空间用斯特林制冷机的过程控制

　　1 引言

　　斯特林制冷机是近些年来星载红外遥感器机械制冷技术的研究热点,通过一系列技术和工艺上的改进,斯特林制冷机的结构更加紧凑,占用空间小、质量轻、安装方便、振动特性更好、制冷量更大、制冷范围更宽,相比其它空间制冷技术具有明显优势,为空间红外遥感器和其他需要制冷的设备提供稳定的低温工作条件,在航天器上得到了广泛的应用[1, 2]。

　　在为红外遥感器提供低温工作条件时,要求斯特林制冷机的启动和降温速度快,在制冷温度点的稳定性要好,有较强的抗外界干扰的能力,这就对斯特林制冷机的控制器提出了较高的要求。

　　本研究针对的是牛津型分置式斯特林制冷机,采用气动式膨胀腔结构,压缩机由两个对置的动磁式直线电机驱动;设计的温度闭环控制系统以FPGA作为核心控制器,系统输出50Hz的正弦波驱动压缩机工作,采集冷头的温度作为反馈信号。本文主要介绍斯特林制冷系统的工作过程控制、温度PID闭环控制的实现以及控制中需要注意的问题。

　　2 控制器结构及电机驱动

　　2. 1 控制器结构

　　控制器以FPGA作为核心器件,实现正弦波脉宽调制(SPWM)波形,和整个制冷系统的温度PID控制。控制器的硬件电路主要包括温度读取电路、AD转换电路、FPGA工作电路、光电隔离电路、功率驱动电路、滤波电路、电源电路等。

　　该系统的闭环参数传递如图1所示。传感器的反馈量为温度二极管恒流工作时的正向压降,PID控制器对ADC电路采集到的压降数据进行运算处理,得到SPWM波的调制深度,调制深度决定输出正弦波的幅度,从而控制压缩机直线电机的行程,达到控制制冷机降温并稳定在温控点的目的。

　　2. 2 电机驱动

　　压缩机中的直线电机采用正弦波来驱动,本设计使用数字调制的方式来生成正弦波[3, 4]。首先在FPGA中由三角波与正弦波采样比较生成SPWM波形,调制比较的方法采用不对称规则采样法,调制方式是双极性调制,三角载波频率是25kHz,正弦调制波频率是50Hz;调制生成的SP-WM波经过光耦隔离,输入到全桥驱动芯片;全桥驱动芯片四个输出端分别控制H桥的四个MOS管的通断,在两个桥臂中间产生双极性的SPWM波;经过后级的LC滤波器,输出接近标准的正弦波。

　　图2分别为H桥两侧桥臂中端输出的SPWM波(a)、LC滤波后两个输出端对地的波形(b)和两个输出端的差分波形(c)。输出端正弦波的频率为50?0. 1Hz,频率稳定性满足制冷机的要求。由于光耦传输延时以及死区时间等因素的影响,两个输出端的差分正弦电压中含有直流电平,直流电平的存在会使活塞往复运动时的中心位置发生偏离,所以应该尽量减小直流电平。本设计中输出正弦波的直流电平为0. 05V,在制冷机正常工作允许的范围内。