基于缓启动原理的开环斯特林制冷机电控箱的研制

基于缓启动原理的开环斯特林制冷机电控箱的研制摘要：斯特林制冷机是红外成像仪的关键部件。通常的控制是采用闭环控制来实现,其电路较为复杂。通过对闭环斯特林制冷机电控箱的特性分析,得出结论:斯特林制冷机在启动初始,由于气动力较大的原故,会对膨胀机的驱动产生影响,使膨胀机出现撞缸。为解决这一问题,设计上提出了缓启动电路来克服这一困难。实验结果表明,这一设想是正确的,设计出的开环电控箱达到了不撞缸连续工作的设计指标。缓启动的原理是在刚开机时给制冷机的压缩机和膨胀机加较小的工作电压,使之工作在不撞缸的工作模式下。随着制冷机的降温,气动力变的较小,工作电压逐渐增大,适当选择延时时间,可保证制冷机在降温过程中不撞缸。开环电控箱的制作目的是用来摸索制冷机的最佳工作参数。整个电控箱的输出功率可达120瓦,工作频率范围为:27-71赫兹,相位调节范围为:0-360度.延时时间为:0-10000秒。本电控箱与制冷机联机工作性能如下:60K温度下,得到2瓦冷量,80K温度下,得到4瓦冷量,100K温度下,得到6瓦冷量。关键字：斯特林制冷机电控箱开环控制缓启动0引言斯特林制冷机作为红外成像仪的关键部件,对长波红外器件的成像不可或缺。长波红外器件一般都为窄禁带半导体器件,常温环境下的热噪声会很大,以至不能很好成像,必须将其冷却到低温才能达到很高的信噪比。斯特林制冷机一般由压缩机和膨胀机组成。两者的驱动都是正弦波交流电压,频率范围为40-60赫兹,幅度,相位,偏置可调。根据机器的不同(如振动簧片材料的不同),最佳工作频率会不同,根据充气压力的不同,最佳的工作相位差(压缩机位移信号与膨胀机位移信号之间的相位差)会有所不同。在斯特林制冷机的制冷过程中,驱动电压的偏置也会发生变化。因此,传统的电控箱采用闭环的方式来控制制冷机的工作。但这种电控箱对研究制冷机的最佳工作状态带来了不便;因为所有的工作参数都固化在芯片中,要做任何改动都要重新烧芯片,不利于研究工作的开展。为此,我们研制了一台开环斯特林制冷机电控箱,它的工作频率,位相,延时时间,幅度,偏置都可方便的调节,对于开展研究工作提供了便利。1功率放大器为提高电源转换效率,我们采用PWM电路来放大正弦波电信号。这里,我们采用成熟的PWM功放电路,其控制芯片采用UC1637/883B;它的工作频率为33K赫兹,用它可驱动场效应晶体管对。在我们的应用中,采用了两个UC1637/883B芯片,构成了两路功率放大器,每路放大器可提供60瓦不失真正弦波电压。这两路驱动电信号完全对称;等幅,同频率,同位相;对称地驱动两个对置压缩机。为了不失真地驱动压缩机,工作电源电压设为+35伏,这样功率放大器可提供的不失真最大电压为23.3伏(有效值)。可保证制冷机获得要求的冷量:100K6瓦。PWM功率放大器的工作原理是产生一个33K赫兹的三角波电压,利用它将工频正弦波调制于其上,然后,送场效应晶体管对进行放大,放大后将33K赫兹的高频信号滤除,得到所需的放大后的工频驱动电压。我们将PWM功放电路制作成单独的模块,在电源线入口,加装EMI电源滤波器和压敏电阻,并将整个模块屏蔽起来,以减小电磁干扰。进行了以上处理后,电源线上的毛刺干扰大大降低(噪声幅值的有效值小于100毫伏),同时,由于加装了压敏电阻,抑制了线上浪涌电压的影响,辐射噪声也得到了抑制(噪声幅值的有效值小于200毫伏);这样的指标基本满足了EMC试验的要求。对于PWM功放控制电路芯片,其工作电压为+15伏,我们采用了一个LM7815工业级芯片从+35总电源上获得+15伏电压。原因是这样的芯片为TO-220封装,便于安装。这样整个PWM功放电源模块的性能为工业级。如要升级为军级模块,就要另外采用军级芯片来代替LM7815芯片;相应的军级芯片为TO-3封装,需与PWM功放模块分开安装。另一个变通方法是加装一块28V/+15VDC/DC。另外,正弦波电压必须进行电平变换,将±2.5伏的正弦波电压变换为7.5伏±2.5伏;我们采用一块CA3140运放来实现这一功能。