斯特林制冷機(jī)調(diào)試測(cè)控儀的設(shè)計(jì)

李元明，魏廣，孫述澤，許國(guó)太，于錕錕

（蘭州空間技術(shù)物理研究所真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州73000）

斯特林制冷機(jī)調(diào)試測(cè)控儀的設(shè)計(jì)

李元明，魏廣，孫述澤，許國(guó)太，于錕錕

（蘭州空間技術(shù)物理研究所真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州73000）

斯特林制冷機(jī)是一種較為復(fù)雜的機(jī)電一體化產(chǎn)品，調(diào)試過程對(duì)制冷機(jī)的性能影響較為明顯，文章介紹了一種應(yīng)用于斯特林制冷機(jī)調(diào)試過程的測(cè)控儀，敘述了測(cè)控儀的總體電路，重點(diǎn)介紹了與調(diào)試過程相關(guān)的電路單元，如功能設(shè)置、頻率調(diào)控、幅度調(diào)控以及參數(shù)顯示等，測(cè)控儀將供電、測(cè)量、參數(shù)調(diào)控、驅(qū)動(dòng)控制及參數(shù)顯示集成與一體，與傳統(tǒng)的采用專用電源和計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行調(diào)試的方法相比，具有體積小、連接以及操作簡(jiǎn)單、直觀、攜帶方便的特點(diǎn)，在制冷機(jī)的調(diào)試過程中得到了較好的應(yīng)用。

斯特林制冷機(jī)；DSP；調(diào)試；頻率調(diào)控；幅度調(diào)控

0 引言

斯特林制冷機(jī)廣泛的應(yīng)用于紅外探測(cè)器、超導(dǎo)濾波器等場(chǎng)合的冷卻。調(diào)試過程是斯特林制冷機(jī)研發(fā)的重要過程之一，通過調(diào)試可以獲得最佳的工作參數(shù)，保證斯特林制冷機(jī)的性能指標(biāo)。頻率是影響制冷機(jī)相位的最重要參數(shù)，通過調(diào)節(jié)制冷機(jī)的工作頻率可以實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的近諧振工作和適宜的相位工作[1]。為了保證系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)節(jié)省空間，大多數(shù)與斯特林制冷機(jī)配套的專用控制器只具有基本功能，不具備調(diào)試功能。調(diào)試測(cè)控儀主要針對(duì)斯特林制冷機(jī)的調(diào)試過程，調(diào)試出最優(yōu)參數(shù)后，將參數(shù)固化到專用的控制器中運(yùn)行。文章重點(diǎn)敘述了儀器與調(diào)試相關(guān)的功能及設(shè)計(jì)。

1 斯特林制冷機(jī)調(diào)試測(cè)控儀參數(shù)及功能確定

斯特林制冷機(jī)采用牛津型結(jié)構(gòu)[2]，用兩個(gè)直線電機(jī)對(duì)置安裝，工作的時(shí)候直線電機(jī)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)壓機(jī)工作，所以調(diào)試測(cè)控儀需要提供兩路直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。同型號(hào)不同制冷機(jī)的最佳工作頻率是不同的，由于設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)過程的控制，斯特林制冷機(jī)的最佳運(yùn)行頻率基本上在45～54 Hz范圍內(nèi)，調(diào)試測(cè)控儀器的頻率調(diào)節(jié)范圍也定為45～54 Hz。調(diào)試過程中需要改變驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)的幅度，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓應(yīng)在0 V到供電電壓之間可調(diào)?？蛰d狀態(tài)下斯特林制冷機(jī)冷頭的極限最低溫度可達(dá)45 K左右，將測(cè)溫范圍定為40～320 K，為了在低溫段進(jìn)一步提高測(cè)溫分辨率，對(duì)40～90 K的范圍進(jìn)行精測(cè)。

調(diào)試測(cè)控儀不僅可以調(diào)測(cè)參數(shù)，還應(yīng)具有專用控制器的功能，通過功能開關(guān)選擇調(diào)試測(cè)控儀的工作模式，工作模式分為調(diào)試模式和運(yùn)行模式，在調(diào)試模式下可進(jìn)行驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率和幅度的調(diào)節(jié)；在運(yùn)行模式可模擬專用控制器的運(yùn)行功能。

