侯 森 王 波 甘智華 邱利民

(1浙江大學(xué)制冷與低溫研究所 杭州 310027)

(2中國(guó)電子科技集團(tuán)第十六研究所 合肥 230043)

1 引言

在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中，許多儀器和設(shè)備的運(yùn)行和發(fā)展離不開(kāi)低溫制冷技術(shù)，例如紅外器件、低溫電子器件、低溫冷凝真空泵、超導(dǎo)磁體和超導(dǎo)磁共振成像儀等都需要符合要求的低溫制冷機(jī)來(lái)提供冷卻條件，斯特林和脈管制冷機(jī)是小型低溫制冷機(jī)中應(yīng)用最廣泛的兩種制冷機(jī)。

斯特林制冷機(jī)正常工作時(shí)，壓縮機(jī)活塞在線性電機(jī)的驅(qū)動(dòng)作用下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，膨脹機(jī)排出器與壓縮機(jī)活塞之間的運(yùn)動(dòng)保持一定的相位差，以完成工質(zhì)氣體的兩個(gè)等溫壓縮和膨脹過(guò)程與兩個(gè)等容回?zé)徇^(guò)程，使得制冷機(jī)冷端在設(shè)定低溫下提供一定的制冷量，斯特林制冷機(jī)按結(jié)構(gòu)可分為整體式和分置式兩種。與斯特林制冷機(jī)相比，脈管制冷機(jī)尤其是采用線性驅(qū)動(dòng)技術(shù)的斯特林型脈管制冷機(jī)，由于其低溫部分沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，因而具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸緊湊、可靠性高和運(yùn)行壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，逐漸被廣泛應(yīng)用。隨著對(duì)高溫超導(dǎo)設(shè)備和紅外探測(cè)器等對(duì)更低制冷溫度的要求，兩級(jí)或多級(jí)結(jié)構(gòu)的脈管制冷機(jī)得到了極大的發(fā)展。

一個(gè)完整的斯特林或脈管制冷機(jī)系統(tǒng)包括線性壓縮機(jī)、冷頭和控制器3個(gè)部分，控制器部分是驅(qū)動(dòng)維持制冷機(jī)進(jìn)行正常工作的關(guān)鍵組件。通常，制冷機(jī)冷頭部分設(shè)計(jì)完成后，會(huì)有一個(gè)最佳的運(yùn)行頻率，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路提供與這個(gè)最佳運(yùn)行頻率同頻的驅(qū)動(dòng)電壓波時(shí)，制冷機(jī)工作的效率最高，在此共振頻率下，對(duì)輸入電壓的調(diào)節(jié)能夠更有效地轉(zhuǎn)換成對(duì)活塞行程的調(diào)節(jié)，進(jìn)而影響氣體壓力波的大小，最終影響了冷端的制冷溫度。控制器主要就是通過(guò)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的輸入電壓、頻率和相位差，來(lái)改變壓縮機(jī)的行程，從而控制冷頭的溫度，控制系統(tǒng)的目的是使得制冷機(jī)能夠快速降溫，并在設(shè)定溫度點(diǎn)處保持一定的溫度穩(wěn)定精度。已經(jīng)有較多的低溫制冷機(jī)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究表明主要是控制器部分而不是壓縮機(jī)或者冷頭部分影響了低溫制冷機(jī)系統(tǒng)的可靠性。

目前常用的斯特林與脈管制冷機(jī)控制器主要包括以下模塊，如圖 1、2 所示［1-2］:

圖1 制冷機(jī)控制器結(jié)構(gòu)模塊圖Fig.1 Module structure diagram of cryocooler control electronics

圖2 Creare公司制冷機(jī)控制器原型結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Prototype structure of cryocooler control electronics from Creare Co.

(1)溫度信號(hào)處理模塊:溫度傳感器將采集到的冷頭溫度轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的采樣信號(hào)。

(2)控制模塊:將采集到的反饋信號(hào)與設(shè)定溫度進(jìn)行比較后，根據(jù)一定的算法生成脈寬可變的SPWM波形。

(3)驅(qū)動(dòng)及濾波整形模塊:接收SPWM波來(lái)驅(qū)動(dòng)H橋電路產(chǎn)生交流電壓輸出，然后經(jīng)濾波整形電路供給壓縮機(jī)。

(4)通信及顯示電路模塊:控制器通過(guò)串行通訊接口與上位機(jī)建立聯(lián)系，上位機(jī)通過(guò)串行口向制冷機(jī)和控制器發(fā)送控制命令、修改運(yùn)行參數(shù)，控制器通過(guò)串行口向上位機(jī)傳送所有遙測(cè)數(shù)據(jù)。

