基于斯特林散熱的半導(dǎo)體制冷器溫度控制系統(tǒng)

吳聿聰，楊遂軍，丁 炯，楊偉華，葉樹亮

(1.中國計(jì)量大學(xué)，工業(yè)與商貿(mào)計(jì)量技術(shù)研究所，浙江杭州 310018；2.杭州仰儀科技有限公司，浙江杭州 310018)

0 引言

半導(dǎo)體制冷器具有響應(yīng)速度快、體積小、熱慣性小、便于冷熱切換等特點(diǎn)[1]，在生物醫(yī)療、理化參數(shù)測(cè)試等領(lǐng)域的儀器設(shè)備中得到了越來越廣泛的應(yīng)用[2-3]，如PCR儀、石油低溫流動(dòng)性分析儀等，但其制冷能力受冷熱面溫差影響較大，對(duì)熱端散熱設(shè)計(jì)要求較高。

徐穎達(dá)等使用-10 ℃的低溫防凍液為三級(jí)半導(dǎo)體制冷器散熱，最低制冷溫度達(dá)到-72 ℃[4]；蘇家雨等使用三級(jí)半導(dǎo)體制冷器，結(jié)合真空密封與常溫水冷循環(huán)對(duì)CCD進(jìn)行低溫控制，最低溫度可達(dá)-80 ℃[5]；安春明等使用壓縮機(jī)對(duì)三級(jí)半導(dǎo)體制冷器進(jìn)行散熱，最低溫度可達(dá)-80 ℃[6]。以上溫度控制系統(tǒng)均使用水冷循環(huán)槽或壓縮機(jī)為半導(dǎo)體制冷器進(jìn)行散熱，散熱設(shè)備體積大，部分還需要真空密封，且最終制冷溫度均在-80 ℃以上，難以滿足儀器深低溫、小型化的需求。

針對(duì)上述溫度控制系統(tǒng)的不足，本文提出以商用小型斯特林制冷機(jī)為熱端散熱裝置，三級(jí)半導(dǎo)體制冷器為控溫執(zhí)行器，采用單神經(jīng)元PID算法提高控溫精度的溫度控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

半導(dǎo)體制冷器溫控系統(tǒng)一般使用風(fēng)冷或水冷散熱，其熱端仍會(huì)保持在較高溫度，限制了低溫制冷能力；斯特林制冷機(jī)具有體積小、冷量大、壽命長、等優(yōu)點(diǎn)，隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展與成本的降低，逐漸在商用領(lǐng)域得到應(yīng)用，但其為機(jī)械式制冷方式，溫度響應(yīng)較慢，精確控溫周期較長。本文結(jié)合半導(dǎo)體制冷器與斯特林制冷機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，使用斯特林制冷機(jī)為半導(dǎo)體制冷器熱端散熱，在不需要真空密封的情況下，使熱端溫度下降到較低值，提升了系統(tǒng)的低溫制冷能力，并保留了半導(dǎo)體制冷器快速響應(yīng)、精確控制的特點(diǎn)。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

半導(dǎo)體制冷器溫度控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)、下位機(jī)主控電路、三級(jí)半導(dǎo)體制冷器及其驅(qū)動(dòng)電路、溫度傳感器、斯特林制冷機(jī)、被控對(duì)象組成。制冷器由隔熱材料包裹，銅制樣品池作為控溫對(duì)象，制冷器熱端與斯特林制冷機(jī)冷頭通過勻熱銅塊相連，溫度傳感器分別連接在銅制樣品池與勻熱銅塊上，測(cè)定冷熱端溫度，并通過AD傳入下位機(jī)主控電路，單片機(jī)運(yùn)行單神經(jīng)元PID算法輸出功率占空比，調(diào)節(jié)電壓電流對(duì)三級(jí)半導(dǎo)體制冷器進(jìn)行溫度控制，形成一個(gè)閉環(huán)反饋，圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 半導(dǎo)體制冷器溫度控制系統(tǒng)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 斯特林制冷機(jī)

