吳聿聰，楊遂軍，丁 炯，楊偉華，葉樹亮

(1.中國計量大學，工業(yè)與商貿計量技術研究所，浙江杭州 310018；2.杭州仰儀科技有限公司，浙江杭州 310018)

0 引言

半導體制冷器具有響應速度快、體積小、熱慣性小、便于冷熱切換等特點[1]，在生物醫(yī)療、理化參數測試等領域的儀器設備中得到了越來越廣泛的應用[2-3]，如PCR儀、石油低溫流動性分析儀等，但其制冷能力受冷熱面溫差影響較大，對熱端散熱設計要求較高。

徐穎達等使用-10 ℃的低溫防凍液為三級半導體制冷器散熱，最低制冷溫度達到-72 ℃[4]；蘇家雨等使用三級半導體制冷器，結合真空密封與常溫水冷循環(huán)對CCD進行低溫控制，最低溫度可達-80 ℃[5]；安春明等使用壓縮機對三級半導體制冷器進行散熱，最低溫度可達-80 ℃[6]。以上溫度控制系統(tǒng)均使用水冷循環(huán)槽或壓縮機為半導體制冷器進行散熱，散熱設備體積大，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為熱端散熱裝置，三級半導體制冷器為控溫執(zhí)行器，采用單神經元PID算法提高控溫精度的溫度控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 設計思路

半導體制冷器溫控系統(tǒng)一般使用風冷或水冷散熱，其熱端仍會保持在較高溫度，限制了低溫制冷能力；斯特林制冷機具有體積小、冷量大、壽命長、等優(yōu)點，隨著現(xiàn)代制造技術的發(fā)展與成本的降低，逐漸在商用領域得到應用，但其為機械式制冷方式，溫度響應較慢，精確控溫周期較長。本文結合半導體制冷器與斯特林制冷機的優(yōu)點，使用斯特林制冷機為半導體制冷器熱端散熱，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，并保留了半導體制冷器快速響應、精確控制的特點。

1.2 系統(tǒng)結構

半導體制冷器溫度控制系統(tǒng)主要由上位機、下位機主控電路、三級半導體制冷器及其驅動電路、溫度傳感器、斯特林制冷機、被控對象組成。制冷器由隔熱材料包裹，銅制樣品池作為控溫對象，制冷器熱端與斯特林制冷機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，測定冷熱端溫度，并通過AD傳入下位機主控電路，單片機運行單神經元PID算法輸出功率占空比，調節(jié)電壓電流對三級半導體制冷器進行溫度控制，形成一個閉環(huán)反饋，圖1為系統(tǒng)結構示意圖。

圖1 半導體制冷器溫度控制系統(tǒng)

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 斯特林制冷機

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

2.2 溫度采集轉換

本文測溫部分選用直徑0.8 mm的高精度K型熱電偶進行溫度測量，熱電偶將溫度信號轉化為電勢信號，經過濾波、放大以及A/D轉換后送入單片機進行處理。圖2為溫度采集轉換電路。

圖2 溫度采集轉換電路

為避免環(huán)境中的電磁干擾以及減少電路的復雜程度，濾波電路選用RC低通濾波電路，置于前級濾除干擾信號。A/D轉換芯片選用低噪聲、低功耗、多通道的24位模數轉換器AD7794。其集成一個低噪聲可編程增益儀表放大器，放大倍數在1～128倍之間可調，避免獨立放大電路設計，內部集成高精度基準電壓源(1.17 V)，不僅滿足A/D轉換中高精度基準電壓需求，也簡化了溫度采集轉換電路設計。24位分辨率保證了對熱電偶電勢變化的辨識能力，均方根噪聲僅為40 nV，滿足溫控系統(tǒng)對溫度測量的精度需求。

2.3 冷端補償電路

熱電偶測溫需要冷端補償。本系統(tǒng)選用熱敏電阻作為冷端溫度的測溫元件，常規(guī)測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，再經過轉換公式得到冷端溫度[7]。但在實際使用中，恒流源電路設計復雜，高精度恒流源集成芯片價格昂貴，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，最終計算出冷端溫度。

圖3 冷端補償電路

2.4 半導體制冷器控制

系統(tǒng)選用三級半導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114 ℃，但在非真空室溫工況下，最大制冷溫差僅為70 ℃。半導體制冷器功率由單片機輸出PWM波進行控制，為防止大功率驅動干擾對控制信號的影響，選用TLP2366高速光耦將單片機主控單元與功率控制單元隔離。半導體制冷器驅動換向電路采用經典H橋驅動電路，選用SIR416型MOS管作為開關器件，針對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的高低切換對半導體制冷器的沖擊，在半導體制冷器兩端構建雙極平衡型LC低通濾波電路，穩(wěn)定輸出幅值。半導體制冷器控制結構如圖4所示。