(5)電磁兼容及保護(hù)電路。

主要對(duì)斯特林和脈管制冷機(jī)的控制器進(jìn)行總結(jié)與比較，分別以開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制兩方面，并以控制核心單元的發(fā)展和使用為線索回顧了制冷機(jī)控制器的研究進(jìn)展，總結(jié)了制冷機(jī)控制器設(shè)計(jì)中的技術(shù)問(wèn)題與要點(diǎn)，并對(duì)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

2 斯特林與脈管制冷機(jī)控制器研究進(jìn)展

低溫制冷機(jī)控制器控制方式主要可分為有兩種方式:開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制。

2.1 開(kāi)環(huán)控制方式

開(kāi)環(huán)控制顧名思義就是系統(tǒng)的輸出端與輸入端之間不存在反饋，也就是控制系統(tǒng)的輸出量不對(duì)系統(tǒng)的控制產(chǎn)生影響。低溫制冷機(jī)的開(kāi)環(huán)控制方式主要是在上位機(jī)上輸入給定的電壓幅值和頻率，通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)電路控制壓縮機(jī)的輸入電壓和頻率，從而控制冷端的溫度，開(kāi)環(huán)控制框圖見(jiàn)圖3所示。表1總結(jié)了近10年的斯特林和脈管制冷機(jī)開(kāi)環(huán)控制器的主要研究進(jìn)展。

圖3 斯特林和脈管制冷機(jī)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)控制框圖Fig.3 Open loop control system of Stirling and pulse tube cryocooler system

表1 斯特林和脈管制冷機(jī)開(kāi)環(huán)控制器的研究進(jìn)展Table 1 Research progress in open loop controller of Stirling and pulse tube cryocooler system

開(kāi)環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低，缺點(diǎn)是不能構(gòu)成系統(tǒng)回路，冷頭端的溫度變化或外來(lái)未知干擾都會(huì)影響控制器的效果，這樣就需要額外的措施根據(jù)低溫制冷機(jī)的運(yùn)行狀況和目標(biāo)來(lái)調(diào)節(jié)輸入功率。

2.2 閉環(huán)控制方式

與開(kāi)環(huán)控制相比，在閉環(huán)控制中，不管出于什么原因(外部擾動(dòng)或系統(tǒng)內(nèi)部變化)，只要被控制量偏離規(guī)定值，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用去消除偏差。因此，閉環(huán)控制具有抑制干擾的能力、對(duì)元件特性變化不敏感、且能改善系統(tǒng)響應(yīng)特性等優(yōu)點(diǎn)。低溫制冷機(jī)系統(tǒng)中，由于機(jī)械磨損或工況環(huán)境等的改變使制冷機(jī)脫離最佳運(yùn)行工況時(shí)，可以根據(jù)反饋來(lái)修正輸入給壓縮機(jī)的電壓幅值和頻率，從而保證低溫制冷機(jī)長(zhǎng)期工作在最佳狀態(tài)，所以隨著技術(shù)的進(jìn)步和實(shí)際需求的提升，閉環(huán)控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于低溫制冷機(jī)控制系統(tǒng)中。表2給出了斯特林和脈管制冷機(jī)閉環(huán)控制原理的主要類型和特點(diǎn)。

對(duì)于脈管和氣動(dòng)式膨脹腔結(jié)構(gòu)的斯特林制冷機(jī)，可控部件只有壓縮機(jī)的活塞，這時(shí)只能通過(guò)調(diào)整輸入功率來(lái)控制壓縮機(jī)活塞的行程，從而達(dá)到控溫的目的。