斯特林制冷機(jī)種類繁多，制冷能力差異較大，考慮到實(shí)用性與成本問題，本系統(tǒng)選用價(jià)格低廉的小型自由活塞式斯特林制冷機(jī)，整機(jī)質(zhì)量約為2.3 kg，輸入電壓為220 V，最大制冷功率為80 W，無負(fù)載最低溫度可達(dá)-130 ℃，基于MODBUS_RTU協(xié)議，可使用單片機(jī)進(jìn)行串口通訊控制輸出功率。

2.2 溫度采集轉(zhuǎn)換

本文測(cè)溫部分選用直徑0.8 mm的高精度K型熱電偶進(jìn)行溫度測(cè)量，熱電偶將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電勢(shì)信號(hào)，經(jīng)過濾波、放大以及A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)進(jìn)行處理。圖2為溫度采集轉(zhuǎn)換電路。

圖2 溫度采集轉(zhuǎn)換電路

為避免環(huán)境中的電磁干擾以及減少電路的復(fù)雜程度，濾波電路選用RC低通濾波電路，置于前級(jí)濾除干擾信號(hào)。A/D轉(zhuǎn)換芯片選用低噪聲、低功耗、多通道的24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7794。其集成一個(gè)低噪聲可編程增益儀表放大器，放大倍數(shù)在1～128倍之間可調(diào)，避免獨(dú)立放大電路設(shè)計(jì)，內(nèi)部集成高精度基準(zhǔn)電壓源(1.17 V)，不僅滿足A/D轉(zhuǎn)換中高精度基準(zhǔn)電壓需求，也簡(jiǎn)化了溫度采集轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)。24位分辨率保證了對(duì)熱電偶電勢(shì)變化的辨識(shí)能力，均方根噪聲僅為40 nV，滿足溫控系統(tǒng)對(duì)溫度測(cè)量的精度需求。

2.3 冷端補(bǔ)償電路

熱電偶測(cè)溫需要冷端補(bǔ)償。本系統(tǒng)選用熱敏電阻作為冷端溫度的測(cè)溫元件，常規(guī)測(cè)量方法是使用高精度恒流源為熱敏電阻供電，通過AD采集熱敏電阻兩端電壓，得到熱敏電阻阻值，再經(jīng)過轉(zhuǎn)換公式得到冷端溫度[7]。但在實(shí)際使用中，恒流源電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，高精度恒流源集成芯片價(jià)格昂貴，本系統(tǒng)使用比率法，消除了恒流源帶來的影響，減少了成本，電路如圖3所示，將高精度電阻REF與熱敏電阻RT串聯(lián)，采用1.2 V電壓供電，使用AD7794分別采集高精密電阻與熱敏電阻兩端電壓，兩者電壓之比與電阻之比相等，可得到熱敏電阻阻值，最終計(jì)算出冷端溫度。

圖3 冷端補(bǔ)償電路

2.4 半導(dǎo)體制冷器控制

系統(tǒng)選用三級(jí)半導(dǎo)體制冷器作為控溫執(zhí)行元件，輸入電壓為12 V，最大電流為5 A，理想情況下最大制冷溫差可達(dá)114 ℃，但在非真空室溫工況下，最大制冷溫差僅為70 ℃。半導(dǎo)體制冷器功率由單片機(jī)輸出PWM波進(jìn)行控制，為防止大功率驅(qū)動(dòng)干擾對(duì)控制信號(hào)的影響，選用TLP2366高速光耦將單片機(jī)主控單元與功率控制單元隔離。半導(dǎo)體制冷器驅(qū)動(dòng)換向電路采用經(jīng)典H橋驅(qū)動(dòng)電路，選用SIR416型MOS管作為開關(guān)器件，針對(duì)H橋電路的控制死區(qū)，選用IR2110作為MOS管控制芯片，防止H橋短路。為避免PWM的高低切換對(duì)半導(dǎo)體制冷器的沖擊，在半導(dǎo)體制冷器兩端構(gòu)建雙極平衡型LC低通濾波電路，穩(wěn)定輸出幅值。半導(dǎo)體制冷器控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 半導(dǎo)體制冷器控制結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

