基于新型脈寬調(diào)制技術(shù)的溫控系統(tǒng)的熱設(shè)計

靳含飛

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,石家莊 050081)

1 引 言

航天測控系統(tǒng)中,需要用高精度測試設(shè)備對不同場站中的測控裝備進(jìn)行標(biāo)校測試,這要求測試設(shè)備體積小、重量輕,能夠快速搬移。在不同地區(qū)及不同季節(jié),各場站所處的環(huán)境溫度也各不相同,而測試設(shè)備內(nèi)部模塊的性能是受溫度變化影響的,即存在溫度漂移現(xiàn)象。高精度恒溫機(jī)箱可以解決測試設(shè)備內(nèi)部溫度穩(wěn)定性問題[1],但是恒溫機(jī)箱體積大、重量重,不適合用在移動測試設(shè)備上。這就要求研制新型溫控系統(tǒng),既要解決測試設(shè)備內(nèi)部模塊溫度穩(wěn)定性問題,又要滿足移動測試要求。

2 設(shè)計方案

2.1 設(shè)備介紹

某工程測試設(shè)備外形尺寸為483mm×480mm×177mm,熱耗散為180W,使用環(huán)境溫度在10℃～30℃之間。由于測試精度較高,要求機(jī)箱內(nèi)部主要模塊的溫度變化不能超過3℃,以免產(chǎn)生溫度漂移影響測試精度,并且測試設(shè)備需要移動測試,要求測試設(shè)備體積小、重量輕,便于搬移。

2.2 溫控設(shè)備原理

普通的恒溫機(jī)箱一般都有一個密閉的恒溫艙,外圍是復(fù)雜的溫控系統(tǒng),包括散熱與加熱裝置,通常都很笨重。由于測試設(shè)備體積重量受限,不能采用恒溫機(jī)箱控制溫度。分析機(jī)箱散熱問題可知,當(dāng)機(jī)箱的發(fā)熱量為固定值時,在同樣的環(huán)境溫度下,機(jī)箱散熱風(fēng)扇的風(fēng)量越大,機(jī)箱內(nèi)部的溫度就越低[2]。如果風(fēng)扇轉(zhuǎn)速是可以調(diào)節(jié)的,那么機(jī)箱內(nèi)的溫度也是可以調(diào)節(jié)的,所以可以考慮一種新的溫度控制方法,即根據(jù)機(jī)箱內(nèi)溫度的變化,調(diào)節(jié)風(fēng)扇的風(fēng)量來控制機(jī)箱溫度。

現(xiàn)在成熟的調(diào)速風(fēng)扇有脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)速風(fēng)扇,采用這種設(shè)計的風(fēng)扇最低轉(zhuǎn)速可以只有最大轉(zhuǎn)速的十分之一,并且是無級變速。如圖1所示,PWM信號是一種具有固定周期(T)、占空比(τ)可調(diào)的數(shù)字信號。通過使用高分辨率計數(shù)器,方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進(jìn)行編碼。PWM信號是數(shù)字式的,在給定的任何時刻,滿幅值的直流供電要么完全有(ON),要么完全無(OFF);電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去:通的時候,直流供電被加到負(fù)載上;斷的時候,供電就會被斷開。占空比是指在一串脈沖序列中(如方波)正脈沖的持續(xù)時間與脈沖總周期的比值,或在一段連續(xù)工作時間內(nèi)脈沖占用的時間與總時間的比值。例如:脈沖寬度 τ=1 μ s,信 號周期 T=4 μ s,則脈沖序 列占空比為0.25;或者連續(xù)工作時間4 ms,脈沖電流的存在時間為3 ms,則此段時間內(nèi)脈沖電流占空比為0.75。風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速調(diào)整就是通過控制PWM信號的占空比來改變平均電壓,達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的[3]。