而在機(jī)動(dòng)膨脹機(jī)型斯特林制冷機(jī)的溫度閉環(huán)多回路控制系統(tǒng)中［6］，如圖4所示，控制量為溫度，被控對(duì)象為壓縮機(jī)活塞和排出器，被控參數(shù)為壓縮機(jī)活塞和排出器位移、工作頻率、壓力波和排出器位移波之間的相位差等，主控回路為溫度控制，副控回路為位移控制，驅(qū)動(dòng)電源為35ˉ60 Hz的交流正弦電源，且為了實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)冷頭溫度控制，各路交流正弦電源的幅度必須可調(diào)節(jié)，并且對(duì)于壓縮機(jī)、排出器雙驅(qū)動(dòng)型還要求壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電源與冷頭驅(qū)動(dòng)電源之間的相位0ˉ360°可調(diào)節(jié)［7］。美國(guó) Raytheon公司針對(duì)其 HCRSP2型一級(jí)斯特林二級(jí)脈管的混合制冷機(jī)提出了兩級(jí)閉環(huán)溫度控制的概念［8］，希望控制器能在513 W的輸入電功下在二級(jí)和一級(jí)冷頭分別得到2.6 W@35 K和16.2 W@85 K的制冷量。理論和實(shí)驗(yàn)分析［9］證明，改變膨脹機(jī)活塞位置并沒(méi)有影響效率，文中提出了兩個(gè)溫度控制的方案:(1)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)行程來(lái)控制斯特林級(jí)溫度，調(diào)節(jié)膨脹機(jī)活塞相位來(lái)控制脈管的溫度;(2)調(diào)節(jié)膨脹機(jī)活塞相位來(lái)控制斯特林級(jí)溫度，調(diào)節(jié)壓縮機(jī)行程來(lái)控制脈管的溫度。編寫(xiě)的代碼可根據(jù)工作條件比較容易的在兩種控制方案中進(jìn)行靈活的選擇。但是該控制器最大的挑戰(zhàn)是兩級(jí)溫度閉環(huán)控制和振動(dòng)控制的耦合，當(dāng)膨脹機(jī)的相位或幅值相對(duì)壓縮機(jī)變化時(shí)平衡減震器必須做出相應(yīng)的改變來(lái)抑制機(jī)體的振動(dòng)，Raytheon公司研制了一個(gè)主動(dòng)前饋振動(dòng)控制器來(lái)抑制小幅的振動(dòng)，對(duì)于大幅的振動(dòng)，Raytheon公司通過(guò)主動(dòng)前饋振動(dòng)控制器和平衡減震器共同作用來(lái)抑制大幅振動(dòng)。表3總結(jié)了近年來(lái)斯特林和脈管制冷機(jī)控制系統(tǒng)的主要研究進(jìn)展情況。

3 斯特林與脈管制冷機(jī)控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 控制器位置

德國(guó) AEG Infrarot-Module GmbH 公司［10］針對(duì)紅外應(yīng)用開(kāi)發(fā)了一系列控制器內(nèi)置在壓縮機(jī)里的分置式斯特林制冷機(jī)，如圖5所示。與設(shè)計(jì)為3 W@80 K的分置式斯特林制冷機(jī)聯(lián)機(jī)實(shí)驗(yàn)，最好取得了±25 mK的冷端溫度波動(dòng)。表4給出了控制器內(nèi)置型和外置型的特點(diǎn)比較。

圖4 斯特林制冷機(jī)控制器溫度多回路閉環(huán)系統(tǒng)控制框圖Fig.4 Multi-loop temperature closed-loop system control block diagram of Stirling cryocooler

表3 斯特林與脈管制冷機(jī)閉環(huán)控制器的研究進(jìn)展Table 3 Research progress in closed-loop controller of stirling and pulse tube cryocooler system

圖5 控制器內(nèi)置型斯特林制冷機(jī)Fig.5 Stirling cryocooler with internal control electronics

表4 控制器內(nèi)置型和外置型的特點(diǎn)比較Table 4 Trade-offs of external vs.internal control electronics

3.2 控制系統(tǒng)算法

因?yàn)樗固亓趾兔}管制冷機(jī)涉及了復(fù)雜的機(jī)電和熱力學(xué)過(guò)程，大部分參數(shù)不但隨著制冷機(jī)工作時(shí)間而改變，還隨著溫度的降低而變化，此外還會(huì)由于周圍環(huán)境或裝配質(zhì)量等而改變。正是因?yàn)橹评錂C(jī)的工作參數(shù)的不確定性，使得建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型的難度很大，為了使制冷機(jī)獲得最佳的工作性能，又必須對(duì)制冷機(jī)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和控制，所以必須采用復(fù)雜的控制算法，其中最常用和最成熟的算法是PID控制。

PID控制就是對(duì)反饋回來(lái)的輸入偏差進(jìn)行比例、積分和微分運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)達(dá)到控制對(duì)象的目的，如圖6所示。PID控制技術(shù)有著突出的優(yōu)點(diǎn):原理簡(jiǎn)單，使用方便，當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制器的結(jié)構(gòu)參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，而PID算法有一套完整的參數(shù)整定與設(shè)計(jì)方法，很多國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)或公司都使用PID控制算法來(lái)控制低溫制冷機(jī)系統(tǒng)。

