[发明专利]一种基于PWM原理的红外线轴温探测系统光子探头制冷控制装置及其控制方法

说明书

技术领域

本发明属于列车安全监控技术领域，具体涉及一种基于PWM原理的红外线轴温探测系统光子探头制冷控制装置及其控制方法。

背景技术

运行中的列车，车轮轴承与轴颈或轴承本身产生摩擦会使列车轴箱发热，热量传至轴箱与外界环境达成平衡，轴箱表面温度趋于稳定值。当轴箱内部出现故障时，摩擦加剧，单位时间内产生的热量增加，温度突升。可能造成列车出轨，引起人身伤亡及货车、车辆、铁路、建筑物的破坏。由于红外测温具有可以进行远距离非接触测量、响应速度快、测温范围广、精度高等优点，所以目前检测列车轴承温度普遍采用了红外线轴温探测系统。随着近几年国内列车的几次提速，现有的热敏探测器因其响应时间常数大而渐渐不能适应热轴探测的需要，而光子类红外探测器因其响应速度快而受到重视。但是这些光子器件工作时均需低温制冷或外加磁场，并且是在铁路旁的恶劣环境下使用，严重影响了光子类红外探测器的使用寿命和使用效果。

目前红外线轴温探测系统光子探头制冷控制板，采用电流驱动电路使用三极管工作在线性工作区，导通电阻大，功耗大，效率低，发热量大，需要增加体积庞大的散热器，而且温度调整后需要的稳定时间较长。外围器件多，电路复杂，不利于电路调试维护。同时，只有一种工作模式，在现场电气环境极其恶劣时，会出现反馈控制失灵现象。

发明内容

本发明采用了先进的数控脉冲宽度调制(PWM)技术来控制热电制冷器。采用MOSFET开关管大幅减小导通电阻，大大降低了系统的热功耗，提高了效率；MOS开关频率达100KHz，故控温精度达±0.1℃；运用增量式PID控制算法，温度调整后需要的稳定时间大幅减小。采用表贴元件与芯片，体积小，集成度高，需要的外围电路简单；具有多种系统监控功能，如探测器温度监控、热电制冷器电流保护、热电制冷器电压保护等。增加工作模式调整功能，可根据不同的现场应用条件，对温控系统的工作模式在恒温和恒流间进行转换。

本发明提出一种基于PWM原理的红外线轴温探测系统光子探头制冷控制装置，其特征在于：包括光子探测器A、光子探测器B和温度控制板，所述的温度控制板包括电压调理模块A、电压调理模块B、电流驱动模块A、电流驱动模块B、控制模块和通信模块；所述的控制模块包括单片机和DAC芯片；所述的电流驱动模块A和电流驱动模块B均包括PWM驱动芯片和限流保护电路。

所述的光子探测器A和光子探测器B分别设置于铁路轨道两侧，光子探测器A和光子探测器B中包含的热电制冷器A和热电制冷器B冷面上分别设置有热敏电阻，用于测量热电制冷器A和热电制冷器B的温度电压信号，并将温度电压信号进行调理放大后分别经电缆线传送到电压调理模块A和电压调理模块B。

所述的电压调理模块A和电压调理模块B用于将调理放大后的温度电压信号进行调理复原，并传输至控制模块的单片机中，经单片机对复原后的温度电压信号进行ADC采样，并通过增量PID控制完成温度控制，并向控制模块的DAC芯片输出温度电压控制量，重现PWM驱动芯片的设置电压。

所述的电流驱动模块A和电流驱动模块B的PWM驱动芯片与DAC芯片相连，根据重现的PWM驱动芯片的设置电压完成PWM脉冲的占空比大小控制，向LC低通滤波器输出PWM脉冲，变为直流电流和电压，经LC低通滤后的直流电流和电压超过保护值时，电流驱动模块A和电流驱动模块B的限流保护电路启动，电流驱动模块A和电流驱动模块B进入保护模式，进而使驱动光子探测器A和光子探测器B的热电制冷器A和热电制冷器B工作在恒流状态。

本发明提出一种基于PWM原理的红外线轴温探测系统光子探头制冷控制方法，包括以下几个步骤：

步骤一：通过热电制冷器A和热电制冷器B上设置的测温电路测量热电制冷器A和热电制冷器B的温度电压信号，并将温度电压信号调理放大后，分别经电缆线传送到电压调理模块A和电压调理模块B；

步骤二：经调理放大的温度电压信号经电压调理模块A和电压调理模块B的调理复原后传输至控制模块的单片机中，通过单片机对调理复原后的温度电压信号进行ADC采样；

步骤三：单片机通过通信模块获得上位机的温度电压命令，设置温度电压，根据设置的温度电压，将ADC采样后的温度电压信号经单片机的预置控温策略和增量PID控制完成温度控制，并向控制模块的DAC芯片输出温度电压控制量，根据温度电压控制量重现PWM驱动芯片的设置电压，并将该设置电压输出至电流驱动模块A和电流驱动模块B的PWM驱动芯片经PWM驱动芯片完成PWM脉冲的占空比大小控制后向LC低通滤波器输出PWM脉冲，PWM脉冲经LC低通滤波器的低通滤波后，变为直流电流和电压；