[发明专利]一种低成本的数字自适应TEC控温装置及方法

摘要

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。本发明解决了现有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。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。本发明适用于各种控温场合。

主权项

一种低成本的数字自适应TEC控温方法，该方法是采用低成本的数字自适应TEC控温装置实现的，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；其特征在于：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≥温差门限阈值，则主控数字芯片将输出的PWM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：Δu(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‑1) 为PID控制器在k‑1时刻的输出值；Kp为增量式PID控制器的比例系数；Δe(k) 为k时刻的实时温差值与k‑1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；Δe(k‑1) 为k‑1时刻的实时温差值与k‑2时刻的实时温差值之差。