其具有体积 小、可制冷和加热、寿命长、无噪声、可靠性高的特点,因此在中小功率的控温场合(例如红 外成像、激光器、航天航空、精密仪器等场合)具有很大的应用优势。目前,TEC控温技术主要 分为纯模拟控温技术、专用芯片控温技术、模拟数字混合控温技术等。实践表明,现有TEC控 温技术由于自身原理所限,存在如下问题:其一,现有TEC控温技术的控温过程难以与不同 的热响应特性进行匹配、控温参数难以更改、控温状态信息难以获取,一方面导致其控温功 耗和控温效率难以优化,另一方面导致其难以与更大的系统集成,由此导致其适用范围严 重受限。其二,现有TEC控温技术的电路结构复杂、器件数量繁多,导致其控温精度难以保 证、体积过大、成本过高。基于此,有必要发明一种全新的TEC控温技术,以解决现有TEC控温 技术控温功耗和控温效率难以优化、适用范围严重受限、控温精度难以保证、体积过大、成 本过高的问题。

【发明内容】

[0003] 本发明为了解决现有TEC控温技术控温功耗和控温效率难以优化、适用范围严重 受限、控温精度难以保证、体积过大、成本过高的问题,提供了一种低成本的数字自适应TEC 控温装置及方法。
[0004] 本发明是采用如下技术方案实现的:一种低成本的数字自适应TEC控温装置,包括 控温目标、温度传感器、主控数字芯片、功率电路单元、滤波扼流单元、TEC芯片;其中,温度 传感器的输入端与控温目标连接;温度传感器的输出端与主控数字芯片的输入端连接;主 控数字芯片的输出端与功率电路单元的控制端连接;功率电路单元的输出端与滤波扼流单 元的输入端连接;滤波扼流单元的输出端与TEC芯片的输入端连接;TEC芯片贴装于控温目 标上。
[0005] 所述温度传感器为ADT7410型温度传感器。
[0006] 所述主控数字芯片为内置有增量式PID控制器的Μ⑶或CPU或DSP或FPGA或CPLD。 [0007]所述功率电路单元为BD6211型Η桥集成功率芯片或M0S集成功率模块或IGBT集成 功率模块。
[0008] 所述滤波扼流单元包括两个滤波电感和一个共模电感;两个滤波电感的首端分别 作为滤波扼流单元的两个输入端;两个滤波电感的尾端分别与共模电感的两个线圈的首端 连接;共模电感的两个线圈的尾端分别作为滤波扼流单元的两个输出端。
[0009] 所述增量式PID控制器采用C语言或verilog或VHDL编程实现。
[0010] -种低成本的数字自适应TEC控温方法(该方法是采用本发明所述的一种低成本 的数字自适应TEC控温装置实现的),该方法是采用如下步骤实现的: a. 主控数字芯片上电启动,并根据控温目标的热响应特性依次设置PWM周期、设置参考 温度值、设置增量式PID控制器的PID系数、设置温差门限阈值、使能功率电路单元,由此完 成主控数字芯片的初始化; b. 温度传感器采集控温目标的实时温度值和环境温度值,并将采集到的实时温度值和 环境温度值发送至主控数字芯片; c. 在每个PWM周期内,主控数字芯片根据参考温度值和接收到的实时温度值计算实时 温差值,并利用增量式PID控制器判断计算出的实时温差值是否属于超调; 如果实时温差值属于超调,则主控数字芯片将输出的PWM占空比设置为0,由此使得功 率电路单元不工作,从而利用环境温度值对控温目标的实时温度值进行自然回调,使得控 温目标的实时温度值上升或下降至参考温度值; 如果实时温差值不属于超调,则主控数字芯片将实时温差值与温差门限阈值进行比 较; 如果实时温差值2温差门限阈值,则主控数字芯片将输出的P丽占空比设置为1,由此 使得功率电路单元以全功率方式工作,功率电路单元的输出电压由此先经滤波扼流单元进 