圖6 PID控制原理框圖Fig.6 PID control principle diagram

隨著微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字PID控制算法有效地解決了模擬PID算法的溫漂問(wèn)題，使PID控制更加靈活。在傳統(tǒng)的PID算法中，因積分增益Ki為常數(shù)，在整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程中其值不變，但斯特林制冷機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)積分的要求是:設(shè)定溫度與實(shí)測(cè)溫度間的偏差大時(shí)積分作用減弱，否則會(huì)產(chǎn)生控制超調(diào)，甚至出現(xiàn)積分飽和;設(shè)定溫度與實(shí)測(cè)溫度偏差小時(shí)積分作用加強(qiáng)，否則不能滿足溫度控制穩(wěn)定性的要求。研究人員通過(guò)引進(jìn)改進(jìn)的變速積分PID控制算法［25］和積分分離式的PID算法［20］來(lái)滿足斯特林制冷機(jī)的應(yīng)用性能，變速積分PID控制算法的基本思路是:設(shè)定溫度與實(shí)測(cè)溫度間的偏差大時(shí)，積分累積速度慢，積分作用弱;偏差小時(shí)，積分累積速度快，積分作用強(qiáng)。利用Matlab驗(yàn)證了變速積分PID控制器方案的有效性［25］。而實(shí)際中，制冷機(jī)模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)是隨著時(shí)間和溫度的變化而變化的，其中還包括一定的滯后和非線性特性，這就使得傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)很難達(dá)到最佳的控制效果。自適應(yīng)PID控制結(jié)合了自適應(yīng)控制和傳統(tǒng)PID控制的優(yōu)點(diǎn)，它具有自動(dòng)辨識(shí)被控過(guò)程參數(shù)、自動(dòng)整定控制器參數(shù)、能夠適應(yīng)被控過(guò)程參數(shù)的變化等優(yōu)點(diǎn)，其次，它又具有常規(guī)PID控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性好和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。西安交通大學(xué)虞鶴松等［24］設(shè)計(jì)了應(yīng)用于分置式微型斯特林制冷機(jī)溫度自適應(yīng)控制系統(tǒng)，如圖7所示，當(dāng)制冷機(jī)充氣壓力一定時(shí)，壓縮機(jī)和膨脹機(jī)的運(yùn)行頻率f、兩者之間的相位差φ及各自的行程Z c、Z d都會(huì)影響到制冷溫度T，但是f、φ和Z d對(duì)T的影響是非單調(diào)的，存在著最佳匹配?？紤]到工程上的簡(jiǎn)便實(shí)用性，在選定控制方案時(shí)，將f、φ和Z d固定為設(shè)定值，調(diào)節(jié)變量取壓縮機(jī)行程Z c，從而構(gòu)成一個(gè)單輸入、單輸出制冷溫度控制系統(tǒng)。由于斯特林制冷機(jī)系統(tǒng)具有分布參數(shù)的非線性慢時(shí)變特點(diǎn)，并考慮到隨機(jī)干擾噪聲影響和控制魯棒穩(wěn)定性的高要求，使用了一種基于CARIMA模型在線整定加權(quán)系數(shù)的最小方差、極點(diǎn)配置隱式算法，再加上采用黃金分割魯棒控制器作為自適應(yīng)控制的啟動(dòng)控制器，與制冷機(jī)聯(lián)機(jī)后實(shí)驗(yàn)表明該控制能有效地克服未知確定性熱負(fù)荷擾動(dòng)，穩(wěn)態(tài)無(wú)誤差。

圖7 西安交通大學(xué)制冷機(jī)控制系統(tǒng)框圖Fig.7 Stirling cryocooler control system diagram of Xi’an Jiaotong University

隨著智能控制理論的發(fā)展，模糊控制也開(kāi)始使用在低溫制冷機(jī)控制系統(tǒng)中。國(guó)立臺(tái)灣大學(xué)Yee-Pien Yang［26］等將模糊控制的方法應(yīng)用在分置式斯特林制冷機(jī)上，使用兩個(gè)模糊控制器構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，如圖8所示。

3.3 驅(qū)動(dòng)電路

對(duì)斯特林與脈管制冷機(jī)而言，壓縮機(jī)是其唯一的壓力波源，驅(qū)動(dòng)電路為壓縮機(jī)提供電功率輸入，壓縮機(jī)又驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)的工作，為制冷機(jī)的載荷提供有效的制冷量。