半導(dǎo)體制冷器溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括上位機(jī)與下位機(jī)軟件。上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)溫度參數(shù)的傳遞，控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的啟動(dòng)與結(jié)束、顯示實(shí)時(shí)溫度狀態(tài)并繪制曲線等。下位機(jī)軟件主要負(fù)責(zé)溫度的采集與轉(zhuǎn)換、溫度控制算法處理、控制斯特林制冷機(jī)等。

3.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

為方便操作人員控制系統(tǒng)工作、實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)溫度狀態(tài)并記錄下實(shí)驗(yàn)過程數(shù)據(jù)，使用LabVIEW開發(fā)上位機(jī)軟件。上位機(jī)軟件通過異步串口與下位機(jī)進(jìn)行通訊，采用判斷幀頭幀尾、數(shù)據(jù)長度位、異或校驗(yàn)位來保證傳輸數(shù)據(jù)的可靠性。用戶可通過軟件將目標(biāo)溫度、單神經(jīng)元PID初始值等參數(shù)下發(fā)給下位機(jī)，通過啟動(dòng)按鍵控制實(shí)驗(yàn)的開始與終止。上位機(jī)可實(shí)時(shí)解析下位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，在顯示界面將溫度值與溫度速率實(shí)時(shí)繪圖顯示，并將實(shí)驗(yàn)過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)保存在對(duì)應(yīng)TXT文件中，方便后續(xù)分析。

3.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件是整個(gè)溫度控制系統(tǒng)的核心，根據(jù)上位機(jī)下發(fā)的目標(biāo)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度目標(biāo)的控制。系統(tǒng)的下位機(jī)軟件流程如圖5所示。系統(tǒng)上電復(fù)位后，開始程序初始化，配置各中斷與預(yù)設(shè)變量；外部AD開始溫度采集，采集完畢后觸發(fā)外部中斷，在外部中斷中完成溫度數(shù)據(jù)的讀取與轉(zhuǎn)換；在定時(shí)器中斷中判斷上位機(jī)參數(shù)是否設(shè)定完成，若設(shè)定完成，根據(jù)設(shè)定溫度與斯特林進(jìn)行通訊，啟動(dòng)散熱，運(yùn)行溫控算法，輸出一定占空比的PWM波信號(hào)，控制TEC功率輸出，實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象的溫度調(diào)節(jié)。當(dāng)收到上位機(jī)停止命令后，停止溫控流程。

圖5 下位機(jī)軟件流程圖

3.3 單神經(jīng)元PID算法設(shè)計(jì)

半導(dǎo)體制冷器具有復(fù)雜的非線性與時(shí)變性特征，傳統(tǒng)PID控制參數(shù)固定，適應(yīng)性較差，故系統(tǒng)采用適應(yīng)性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好的單神經(jīng)元PID進(jìn)行溫度控制[8]。單神經(jīng)元PID控制器通過改變加權(quán)系數(shù)wj來實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)整的功能，目標(biāo)輸出與實(shí)際輸出的差值進(jìn)入轉(zhuǎn)換器，在誤差信號(hào)的作用下，轉(zhuǎn)換器按照學(xué)習(xí)規(guī)則來動(dòng)態(tài)調(diào)整加權(quán)系數(shù)，計(jì)算狀態(tài)量并累加輸出，從而快速使被控對(duì)象的實(shí)際值接近目標(biāo)值。單神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 單神經(jīng)元PID結(jié)構(gòu)圖

在控制過程中，誤差信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為狀態(tài)量x1,x2,x3其表達(dá)式如下：

(1)

式中e(t)為第t時(shí)刻的誤差量。

單神經(jīng)元輸出控制信號(hào)的表達(dá)式為

(2)