2信号发生电路信号发生电路我们采用通用芯片XR2206M,它是常用的信号发生电路,工作频率由RC电路决定;可同时产生方波,三角波和正弦波;我们这里只用其正弦波信号。XR2206M是军级芯片,它产生的正弦波信号的失真度为0.5%,试验发现,该芯片为负温度系数芯片,刚开机时,信号电压幅度调到±2伏(峰—峰值),随着电路工作时间的延长,芯片温度升高会引起芯片输出的正弦波电压幅度减小,减小量随芯片而异;一般幅度下降4%--8%。然后正弦波电压输出幅度达到稳定。在电路中,我们设定电容值不变,调节电阻,使信号发生器的工作频率连续可调,调节范围为:27赫兹—71赫兹。3移相电路移相电路由OP-400运放芯片产生.共三级RC移相电路串联组成,每一级RC移相产生0---160度的相位变化,三级RC移相串联后,可保证在任何工作频率下,都可实现0—360度的相位调节。移相电路的目的是产生一个相对与前级有一定位相差的正弦波信号,前级信号供压缩机驱动用,移相后的信号供膨胀机驱动用,调节这两者之间的位相差,就可调节压缩机活塞运动位移和膨胀机活塞运动位移之间的相位差,一般两者差70-90度相位时,工作状态最佳。4缓启动电路缓启动电路由OP-400和JFET场效应晶体管组成;利用一个NPN晶体管和RC冲放电电路,实现一个负电平的缓慢下降,它直接控制JFET场效应晶体管的DS导通电阻,使加在其上的正弦波电压逐渐升高,最后达到动态平衡值。这也是制冷机驱动的最大值。在这里,我们利用到了JFET场效应晶体管的如下特性:其DS导通电阻受到VGS的控制,VGS为零时,导通电阻最小,当VGS逐渐变为负电压时,DS之间的导通电阻逐渐变大,因此,加于其上的正弦波电压逐渐增大,直到负电压为-3.0伏以上时,RDS→∞,全部的正弦信号都加在DS上,制冷机进入最大驱动状态。我们用到的JFET场效应晶体管为3DJ6D。采用的NPN晶体管为3DG120D。它将一个1000μF的电解电容容量放大了100倍,与一个0—100K可调的电位器组成RC冲放电电路后,将实现0—10000秒的延时,这样的延时范围足够试验用。5保护电路为保护电路在启动和关机时不发生撞缸,我们采用了继电器DS2Y-S-DC5V来保护电路在启动和关机时不发生撞缸。启动时,DS2Y-S-DC5V使电路延时三秒启动,其目的是避开PWM的启动非正常状态,使输入电压在PWM功率放大电路未启动时一直保持为零。另外,另一个DS2Y-S-DC5V继电器在电路关闭时,马上将1000μF电解电容短路放电,使其处于不带电荷的状态,便于再次启动时处于正常状态。进行了以上处理后,整个电控箱在开机和关机时都不发生撞缸。6位移传感器电路位移传感器电路采用差分振荡电路来实时检测压缩机和膨胀机的活塞运动位移,通过电平变换和低通滤波,将位移信号转换为A/D芯片能处理的电信号:0—2.5伏的交流信号,这里,须产生-10伏和±2.5伏的标准电压,供电路使用;另外,在所用的前级放大电路中,所采用的运算放大器不能用常规的运算放大器OP-400,原因如下:常用的运算放大器OP-400的SR较小,与电路中的高频开关二极管配合使用时,产生的脉冲幅度不够,不能有效地进行开关变换,为此,在改进的电路中,我们采用LF147/883B来处理相关的脉冲信号,其SR可达13V/μS,完全可满足电路的需求。7位移小板电路位移小板电路是安装在制冷机头部的测量位移的振荡电路,运动位移信号藕合在一个高频振荡信号上,供位移传感器电路使用,本电路使用±12伏电压供电,所采用的晶体管为4个3DG112D,它们均为军级产品,之所以使用军级产品是因为本电路非常重要,要满足热真空和高低温交变实验必须采用高可靠元件,因为在将来的闭环控制里,位移信号是实时控制的基础,如果本电路不正常的话,整个闭环控制将无法实现。8电源供电电路电源供电电路采用北京承力电源有限公司生产的CKW300-220S35模块,它直接采用220伏交流电供电,输出+35伏直流电,负荷能力为8.6A,这足够电路的需求;电路在最大工作状态时,其需求的电流不超过5.0A。纹波电压为280毫伏(峰--峰值)。9电控箱外型见下图:10实验结果我们利用本电控箱,与一台大冷量制冷