圖1 PWM信號Fig.1 PWM signal

溫控系統(tǒng)包括溫度傳感器、轉(zhuǎn)速控制器和風(fēng)扇三部分。一個典型的溫度控制流程如下:溫度傳感器負(fù)責(zé)監(jiān)視機(jī)箱的溫度,如果發(fā)現(xiàn)溫度升高就通知轉(zhuǎn)速控制器,轉(zhuǎn)速控制器提高風(fēng)扇電壓的PWM信號占空比使風(fēng)扇轉(zhuǎn)速增加,增大機(jī)箱的進(jìn)氣量以使機(jī)箱溫度降低;如果發(fā)現(xiàn)溫度降低,轉(zhuǎn)速控制器降低風(fēng)扇電壓的PWM信號占空比使風(fēng)扇轉(zhuǎn)速降低,減小機(jī)箱的進(jìn)氣量以使機(jī)箱溫度升高。

設(shè)計的測試設(shè)備機(jī)箱模型如圖2所示,機(jī)箱兩側(cè)有進(jìn)氣口,后面板安裝兩個PWM調(diào)速風(fēng)扇。設(shè)備模塊之間留有間隙作為風(fēng)道,冷卻空氣從進(jìn)氣口進(jìn)入機(jī)箱,通過各模塊的間隙,最后通過風(fēng)扇抽出機(jī)箱。

圖2 測試設(shè)備模型Fig.2 Test equipment model

這種新型的溫控系統(tǒng)是否合理可行,可以通過計算機(jī)仿真來驗(yàn)證。如果在測試環(huán)境溫度即10℃～30℃之間任何一個溫度值時,通過調(diào)節(jié)風(fēng)扇的風(fēng)量,總能使機(jī)箱內(nèi)各模塊的溫度保持在一定工作溫度附近,那么就可以證明這種方案合理可行。

3 仿真分析

3.1 建模仿真

測試設(shè)備機(jī)箱內(nèi)性能受溫度影響的模塊為頻綜、接收變頻、接收終端和信號產(chǎn)生器。理論上,測試機(jī)箱內(nèi)部各模塊在溫控系統(tǒng)控制下應(yīng)該有一個理想的最佳工作溫度,這個最佳工作溫度應(yīng)該是溫控系統(tǒng)在很寬的溫度范圍內(nèi)能夠保證各模塊維持在這個溫度點(diǎn)而風(fēng)扇所耗的能量又是最低的。在仿真計算前,這個最佳溫度是無法確定的,只能通過將溫度、風(fēng)量分成比較細(xì)的檔位計算,最后比較不同的結(jié)果才能夠確定。將溫度從10℃～30℃分為3檔,將風(fēng)量從10～50CFM分為20檔,利用熱分析軟件IcePak對不同環(huán)境溫度及風(fēng)扇風(fēng)量的設(shè)備狀況進(jìn)行仿真計算,記錄頻綜、接收變頻、接收終端和信號產(chǎn)生器等模塊的溫度,結(jié)果如表1所示[4,5]。

表1 不同條件下模塊溫度Table 1 Module temperature under different conditions

3.2 改進(jìn)措施

機(jī)箱內(nèi)部的風(fēng)道設(shè)計以及發(fā)熱模塊的功率大小是決定機(jī)箱的溫控系統(tǒng)能否使機(jī)箱在很寬的溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定溫度的關(guān)鍵因素。發(fā)熱模塊的功率是固定的,所以機(jī)箱的風(fēng)道設(shè)計是溫控系統(tǒng)能否成功的關(guān)鍵。

從仿真結(jié)果可以看到,在同一環(huán)境溫度下,風(fēng)扇的風(fēng)量越大,測試機(jī)箱內(nèi)部模塊的溫度就越低;在同樣的風(fēng)量下,環(huán)境溫度越高,測試機(jī)箱內(nèi)部模塊的溫度就越高。我們的目的就是要找到在不同的環(huán)境溫度及不同的風(fēng)量下各模塊的溫度是否有比較接近的。分別比較環(huán)境溫度為10℃、20℃、30℃以及風(fēng)量為10CMF、18 CFM、50CFM 3種情況可以看出,頻綜、接收變頻兩個模塊的溫度相差不超過2℃,而接收終端、信號產(chǎn)生器兩個模塊的溫度相差超過3℃。