早期的驅(qū)動(dòng)電路主要采用由模擬電路或計(jì)算機(jī)產(chǎn)生正弦信號(hào)，經(jīng)功率放大器線性放大后加載在壓縮機(jī)上［27-28］，通過(guò)調(diào)節(jié)正弦信號(hào)的幅度或放大電路的放大倍數(shù)實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)輸入功率可調(diào)，通過(guò)調(diào)節(jié)正弦信號(hào)的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)輸入電壓頻率可調(diào)。雖然此方式生成的波形沒(méi)有高頻雜波，但是效率很低，且發(fā)熱嚴(yán)重，需要額外設(shè)計(jì)散熱裝置來(lái)提高控制器的穩(wěn)定性。

圖8 雙模糊控制器閉環(huán)系統(tǒng)框圖Fig.8 Dual fuzzy control system

目前常用的驅(qū)動(dòng)電路為通過(guò)生成SPWM(sinusoidal pulse width modulation)信號(hào)經(jīng)光耦合隔離后驅(qū)動(dòng)H橋逆變電路，再經(jīng)濾波電路濾波后加載在線性壓縮機(jī)上。H橋逆變電路是制冷機(jī)控制器的核心部分，是將母線的直流電壓轉(zhuǎn)換成負(fù)載所期盼的正弦波交流電壓，目前采用最多的是正弦波脈沖寬度調(diào)制(SPWM)技術(shù)，SPWM法以采樣控制理論中的面積等效原理為基礎(chǔ)，用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開(kāi)關(guān)器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過(guò)改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。SPWM方法的實(shí)現(xiàn)主要由硬件調(diào)試法和軟件生成法。硬件調(diào)制法可以用模擬電路構(gòu)成三角波載波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路，用比較器來(lái)確定它們的交點(diǎn)，在交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)開(kāi)關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，就可以生成SPWM波，如圖9所示［29］。這種方法雖然便宜和緊湊，但電路復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)精確的控制。

圖9 模擬電路調(diào)制SPWM波結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Complete block diagram of PWM generator

隨著微機(jī)處理器技術(shù)的發(fā)展，軟件生成法逐漸成為主流。軟件生成法的基本算法主要為自然采樣法和規(guī)則采樣法。規(guī)則采樣法是一種應(yīng)用較廣的工程實(shí)用方法，一般采用三角波作為載波。其原理就是用三角波對(duì)正弦波進(jìn)行采樣得到階梯波，再以階梯波與三角波的交點(diǎn)時(shí)刻控制開(kāi)關(guān)器件的通斷，從而實(shí)現(xiàn)SPWM法。在控制制冷壓縮機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要使用可逆PWM系統(tǒng)，可逆PWM系統(tǒng)可分為單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制。因?yàn)閱螛O性調(diào)制時(shí)，輸出調(diào)制電壓在正脈沖或負(fù)脈沖和零電平之間變化，脈動(dòng)量小，因而電感電流脈動(dòng)和輸出紋波小，只有在電壓和電流方向相反的時(shí)候才會(huì)有逆變橋交流能量的回饋現(xiàn)象，所以制冷機(jī)控制器常采用單極性調(diào)制方式。根據(jù)采樣時(shí)刻的不同，又可分為對(duì)稱規(guī)則采樣和不對(duì)稱規(guī)則采樣，不對(duì)稱規(guī)則采樣因階數(shù)多而更接近正弦。西安交通大學(xué)高小赟［18］等采用不對(duì)稱規(guī)則采樣算法，研制了基于DSP的斯特林制冷機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用單個(gè)DSP控制3臺(tái)電機(jī)的設(shè)計(jì)構(gòu)思并對(duì)單臺(tái)直線電機(jī)進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的SPWM波有較好的正弦性。

3.4 控制核心處理器

由于模擬電路制造的控制器電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜且抗干擾能力差，單片機(jī)在數(shù)字和邏輯功能方面可以完成一些具有一定智能的任務(wù)，再加上集成的存儲(chǔ)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和脈寬調(diào)制電路等電路，使得單片機(jī)開(kāi)始使用在斯特林與脈管制冷機(jī)控制系統(tǒng)中。華中理工大學(xué)黃聲華［12］等和蘭州物理研究所王世耀等［12］使用80C196單片機(jī)為核心控制單元研制斯特林制冷機(jī)控制器，制冷機(jī)冷頭的溫度和壓縮機(jī)、排出器的位移等信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送CPU分析判斷，直接生成SPWM波電壓驅(qū)動(dòng)逆變電路產(chǎn)生3路幅值、相位和頻率可調(diào)的交流電壓加載到直線電機(jī)上，控制3臺(tái)直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)?？刂破饔滞ㄟ^(guò)串行通訊接口與上位機(jī)建立聯(lián)系，人們通過(guò)上位機(jī)向制冷機(jī)和控制器發(fā)送控制命令，修改運(yùn)行參數(shù)，控制器通過(guò)串行口向上位機(jī)傳送所有遙測(cè)數(shù)據(jù)。

