基于緩啟動原理的開環(huán)斯特林制冷機電控箱的研制

基于緩啟動原理的開環(huán)斯特林制冷機電控箱的研制摘要：斯特林制冷機是紅外成像儀的關鍵部件。通常的控制是采用閉環(huán)控制來實現(xiàn),其電路較為復雜。通過對閉環(huán)斯特林制冷機電控箱的特性分析,得出結(jié)論:斯特林制冷機在啟動初始,由于氣動力較大的原故,會對膨脹機的驅(qū)動產(chǎn)生影響,使膨脹機出現(xiàn)撞缸。為解決這一問題,設計上提出了緩啟動電路來克服這一困難。實驗結(jié)果表明,這一設想是正確的,設計出的開環(huán)電控箱達到了不撞缸連續(xù)工作的設計指標。緩啟動的原理是在剛開機時給制冷機的壓縮機和膨脹機加較小的工作電壓,使之工作在不撞缸的工作模式下。隨著制冷機的降溫,氣動力變的較小,工作電壓逐漸增大,適當選擇延時時間,可保證制冷機在降溫過程中不撞缸。開環(huán)電控箱的制作目的是用來摸索制冷機的最佳工作參數(shù)。整個電控箱的輸出功率可達120瓦,工作頻率范圍為:27-71赫茲,相位調(diào)節(jié)范圍為:0-360度.延時時間為:0-10000秒。本電控箱與制冷機聯(lián)機工作性能如下:60K溫度下,得到2瓦冷量,80K溫度下,得到4瓦冷量,100K溫度下,得到6瓦冷量。關鍵字：斯特林制冷機電控箱開環(huán)控制緩啟動0引言斯特林制冷機作為紅外成像儀的關鍵部件,對長波紅外器件的成像不可或缺。長波紅外器件一般都為窄禁帶半導體器件,常溫環(huán)境下的熱噪聲會很大,以至不能很好成像,必須將其冷卻到低溫才能達到很高的信噪比。斯特林制冷機一般由壓縮機和膨脹機組成。兩者的驅(qū)動都是正弦波交流電壓,頻率范圍為40-60赫茲,幅度,相位,偏置可調(diào)。根據(jù)機器的不同(如振動簧片材料的不同),最佳工作頻率會不同,根據(jù)充氣壓力的不同,最佳的工作相位差(壓縮機位移信號與膨脹機位移信號之間的相位差)會有所不同。在斯特林制冷機的制冷過程中,驅(qū)動電壓的偏置也會發(fā)生變化。因此,傳統(tǒng)的電控箱采用閉環(huán)的方式來控制制冷機的工作。但這種電控箱對研究制冷機的最佳工作狀態(tài)帶來了不便;因為所有的工作參數(shù)都固化在芯片中,要做任何改動都要重新燒芯片,不利于研究工作的開展。為此,我們研制了一臺開環(huán)斯特林制冷機電控箱,它的工作頻率,位相,延時時間,幅度,偏置都可方便的調(diào)節(jié),對于開展研究工作提供了便利。1功率放大器為提高電源轉(zhuǎn)換效率,我們采用PWM電路來放大正弦波電信號。這里,我們采用成熟的PWM功放電路,其控制芯片采用UC1637/883B;它的工作頻率為33K赫茲,用它可驅(qū)動場效應晶體管對。在我們的應用中,采用了兩個UC1637/883B芯片,構成了兩路功率放大器,每路放大器可提供60瓦不失真正弦波電壓。這兩路驅(qū)動電信號完全對稱;等幅,同頻率,同位相;對稱地驅(qū)動兩個對置壓縮機。為了不失真地驅(qū)動壓縮機,工作電源電壓設為+35伏,這樣功率放大器可提供的不失真最大電壓為23.3伏(有效值)。可保證制冷機獲得要求的冷量:100K6瓦。PWM功率放大器的工作原理是產(chǎn)生一個33K赫茲的三角波電壓,利用它將工頻正弦波調(diào)制于其上,然后,送場效應晶體管對進行放大,放大后將33K赫茲的高頻信號濾除,得到所需的放大后的工頻驅(qū)動電壓。我們將PWM功放電路制作成單獨的模塊,在電源線入口,加裝EMI電源濾波器和壓敏電阻,并將整個模塊屏蔽起來,以減小電磁干擾。進行了以上處理后,電源線上的毛刺干擾大大降低(噪聲幅值的有效值小于100毫伏),同時,由于加裝了壓敏電阻,抑制了線上浪涌電壓的影響,輻射噪聲也得到了抑制(噪聲幅值的有效值小于200毫伏);這樣的指標基本滿足了EMC試驗的要求。對于PWM功放控制電路芯片,其工作電壓為+15伏,我們采用了一個LM7815工業(yè)級芯片從+35總電源上獲得+15伏電壓。原因是這樣的芯片為TO-220封裝,便于安裝。這樣整個PWM功放電源模塊的性能為工業(yè)級。如要升級為軍級模塊,就要另外采用軍級芯片來代替LM7815芯片;相應的軍級芯片為TO-3封裝,需與PWM功放模塊分開安裝。另一個變通方法是加裝一塊28V/+15VDC/DC。另外,正弦波電壓必須進行電平變換,將±2.5伏的正弦波電壓變換為7.5伏±2.5伏;我們采用一塊CA3140運放來實現(xiàn)這一功能。2信號發(fā)生電路信號發(fā)生電路我們采用通用芯片XR2206M,它是常用的信號發(fā)生電路,工作頻率由RC電路決定;可同時產(chǎn)生方波,三角波和正弦波;我們這里只用其正弦波信號。