2 調(diào)試測(cè)控儀電路的總體方案

調(diào)試測(cè)控儀的電路框圖如圖1所示。

圖1 調(diào)試測(cè)控儀的電路框圖Fig.1 Circuit frame chartof debug and control instrument

調(diào)試測(cè)控儀以DSP（TMS320C240）為控制核心，DSP提供SPWM和DIR[3]信號(hào)分別控制兩只LMD18200實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)的驅(qū)動(dòng)與控制。斯特林制冷機(jī)采用“牛津型”結(jié)構(gòu)[3]，兩臺(tái)壓機(jī)的工作完全是反向的，所以兩只LMD18200的輸出與壓機(jī)連接時(shí)應(yīng)確保相位相反。關(guān)于斯特林制冷機(jī)控制驅(qū)動(dòng)[3]部分以及測(cè)量電路的內(nèi)容敘述較多，這里不再細(xì)述。

工作頻率和幅度調(diào)節(jié)采用普通電位器結(jié)合軟件方式實(shí)現(xiàn)，工作模式通過開關(guān)設(shè)置切換。產(chǎn)品同時(shí)具備工作參數(shù)實(shí)時(shí)顯示功能，調(diào)試測(cè)控儀內(nèi)部集成了高穩(wěn)定性能的AC-DC電源，具有過壓過流保護(hù)以及輸出電壓可調(diào)（24～36 V）功能。

3 主要調(diào)試功能實(shí)現(xiàn)

3.1 功能設(shè)置

調(diào)試測(cè)控儀的參數(shù)調(diào)節(jié)以及工作模式控制電路如圖2所示，開關(guān)K1～K4分別與DSP的通用IO口IOPC3～I(xiàn)OPC6相連，通過軟件識(shí)別IO口電平的高低，判斷開關(guān)的狀態(tài)，執(zhí)行相應(yīng)的功能程序。具體功能額有：

（1）K1接通時(shí)調(diào)試測(cè)控儀處于開機(jī)狀態(tài)，可以調(diào)試參數(shù)或自動(dòng)運(yùn)行；K1斷開時(shí)測(cè)控儀處于停機(jī)狀態(tài)，不能調(diào)試參數(shù)或自動(dòng)運(yùn)行；

（2）K2接通時(shí)調(diào)試測(cè)控儀處于調(diào)試狀態(tài)，可以調(diào)試頻率或幅度參數(shù)；K2斷開時(shí)測(cè)控儀處于自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，不能調(diào)節(jié)參數(shù)；

（3）當(dāng)調(diào)試測(cè)控儀處于調(diào)試狀態(tài)時(shí)（K2接通），K3接通，可以進(jìn)行頻率調(diào)控;K3斷開時(shí)可以進(jìn)行幅度調(diào)控；

（4）當(dāng)調(diào)試測(cè)控儀處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)（K2斷開），K4接通，自動(dòng)按控溫方式運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)電壓幅度逐漸增加到最大，待制冷機(jī)溫度到達(dá)控溫點(diǎn)附近時(shí)按照控溫策略自動(dòng)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電壓幅度，直至制冷機(jī)進(jìn)入設(shè)定的溫度平衡狀態(tài)；K4斷開，自動(dòng)按最低溫方式運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)電壓幅度逐漸增加到幅度最大，直至制冷機(jī)進(jìn)入性能所能達(dá)到的最低溫平衡狀態(tài)。

圖2 調(diào)節(jié)參數(shù)及工作模式控制電路圖Fig.2 Control circuitof parameteradjustand workmodel