對于接收終端,比較上述3組測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)在不同溫度下,風(fēng)量越小,其溫度越高,原因是由于風(fēng)道氣流速度慢,不能使其有效降溫,而模塊周圍環(huán)境溫度也隨之升高,對這種情況可以采取加寬風(fēng)道的措施來改善。而對于信號產(chǎn)生器則剛好相反,在不同溫度下風(fēng)量越小,其溫度越低,原因是由于風(fēng)道氣流速度快,溫度降低較快,可以采取變窄風(fēng)道的措施來改善[6]。將接收終端與其余模塊之間的間距加大2mm,將信號產(chǎn)生器與其余模塊之間的距離減小1.5mm,改進(jìn)風(fēng)道后的仿真結(jié)果見表2。

表2 風(fēng)道改進(jìn)后模塊溫度Table 2 Module temperature after air duct is improved

風(fēng)道局部改進(jìn)后,各模塊的溫度變化都控制在2℃之內(nèi),完全滿足測試設(shè)備內(nèi)部各模塊對溫度變化的要求。將上述3組各模塊測試值取平均值為各模塊的工作溫度,當(dāng)環(huán)境溫度在10℃～30℃變化時,通過改變風(fēng)扇的風(fēng)量,總能使各模塊的溫度控制在工作溫度附近。

3.3 工程驗(yàn)證

按上面溫控系統(tǒng)設(shè)計方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計加工,并編寫溫度控制器程序,在10℃～30℃對樣機(jī)設(shè)備進(jìn)行溫度測試,記錄結(jié)果如表3。

表3 樣機(jī)模塊溫度Table 3 Module temperature of prototype

不管外界環(huán)境溫度如何快速變化,在溫控系統(tǒng)調(diào)控下的測試設(shè)備內(nèi)的主要模塊溫度始終保持穩(wěn)定,溫度相差不到1℃。在以后工程應(yīng)用中,溫控系統(tǒng)運(yùn)行良好,保證了測試設(shè)備的正常運(yùn)行。

4 結(jié)束語

計算機(jī)仿真分析及工程應(yīng)用證明這種基于PWM信號的溫控系統(tǒng)是可行的,其結(jié)構(gòu)簡單,體積小、重量輕,成本低廉,對靠風(fēng)扇降溫的設(shè)備稍加改進(jìn)即可實(shí)現(xiàn)溫度控制,有著恒溫機(jī)箱不可比擬的優(yōu)勢,值得在移動測試設(shè)備中推廣。當(dāng)然,這種溫控系統(tǒng)只能工作在特定環(huán)境條件下(10℃～30℃范圍內(nèi)),如果超出了溫控系統(tǒng)的工作范圍,則需要增加輔助的升溫或降溫措施,這將是新型溫控系統(tǒng)需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容。

[1]余勇,萬德鈞.一種用于機(jī)電設(shè)備的高精度溫控系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動化,1999,21(5):44-46.YU Yong,WAN De-jun.A High-precision Mechanical And Electrical Equipment For Temperature Control System[J].Manufacturing Automation,1999,21(5):44-46.(in Chinese)

[2]戴鍋生.傳熱學(xué)[M].北京:高等教育出版社,1999:2-8.DAI Guo-sheng Thermal Design[M].Beijing:Higher Education Press,1999:2-8.(in Chinese)

[3]岳東海,顏鵬.直流電機(jī)PWM無級調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計[J].價值工程,2010(3):135-136.YU Dong-hai,YAN peng.Design of DC-Motor PWM Stepless Speed Control System[J].Value Engineering,2010(3):135-136.(in Chinese)

[4]王麗.大功率電子設(shè)備結(jié)構(gòu)熱設(shè)計研究[J].無線電工程,2009,39(1):61-64.WANG Li.Research on Thermal Design of High-power Electronic Equipment[J].Radio Engineering,2009,39(1):61-64.(in Chinese)

[5]牛增智.船載高頻分系統(tǒng)的熱設(shè)計[J].無線電工程,2009,39(7):59-61.NIU Zeng-zhi.Design of Radiation for Shipboard HF System[J].Radio Engineering,2009,39(7):59-61.(in Chinese)

[6]孫一堅.簡明通風(fēng)設(shè)計手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1997:5-7.SUN Yi-jian.Simple Ventilation Design Manual[M].Beijing:China Building Industry Press,1997:5-7.(in Chinese)