式中：u(t)為t時(shí)刻控制量；Δu(t)為t時(shí)刻控制量增量；K為增益系數(shù)；wj(t)為t時(shí)刻加權(quán)系數(shù)。

加權(quán)系數(shù)wj(t)采用delta學(xué)習(xí)規(guī)則進(jìn)行計(jì)算：

wj(t+1)=wj(t)+ηje(t)xj(t)

(3)

式中ηj為學(xué)習(xí)速率。

為了避免加權(quán)系數(shù)過大導(dǎo)致系統(tǒng)收斂性不良，對(duì)加權(quán)系數(shù)進(jìn)行規(guī)范化處理，表達(dá)式如下：

(4)

單神經(jīng)元PID輸出表達(dá)式為

(5)

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1 系統(tǒng)極限低溫實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證控溫系統(tǒng)極限低溫能力，進(jìn)行極限低溫實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示。首先開啟斯特林制冷機(jī)全功率制冷，同時(shí)啟動(dòng)半導(dǎo)體制冷器控制被控對(duì)象在28 ℃進(jìn)行恒溫，當(dāng)斯特林制冷機(jī)制冷到最低溫度時(shí)，開啟半導(dǎo)體制冷器進(jìn)行全功率制冷，并實(shí)時(shí)記錄溫度。圖8為水冷散熱TEC極限低溫、單純斯特林制冷極限低溫、復(fù)合制冷極限低溫曲線圖。

圖7 溫控系統(tǒng)實(shí)物圖

圖8 極限低溫曲線對(duì)比圖

由圖8可得，復(fù)合制冷極限低溫達(dá)到-113 ℃，由室溫28 ℃制冷到-113 ℃僅需150 s，平均降溫速率達(dá)-56.4 ℃/min；制冷到-100 ℃僅需79 s，平均降溫速率達(dá)-97.2 ℃/min。相較于傳統(tǒng)半導(dǎo)體制冷器控制系統(tǒng)得到了更低的制冷溫度；相比于單純的斯特林制冷機(jī)，有著更快的降溫速度與溫度控制過程。

4.2 系統(tǒng)控溫精度實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)控制精度是溫控系統(tǒng)中的重要指標(biāo)，溫控精度實(shí)驗(yàn)選取-30 ℃、-60 ℃、-90 ℃ 3個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在室溫25 ℃的情況下，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行恒溫控制，待溫度穩(wěn)定后，記錄400～650 s內(nèi)的溫度波動(dòng)，溫控曲線與溫度精度曲線如圖9、圖10所示。

圖9 -30 ℃、-60 ℃、-90 ℃溫控曲線圖

(a)-30 ℃控溫精度

(b)-60 ℃控溫精度

(c)-90 ℃控溫精度圖10 -30 ℃、-60 ℃、-90 ℃控溫精度曲線圖

由圖9、圖10可得，溫控系統(tǒng)在-30 ℃、-60 ℃、-90 ℃的溫度目標(biāo)控制過程中，溫度在150s內(nèi)均達(dá)到穩(wěn)定，降溫與控制過程迅速，250s內(nèi)誤差均小于±0.05℃，系統(tǒng)溫控穩(wěn)定性較高，達(dá)到預(yù)期效果。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種以斯特林制冷機(jī)為散熱裝置的半導(dǎo)體制冷器溫度控制系統(tǒng)，采用上下位機(jī)架構(gòu)，選用高精度AD轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行溫度采集，設(shè)計(jì)了安全可靠的TEC驅(qū)動(dòng)電路，通過單神經(jīng)元PID算法對(duì)溫度進(jìn)行控制。系統(tǒng)將斯特林制冷機(jī)與半導(dǎo)體制冷器的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，無需復(fù)雜的熱端散熱設(shè)計(jì)，相對(duì)傳統(tǒng)散熱方式，復(fù)合溫度控制系統(tǒng)制冷能力強(qiáng)、控溫精度高、調(diào)節(jié)速度快、體積小，對(duì)于快速低溫發(fā)生儀器設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。