3.2 參數(shù)調(diào)控

3.2.1 頻率調(diào)控

頻率調(diào)控就是改變斯特林制冷機(jī)的運(yùn)行頻率，根據(jù)功能設(shè)置，只有在調(diào)試模式下（K2接通）以及選擇頻率時(shí)（K3接通）才可以進(jìn)行，通過旋轉(zhuǎn)頻率調(diào)控電位器（WR2），改變DSP的ADCIN5的輸入電壓，通過DSP的AD轉(zhuǎn)換得到新的頻率參數(shù)，液晶屏?xí)@示新參數(shù)，由軟件實(shí)現(xiàn)變頻。DSP內(nèi)部具有10位[4]的AD轉(zhuǎn)換器，最大轉(zhuǎn)換值為1 024，實(shí)際的AD轉(zhuǎn)換程序中連續(xù)采樣轉(zhuǎn)換兩次并累加，這樣得到的ADCIN5數(shù)值范圍是0～2 048，將該數(shù)值除以1 024然后乘以500，將數(shù)值的范圍變換為0～1 000，作為頻率系數(shù)，將此值平均分配并于頻率值對(duì)應(yīng)。頻率率數(shù)值范圍在0～100時(shí)對(duì)應(yīng)45 Hz，采樣值每增加100時(shí)，對(duì)應(yīng)頻率值增加1 Hz，采樣值范圍在900～1 000時(shí)對(duì)應(yīng)54 Hz。

頻率調(diào)控電位器只是調(diào)節(jié)到所需的頻率值，實(shí)際運(yùn)行頻率的改變并不是馬上進(jìn)行，隨意的改變正在運(yùn)行的制冷機(jī)的頻率會(huì)嚴(yán)重影響制冷機(jī)的安全，會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)波形突變，損傷制冷機(jī)，為此必須嚴(yán)格控制。頻率改變必須在驅(qū)動(dòng)波形（正弦）過零點(diǎn)時(shí)進(jìn)行，也就是定時(shí)中斷程序中在換向時(shí)用新的參數(shù)替換原有的參數(shù)，軟件流程如圖3所示。

3.3.2 幅度調(diào)控

幅度調(diào)控就是改變斯特林制冷機(jī)壓機(jī)的運(yùn)行幅度，根據(jù)功能設(shè)置，只有在調(diào)試模式下（K2接通）以及選擇幅度時(shí)（K3斷開）才可以進(jìn)行，通過旋轉(zhuǎn)幅度調(diào)控電位器（WR1），改變DSP的ADCIN4的輸入電壓，通過DSP的AD轉(zhuǎn)換得到新的幅度系數(shù)，液晶屏?xí)?shí)時(shí)顯示新參數(shù)，由軟件實(shí)現(xiàn)幅度變換，流程如圖3所示。幅度調(diào)控的采樣值采用與頻率調(diào)控相同的處理方式，將采樣值的范圍變換為0～1 000，作為幅度系數(shù)，實(shí)際調(diào)控時(shí)，幅度系數(shù)是以10為單位遞變的，10以下的變化太小可忽略。

圖3 參數(shù)調(diào)控軟件流程圖Fig.3 Soft flow chartof parameteradjust

3.3 顯示電路

圖4為顯示功能電路，HB12864M1是智能中文液晶顯示器[5]，可以顯示漢字、ASCII碼、點(diǎn)陣圖形，具有標(biāo)準(zhǔn)UART通訊接口，與DSP接口電路簡(jiǎn)單可靠。調(diào)試測(cè)控儀電路即可以由液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示參數(shù)，同時(shí)設(shè)計(jì)了485接口，可與上位機(jī)通信。串行數(shù)據(jù)的切換由電子開關(guān)74HC257完成，當(dāng)跳線JP1接入時(shí)，74HC257的A通道接通，DSP與上位機(jī)通信；當(dāng)跳線JP1不接入時(shí)，74HC257的B通道接通，此時(shí)DSP與液晶顯示器交換數(shù)據(jù)。顯示子程序在主程序中循環(huán)調(diào)用，顯示制冷機(jī)的工作頻率、壓機(jī)幅度系數(shù)、精測(cè)溫度、粗測(cè)溫度以及壓機(jī)電流參數(shù)，約0.5 s刷新一遍。