XR2206M是軍級芯片,它產(chǎn)生的正弦波信號的失真度為0.5%,試驗發(fā)現(xiàn),該芯片為負溫度系數(shù)芯片,剛開機時,信號電壓幅度調(diào)到±2伏(峰—峰值),隨著電路工作時間的延長,芯片溫度升高會引起芯片輸出的正弦波電壓幅度減小,減小量隨芯片而異;一般幅度下降4%--8%。然后正弦波電壓輸出幅度達到穩(wěn)定。在電路中,我們設定電容值不變,調(diào)節(jié)電阻,使信號發(fā)生器的工作頻率連續(xù)可調(diào),調(diào)節(jié)范圍為:27赫茲—71赫茲。3移相電路移相電路由OP-400運放芯片產(chǎn)生.共三級RC移相電路串聯(lián)組成,每一級RC移相產(chǎn)生0---160度的相位變化,三級RC移相串聯(lián)后,可保證在任何工作頻率下,都可實現(xiàn)0—360度的相位調(diào)節(jié)。移相電路的目的是產(chǎn)生一個相對與前級有一定位相差的正弦波信號,前級信號供壓縮機驅(qū)動用,移相后的信號供膨脹機驅(qū)動用,調(diào)節(jié)這兩者之間的位相差,就可調(diào)節(jié)壓縮機活塞運動位移和膨脹機活塞運動位移之間的相位差,一般兩者差70-90度相位時,工作狀態(tài)最佳。4緩啟動電路緩啟動電路由OP-400和JFET場效應晶體管組成;利用一個NPN晶體管和RC沖放電電路,實現(xiàn)一個負電平的緩慢下降,它直接控制JFET場效應晶體管的DS導通電阻,使加在其上的正弦波電壓逐漸升高,最后達到動態(tài)平衡值。這也是制冷機驅(qū)動的最大值。在這里,我們利用到了JFET場效應晶體管的如下特性:其DS導通電阻受到VGS的控制,VGS為零時,導通電阻最小,當VGS逐漸變?yōu)樨撾妷簳r,DS之間的導通電阻逐漸變大,因此,加于其上的正弦波電壓逐漸增大,直到負電壓為-3.0伏以上時,RDS→∞,全部的正弦信號都加在DS上,制冷機進入最大驅(qū)動狀態(tài)。我們用到的JFET場效應晶體管為3DJ6D。采用的NPN晶體管為3DG120D。它將一個1000μF的電解電容容量放大了100倍,與一個0—100K可調(diào)的電位器組成RC沖放電電路后,將實現(xiàn)0—10000秒的延時,這樣的延時范圍足夠試驗用。5保護電路為保護電路在啟動和關機時不發(fā)生撞缸,我們采用了繼電器DS2Y-S-DC5V來保護電路在啟動和關機時不發(fā)生撞缸。啟動時,DS2Y-S-DC5V使電路延時三秒啟動,其目的是避開PWM的啟動非正常狀態(tài),使輸入電壓在PWM功率放大電路未啟動時一直保持為零。另外,另一個DS2Y-S-DC5V繼電器在電路關閉時,馬上將1000μF電解電容短路放電,使其處于不帶電荷的狀態(tài),便于再次啟動時處于正常狀態(tài)。進行了以上處理后,整個電控箱在開機和關機時都不發(fā)生撞缸。6位移傳感器電路位移傳感器電路采用差分振蕩電路來實時檢測壓縮機和膨脹機的活塞運動位移,通過電平變換和低通濾波,將位移信號轉(zhuǎn)換為A/D芯片能處理的電信號:0—2.5伏的交流信號,這里,須產(chǎn)生-10伏和±2.5伏的標準電壓,供電路使用;另外,在所用的前級放大電路中,所采用的運算放大器不能用常規(guī)的運算放大器OP-400,原因如下:常用的運算放大器OP-400的SR較小,與電路中的高頻開關二極管配合使用時,產(chǎn)生的脈沖幅度不夠,不能有效地進行開關變換,為此,在改進的電路中,我們采用LF147/883B來處理相關的脈沖信號,其SR可達13V/μS,完全可滿足電路的需求。7位移小板電路位移小板電路是安裝在制冷機頭部的測量位移的振蕩電路,運動位移信號藕合在一個高頻振蕩信號上,供位移傳感器電路使用,本電路使用±12伏電壓供電,所采用的晶體管為4個3DG112D,它們均為軍級產(chǎn)品,之所以使用軍級產(chǎn)品是因為本電路非常重要,要滿足熱真空和高低溫交變實驗必須采用高可靠元件,因為在將來的閉環(huán)控制里,位移信號是實時控制的基礎,如果本電路不正常的話,整個閉環(huán)控制將無法實現(xiàn)。8電源供電電路電源供電電路采用北京承力電源有限公司生產(chǎn)的CKW300-220S35模塊,它直接采用220伏交流電供電,輸出+35伏直流電,負荷能力為8.6A,這足夠電路的需求;電路在最大工作狀態(tài)時,其需求的電流不超過5.0A。紋波電壓為280毫伏(峰--峰值)。9電控箱外型見下圖:10實驗結(jié)果我們利用本電控箱,與一臺大冷量制冷