[发明专利]两级高频脉管制冷机直流驱动与主动温控系统及设计方法

权利要求书

1.一种两级高频脉管制冷机直流驱动与主动温控系统，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)、数字信号处理器(5)、双通道数字-模拟信号转换模块(6)、双通道温度信号采集及运放模块(7)以及H桥功率放大模块(14)，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，双通道温度信号采集及运放模块(7)由两个热电偶、两个测温电桥，两个运算放大器以及相应外围电路组成，H桥功率放大模块(14)由H桥集成芯片及相应外围电路组成；

外部直流总线(2)连接H桥功率放大模块(14)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(7)和H桥功率放大模块(14)进行供电，DC-DC转换模块二(3)连接双通道模拟-数字信号转换模块(4)、数字信号处理器(5)以及双通道数字-模拟信号转换模块(6)进行供电；双通道温度信号采集及运放模块(7)连接至脉冲管制冷机的第一级冷端换热器(10)以及第二级冷端换热器(8)处，通过设置在脉冲管制冷机第一级冷端换热器(10)上的热电偶一(23)以及第二级冷端换热器(8)上的热电偶二(26)分别获取到两级温度的电阻信号，利用测温电桥一(24)和测温电桥(27)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(25)和信号运放模块二(28)，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数字信号处理器(5)后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(6)，转换为相应的SPWM模拟信号一(29)和SPWM模拟信号二(30)；SPWM模拟信号一(29)和SPWM模拟信号二(30)均连接至H桥功率放大模块(14)中的H桥电路一(31)和H桥电路二(32)，在外部直流总线(2)提供能量的前提下，H桥功率放大模块(14)以SPWM模拟信号一(29)和SPWM模拟信号二(30)作为控制信号，改变H桥电路一(31)和H桥电路二(32)上MOSFET管的通断时间，从而实现SPWM模拟信号一(29)和模拟信号二(30)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(33)和直线电机二(33′)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(10)和第二级冷端换热器(8)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，在主要调节第二级冷端换热器(8)温度的同时也对第一级冷端换热器(10)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(10)和第二级冷端换热器(8)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系统。

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系统的方法，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(7)和H桥功率放大模块(14)进行供电，DC-DC转换模块二(3)连接双通道模拟-数字信号转换模块(4)、数字信号处理器(5)以及双通道数字-模拟信号转换模块(6)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(7)，该模块包括热电偶一(23)、测温电桥一(24)、信号运放模块一(25)、热电偶二(26)、测温电桥二(27)以及信号运放模块二(28)，通过设置在脉冲管制冷机第一级冷端换热器(10)上的热电偶一(23)以及第二级冷端换热器(8)上的热电偶二(26)分别获取到每一级温度的电阻信号，利用测温电桥一(24)和测温电桥(27)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(24)以及测温电桥二(27)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(25)和信号运放模块二(28)，将两路电压信号分别转换为0～3V大小的模拟电压信号；

步骤三：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)、数字信号处理器(5)以及双通道数字-模拟信号转换模块(6)，数字信号处理器(5)是建立在以DSP为硬件基础，结合相应控制算法配合实现两级间权衡控制、PID控制以及SPWM信号调制功能；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数字信号处理器(5)，通过软件实现两级间权衡控制，对两路数字信号进行比较及权衡分配，并输出处理后的初步控制信号；通过软件实现PID控制，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；总正弦控制信号进一步被软件实现的SPWM信号调制功能处理；首先，通过正弦信号离散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(6)，转换为相应的SPWM模拟信号一(29)和SPWM模拟信号二(30)；

步骤四：设计用于进行控制信号放大的H桥功率放大模块(14)，该模块包括H桥电路一(31)和H桥电路二(32)，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(29)和SPWM模拟信号二(30)，直线电机一(33)和直线电机二(33′)分别接入H桥电路一(31)和H桥电路二(32)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(29)和SPWM模拟信号二(30)中不同时间点上的占空比，改变H桥电路一(31)和H桥电路二(32)上MOSFET管的通断时间，从而实现SPWM模拟信号一(29)和模拟信号二(30)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(33)和直线电机二(33′)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(10)和第二级冷端换热器(8)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功能的共同作用，在主要调节第二级冷端换热器(8)温度的同时也对第一级冷端换热器(10)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(10)和第二级冷端换热器(8)的温度稳定性的同时控制。