早期的斯特林與脈管制冷機(jī)控制器多以單片機(jī)為核心來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于集成度低，外圍器件較多，導(dǎo)致控制器體積大;其次由于其運(yùn)行速度低，導(dǎo)致以PWM或SPWM方式驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)載波頻率較低，致使電機(jī)電流波形失真加大，諧波含量高，影響制冷機(jī)性能［7］。

相對(duì)于單片機(jī)而言，DSP(digital signal processor數(shù)字信號(hào)處理器)具有很高的集成度，具有更快的CPU，更大容量的存儲(chǔ)器，有的DSP片內(nèi)還集成了A/D和采集/保持電路，可提供PWM輸出。DSP器件采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的程序和數(shù)據(jù)空間，允許同時(shí)存取程序和數(shù)據(jù)。它強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度是最值得稱道的兩大特色。DSP電路可以根據(jù)采集的溫度信號(hào)，靈活控制壓縮機(jī)的輸入電壓、相位以及頻率值，進(jìn)而保持冷頭溫度的穩(wěn)定性。

近年來(lái)，THALES公司［19］開(kāi)發(fā)了以 DSP作為核心器件的控制器，如圖10、11所示。該控制器使用內(nèi)部集成的高精度A/D轉(zhuǎn)換器來(lái)采集處理冷頭的溫度信號(hào)，還可以監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度以對(duì)輸出控制進(jìn)行微調(diào)。控制器采用異步通信的方式實(shí)時(shí)與外界系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行交互，可以即時(shí)調(diào)整控制參量并監(jiān)測(cè)制冷機(jī)的狀態(tài)。該控制器高度數(shù)字化，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、效率高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，可以用作多種制冷機(jī)的控制器，并可以在極端環(huán)境中使用。

圖10 THALES公司基于DSP制冷機(jī)控制器功能框圖Fig.10 Block diagram of Thales Cryocooler Control Electronics

圖11 THALES公司制冷機(jī)控制器Fig.11 Photograph of the Thales Cryocooler Control Electronics

DSP技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了低溫制冷機(jī)控制器的發(fā)展，但存在兩個(gè)缺點(diǎn):DSP芯片直接生成的SPWM信號(hào)載波頻率比較低，且其通過(guò)軟件運(yùn)算生成SPWM信號(hào)的可靠性較低。針對(duì)DSP技術(shù)的缺點(diǎn)，采用FPGA(Field Programmable Gate Array現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器)硬件的控制器被開(kāi)發(fā)出來(lái)，其可生成較高頻率的SPWM波，運(yùn)算速度更快，波形穩(wěn)定且抗干擾能力強(qiáng)?？赏ㄟ^(guò)DSP或單片機(jī)采集反饋信號(hào)對(duì)FPGA進(jìn)行初始化設(shè)置，以達(dá)到更可靠的控制結(jié)構(gòu)。FPGA內(nèi)部是全并行體系結(jié)構(gòu)，有著運(yùn)行速度快、時(shí)序控制能力強(qiáng)、編程調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于變頻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制;且FPGA使用硬件實(shí)現(xiàn)運(yùn)算，抗干擾能力強(qiáng)，不存在程序跑飛的風(fēng)險(xiǎn)，有著較強(qiáng)的穩(wěn)定性和可靠性。

上海技術(shù)物理研究所朱鵬［20-21］等開(kāi)展了基于FPGA的牛津型分置式斯特林制冷機(jī)控制系統(tǒng)的研究?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖12所示，溫度探測(cè)電路負(fù)責(zé)為溫度二極管提供穩(wěn)恒電流，并讀取溫度二極管上的電壓信號(hào);溫度電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路放大后再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，送入FPGA中作為PID模塊的輸入?yún)⒘窟M(jìn)行運(yùn)算處理，根據(jù)制冷機(jī)的熱動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析，反映到控制器PID算法的參數(shù)整定中，F(xiàn)PGA生成SPWM波，SPWM波經(jīng)光電耦合電路作用在功率驅(qū)動(dòng)電路上，驅(qū)動(dòng)電路采用逆變H橋電路，由智能功率模塊(IPM)驅(qū)動(dòng)4個(gè)功率MOSFET，產(chǎn)生雙極性SPWM電壓波形，同時(shí)給壓縮機(jī)的兩個(gè)直線電機(jī)供電。