行滤波和扼流,然后以全电压方式加载到TEC芯片上,TEC芯片由此对控温目标进行加热或 制冷,从而使得控温目标的实时温度值快速接近参考温度值; 如果实时温差值< 温差门限阈值,则主控数字芯片将增量式PID控制器的输出值线性 映射到输出的PWM占空比,由此使得功率电路单元以PWM方式工作,功率电路单元的输出电 压由此先经滤波扼流单元进行滤波和扼流,然后以PWM方式加载到TEC芯片上,TEC芯片由此 对控温目标进行加热或制冷,从而使得控温目标的实时温度值上升或下降至参考温度值; 具体的线性映射公式如下:
上式中:Au(k)为增量式PID控制器在k时刻输出的增量差值;u(k)为增量式PID控制 器在k时刻的输出值;u(k-l)为PID控制器在k-Ι时刻的输出值;心为增量式PID控制器的比 例系数;A e(k)为k时刻的实时温差值与k-Ι时刻的实时温差值之差;Ki为增量式PID控制 器的积分系数;e(k)为k时刻的实时温差值;Kd为增量式PID控制器的微分系数;Ae(k-l) 为k-1时刻的实时温差值与k-2时刻的实时温差值之差。
[0011]与现有TEC控温技术相比,本发明所述的一种低成本的数字自适应TEC控温装置及 方法通过采用全新的结构和原理,具备了如下优点:其一,本发明属于全数字的TEC控温技 术,相较于现有TEC控温技术,本发明的控温过程可监控、控温参数可动态配置,因此其能够 匹配不同的热响应特性,由此其一方面能够实现控温功耗和控温效率的最大优化,另一方 面能够与更大的系统集成,从而使得适用范围不再受限。其二,相较于现有TEC控温技术,本 发明有效简化了电路结构、有效减少了器件数量,因此其控温精度更高、体积更小、成本更 低。
[0012]本发明有效解决了现有TEC控温技术控温功耗和控温效率难以优化、适用范围严 重受限、控温精度难以保证、体积过大、成本过高的问题,其既可以独立使用,也可以与更大 的系统集成,适用于各种控温场合。
【附图说明】
[0013] 图1是本发明的一种低成本的数字自适应TEC控温装置的结构示意图。
[0014] 图2是本发明的一种低成本的数字自适应TEC控温方法的步骤a的流程示意图。
[0015] 图3是本发明的一种低成本的数字自适应TEC控温方法的流程示意图。
【具体实施方式】
[0016] -种低成本的数字自适应TEC控温装置,包括控温目标、温度传感器、主控数字芯 片、功率电路单元、滤波扼流单元、TEC芯片;其中,温度传感器的输入端与控温目标连接;温 度传感器的输出端与主控数字芯片的输入端连接;主控数字芯片的输出端与功率电路单元 的控制端连接;功率电路单元的输出端与滤波扼流单元的输入端连接;滤波扼流单元的输 出端与TEC芯片的输入端连接;TEC芯片贴装于控温目标上。
[0017] 所述温度传感器为ADT7410型温度传感器。
[0018] 所述主控数字芯片为内置有增量式PID控制器的Μ⑶或CPU或DSP或FPGA或CPLD。
[0019] 所述功率电路单元为BD6211型Η桥集成功率芯片或M0S集成功率模块或IGBT集成 功率模块。工作时,BD6211型Η桥集成功率芯片适用于驱动小功率TEC芯片,M0S集成功率模 块或IGBT集成功率模块适用于驱动大功率TEC芯片。
[0020] 所述滤波扼流单元包括两个滤波电感和一个共模电感;两个滤波电感的首端分别 作为滤波扼流单元的两个输入端;两个滤波电感的尾端分别与共模电感的两个线圈的首端 连接;共模电感的两个线圈的尾端分别作为滤波扼流单元的两个输
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