圖4 顯示功能電路圖Fig.4 Circuitdiagram of display function

4 產(chǎn)品調(diào)試方法

4.1 初步調(diào)試

斯特林制冷機(jī)生產(chǎn)裝配完成后進(jìn)行調(diào)試時(shí)，先將調(diào)試測(cè)控儀置于關(guān)機(jī)（K1斷開），連接好電纜后先將調(diào)試測(cè)控儀置于調(diào)試模式（K2接通），選擇幅度調(diào)節(jié)功能（K3斷開），將幅度調(diào)節(jié)電位器逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到最小，檢查無誤后開機(jī)（接通K1），將幅度系數(shù)由最小逐漸加大，觀察顯示屏，初期最好小于100，同時(shí)觀察制冷機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)是否平穩(wěn)，是否有異響，用示波器觀察波形是否有畸變，然后逐漸加大幅度，同時(shí)觀察溫度顯示值，應(yīng)該有明顯下降的趨勢(shì)。若在這一過程中出現(xiàn)異響或波形明顯畸變，應(yīng)立即停機(jī)（K1斷開）或快速減小幅度（逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)幅度調(diào)節(jié)電位器）。當(dāng)幅度系數(shù)逐漸加大到最大值1 000時(shí)制冷機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)依然平穩(wěn)，說明制冷機(jī)的基本功能正常。

4.2 優(yōu)化調(diào)試

完成初步調(diào)試后，再進(jìn)行制冷機(jī)的工作頻率與充氣壓力[1]的優(yōu)化調(diào)試，調(diào)試出最佳的頻率參數(shù)。

5 結(jié)束語

調(diào)試測(cè)控儀是專門服務(wù)于斯特林制冷機(jī)的前期性能調(diào)試以及參數(shù)優(yōu)化，目的就是使調(diào)試工作更加便捷、安全，設(shè)計(jì)的調(diào)試測(cè)控儀將供電、測(cè)量、參數(shù)調(diào)控、驅(qū)動(dòng)控制及參數(shù)顯示集成與一體，與傳統(tǒng)的采用專用電源和計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行調(diào)試的方法相比，具有體積小、連接以及操作簡(jiǎn)單、直觀、攜帶方便的特點(diǎn)，可以很方便的對(duì)斯特林制冷機(jī)進(jìn)行調(diào)試及試驗(yàn)，同時(shí)調(diào)節(jié)過程受到限制，可以防止隨意調(diào)節(jié)參數(shù)對(duì)制冷機(jī)造成不必要的損傷，起到安全保護(hù)作用。測(cè)控儀在制冷機(jī)的調(diào)試過程中得到了較好的應(yīng)用。

[1]孫述澤，許國(guó)太，閆春杰，等.工作參數(shù)對(duì)斯特林制冷機(jī)性能影響分析[J].低溫工程，2012（5）：51-53.

[2]魏廣，馬少君，姜繼善，等.星用牛津型斯特林制冷機(jī)驅(qū)動(dòng)方案綜述[J].真空與低溫，2011，17（s1）：640-645.

[3]王曉明，電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

[4]劉和平.TMS320LF240XDSP結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

THEDESIGNOF INSTRUMENT TO DEBUG AND CONTROL STIRLING CRYOCOOLER

LIYuan-m ing，WEIguang，SUN Shu-ze，XU GUO-tai，YU Kun-kun
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Instituteof Physics，Lanzhou 730000，China）

Stirling cryocooler is a complexmechanics and electric product.It’s debug processw ill take effecton the performance of cryocooler.This paper introduced themeasurementand control instrument that is used in debug of stirling cryocooler.It also introduced the total circuit of instrument and circuit unit that correlativew ith debug，such as function set，frequency control，amplitude control and parameter display，etc.The instrument is integrated w ith function of power measurement，parameter adjustment，drive control and parameter display.The debug instrument is characterized by small bulk，simple linking and operation and pocket，while comparing w ith conventional debugmeans by specialized power and computer software.The instrumenthasobtained betterapplication in debug of stirling cryocooler.

stirling cryocoler；DSP；debug；frequency control；amplitude control

A

1006-7086（2017）02-0182-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.02.012

2016-11-25

李元明（1966-），男，甘肅人，高級(jí)工程師，從事空間低溫測(cè)控技術(shù)研究。Email：lym66620@sohu.com。