圖12 基于FPGA的斯特林制冷機(jī)控制器結(jié)構(gòu)框圖Fig.12 Structure of the Cryocooler Control Electronics based on FPGA

3.5 電磁兼容

制冷機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)大功率的系統(tǒng)，電機(jī)運(yùn)行時(shí)會(huì)向外發(fā)射電磁干擾，其控制器也是電磁干擾的重要來(lái)源，對(duì)于星用的制冷機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，如果電磁干擾信號(hào)過(guò)大時(shí)探測(cè)器的探測(cè)信號(hào)甚至?xí)谎蜎](méi)，所以有必要為制冷機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)。

線性壓縮機(jī)無(wú)論是動(dòng)磁式還是動(dòng)圈式直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，磁場(chǎng)的突變都會(huì)向外發(fā)射交變電磁干擾。而控制器中的橋式逆變電路，內(nèi)部的功率電子器件工作在高速開(kāi)關(guān)狀態(tài)，其產(chǎn)生的高頻脈沖信號(hào)具有很大的d u/d t和d i/d t;同時(shí)電路中存在電感、電容器件以及線路雜散電感和分布電容，在d u/d t和d i/d t的作用下會(huì)導(dǎo)致脈沖電流和脈沖電壓的產(chǎn)生。功率電子器件的頻繁開(kāi)關(guān)導(dǎo)致輸入電流脈動(dòng)變化，在直流輸入側(cè)形成差模干擾電流，輸出電壓中諧波的存在則導(dǎo)致輸出側(cè)產(chǎn)生差模干擾電流;逆變電路中電壓的突變d u/dt經(jīng)過(guò)分布電容的耦合在逆變器輸入輸出端形成共模干擾電流。由于控制器輸出交變大電流，且電路中部分環(huán)路的d i/d t較大，會(huì)向空間輻射大量的電磁干擾，這些干擾中有交變電干擾和交變磁干擾，同時(shí)，控制器信號(hào)處理電路也會(huì)發(fā)生交變電干擾。

為了在保證制冷機(jī)和控制器安全正常運(yùn)行的前提下降低系統(tǒng)對(duì)外的電磁干擾，常采取以下辦法［20］:(1)使用金屬良導(dǎo)體制成的電控箱將控制器電路屏蔽起來(lái)，并將電控箱表面涂黑;(2)控制器和制冷機(jī)之間采用屏蔽雙絞線連接，屏蔽網(wǎng)兩邊分別連接到電控箱和壓縮機(jī)外殼上;(3)在每個(gè)集成電路的電源和地之間加一個(gè)很小的退耦電容;(4)采用混合接地方法，各電路單元的地總線在電源濾波器處單點(diǎn)連接。(5)在直流母線和控制器電源輸入端之間接濾波器，美國(guó)Raytheon公司［8］研制了一種有源線性濾波器，可以有效的抑制諧波，如圖13所示。

圖13 美國(guó)Raytheon公司有源線性濾波器Fig.13 Active ripple filter of Raytheon Co.

3.6 保護(hù)電路和可靠性設(shè)計(jì)

低溫制冷機(jī)控制器為了防止突然啟動(dòng)時(shí)壓縮機(jī)活塞撞缸，必須施加相應(yīng)的緩啟動(dòng)裝置［30-31］以及過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)電路。

低溫制冷機(jī)控制器在軌運(yùn)行時(shí)，是暴露在充滿高能粒子和宇宙射線的空間惡劣環(huán)境中的，所以控制器空間抗輻射設(shè)計(jì)是非常重要的。制冷機(jī)控制器的抗輻射設(shè)計(jì)主要考慮輻射帶和宇宙線的總劑量效應(yīng)和單粒子效應(yīng)的防護(hù)問(wèn)題，一般采用局部屏蔽、系統(tǒng)優(yōu)化等方法進(jìn)行總劑量防護(hù)，而單粒子效應(yīng)防護(hù)盡量采用軟件方法［17］。低溫制冷機(jī)控制器的熱設(shè)計(jì)對(duì)于提高控制器的可靠性方面也很重要，控制器熱設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是將元器件的熱耗有效的傳給設(shè)備底板和設(shè)備殼體，確保控制器正常運(yùn)行器件，元器件不受熱應(yīng)力的損壞?？臻g中控制器的熱設(shè)計(jì)主要從設(shè)備的熱傳導(dǎo)和輻射傳熱兩個(gè)方面進(jìn)行考慮。

4 總結(jié)與展望

隨著近年來(lái)越來(lái)越多的儀器和設(shè)備的運(yùn)行和發(fā)展離不開(kāi)低溫制冷技術(shù)，尤其是空間技術(shù)中的紅外探測(cè)器和X射線探測(cè)器等，空間工業(yè)一直希望采用機(jī)械制冷機(jī)來(lái)獲得比輻射制冷溫度低很多、比固體制冷劑運(yùn)行壽命長(zhǎng)得多的低溫技術(shù)，以供科學(xué)研究和空間觀測(cè)之用，空間工業(yè)對(duì)斯特林和脈管制冷機(jī)進(jìn)行了廣泛的研究和開(kāi)發(fā)。而控制器是斯特林和脈管制冷機(jī)系統(tǒng)中必不可少的一個(gè)部分，其性能直接影響了制冷機(jī)系統(tǒng)的可靠性。因?yàn)榭臻g應(yīng)用對(duì)控制器有很多特殊的要求，比如:重量小、效率高、抗輻射干擾、高可靠性、高溫度控制精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性、最大限度地減小振動(dòng)，以及提供對(duì)制冷機(jī)的保護(hù)和在軌診斷等。開(kāi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但效果作用有限，所以空間上普遍采用閉環(huán)控制技術(shù)。

隨著微處理器和大冷量的小型低溫制冷機(jī)性能的逐步提高，基于DSP或FPGA核心的制冷機(jī)控制器成為斯特林和脈管制冷機(jī)控制系統(tǒng)的技術(shù)已基本成熟，但在具體應(yīng)用中中國(guó)的研究尚存在以下若干技術(shù)問(wèn)題需要注意和優(yōu)化。

(1)控制算法。隨著對(duì)制冷機(jī)系統(tǒng)溫控精度的要求越來(lái)越高，性能優(yōu)越的控制器顯得越發(fā)的重要，而控制算法又是影響冷頭溫控精度的最重要因素之一。迄今為止，PID算法控制仍然是斯特林和脈管制冷機(jī)控制器中最常用的控制算法，但傳統(tǒng)的PID算法無(wú)法突破制冷機(jī)系統(tǒng)的滯后、時(shí)變性和非線性等特性造成的誤差，對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行精確的整定。隨著現(xiàn)代控制理論和智能控制理論的發(fā)展，各種新算法的不斷涌現(xiàn)為控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)辟了新的途徑，將自適應(yīng)控制、預(yù)測(cè)控制和模糊控制等理論應(yīng)用于PID控制器，對(duì)PID控制的參數(shù)進(jìn)行自整定，以滿足制冷機(jī)的特性。從表3中可以看出，中國(guó)國(guó)內(nèi)的控制器溫控精度還落后與歐美世界水平，加強(qiáng)對(duì)制冷機(jī)模型的認(rèn)識(shí)理解以及如何將新型控制算法與傳統(tǒng)PID算法有效地結(jié)合起來(lái)將成為國(guó)內(nèi)研究人員的立足點(diǎn)。

(2)控制器效率。從表3中可以看出，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家制冷機(jī)控制器效率最高已經(jīng)達(dá)到96%，而中國(guó)國(guó)內(nèi)控制器的效率還遠(yuǎn)低于這個(gè)水平。制冷機(jī)控制器的功率消耗主要集中在H橋驅(qū)動(dòng)電路模塊，如何提高逆變器的轉(zhuǎn)換效率是提高整個(gè)控制器效率的關(guān)鍵。提升逆變器效率的方法主要為:1)軟開(kāi)關(guān)逆變器拓?fù)?2)新型功率開(kāi)關(guān)器件;3)新型控制策略如空間矢量脈管調(diào)制(SVM)技術(shù)。

(3)模塊化。從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度看，通用型模塊化設(shè)計(jì)是節(jié)省成本的重要手段，模塊化設(shè)計(jì)允許利用設(shè)計(jì)良好的通用硬件結(jié)構(gòu)，僅通過(guò)修改軟件代碼［2］和增刪驅(qū)動(dòng)卡的數(shù)量［1］即可滿足不同的制冷機(jī)需求，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)對(duì)制冷機(jī)模塊化設(shè)計(jì)進(jìn)行了很多嘗試，而中國(guó)國(guó)內(nèi)的研究還剛剛起步。

對(duì)于未來(lái)空間用低溫制冷機(jī)控制器的發(fā)展是在保證控制精度和響應(yīng)速度的前提下，并且考慮對(duì)震動(dòng)的抑制以及適應(yīng)空間惡劣環(huán)境的基礎(chǔ)上，以最小的重量提供最大的功率輸出，進(jìn)而得到最大的制冷量。

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