圖4 半導體制冷器控制結構

3 系統(tǒng)軟件設計

半導體制冷器溫度控制系統(tǒng)軟件設計主要包括上位機與下位機軟件。上位機軟件實現(xiàn)控制目標溫度參數的傳遞，控制系統(tǒng)實驗的啟動與結束、顯示實時溫度狀態(tài)并繪制曲線等。下位機軟件主要負責溫度的采集與轉換、溫度控制算法處理、控制斯特林制冷機等。

3.1 上位機軟件設計

為方便操作人員控制系統(tǒng)工作、實時觀測系統(tǒng)溫度狀態(tài)并記錄下實驗過程數據，使用LabVIEW開發(fā)上位機軟件。上位機軟件通過異步串口與下位機進行通訊，采用判斷幀頭幀尾、數據長度位、異或校驗位來保證傳輸數據的可靠性。用戶可通過軟件將目標溫度、單神經元PID初始值等參數下發(fā)給下位機，通過啟動按鍵控制實驗的開始與終止。上位機可實時解析下位機發(fā)送的數據，在顯示界面將溫度值與溫度速率實時繪圖顯示，并將實驗過程中的相關數據保存在對應TXT文件中，方便后續(xù)分析。

3.2 下位機軟件設計

下位機軟件是整個溫度控制系統(tǒng)的核心，根據上位機下發(fā)的目標參數來實現(xiàn)對溫度目標的控制。系統(tǒng)的下位機軟件流程如圖5所示。系統(tǒng)上電復位后，開始程序初始化，配置各中斷與預設變量；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據的讀取與轉換；在定時器中斷中判斷上位機參數是否設定完成，若設定完成，根據設定溫度與斯特林進行通訊，啟動散熱，運行溫控算法，輸出一定占空比的PWM波信號，控制TEC功率輸出，實現(xiàn)被控對象的溫度調節(jié)。當收到上位機停止命令后，停止溫控流程。

圖5 下位機軟件流程圖

3.3 單神經元PID算法設計

半導體制冷器具有復雜的非線性與時變性特征，傳統(tǒng)PID控制參數固定，適應性較差，故系統(tǒng)采用適應性強、實時性好的單神經元PID進行溫度控制[8]。單神經元PID控制器通過改變加權系數wj來實現(xiàn)自適應調整的功能，目標輸出與實際輸出的差值進入轉換器，在誤差信號的作用下，轉換器按照學習規(guī)則來動態(tài)調整加權系數，計算狀態(tài)量并累加輸出，從而快速使被控對象的實際值接近目標值。單神經元的結構圖如圖6所示。

圖6 單神經元PID結構圖

在控制過程中，誤差信號經轉換器轉換為狀態(tài)量x1,x2,x3其表達式如下：

(1)

式中e(t)為第t時刻的誤差量。

單神經元輸出控制信號的表達式為

(2)

式中：u(t)為t時刻控制量；Δu(t)為t時刻控制量增量；K為增益系數；wj(t)為t時刻加權系數。

加權系數wj(t)采用delta學習規(guī)則進行計算：

wj(t+1)=wj(t)+ηje(t)xj(t)

(3)

式中ηj為學習速率。

為了避免加權系數過大導致系統(tǒng)收斂性不良，對加權系數進行規(guī)范化處理，表達式如下：

(4)

單神經元PID輸出表達式為

(5)

4 實驗數據分析

4.1 系統(tǒng)極限低溫實驗

為驗證控溫系統(tǒng)極限低溫能力，進行極限低溫實驗，實驗裝置如圖7所示。首先開啟斯特林制冷機全功率制冷，同時啟動半導體制冷器控制被控對象在28 ℃進行恒溫，當斯特林制冷機制冷到最低溫度時，開啟半導體制冷器進行全功率制冷，并實時記錄溫度。圖8為水冷散熱TEC極限低溫、單純斯特林制冷極限低溫、復合制冷極限低溫曲線圖。

圖7 溫控系統(tǒng)實物圖

圖8 極限低溫曲線對比圖

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

4.2 系統(tǒng)控溫精度實驗

系統(tǒng)控制精度是溫控系統(tǒng)中的重要指標，溫控精度實驗選取-30 ℃、-60 ℃、-90 ℃ 3個溫度點進行實驗。在室溫25 ℃的情況下，對被控對象進行恒溫控制，待溫度穩(wěn)定后，記錄400～650 s內的溫度波動，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 ℃的溫度目標控制過程中，溫度在150s內均達到穩(wěn)定，降溫與控制過程迅速，250s內誤差均小于±0.05℃，系統(tǒng)溫控穩(wěn)定性較高，達到預期效果。

5 結束語

本文設計了一種以斯特林制冷機為散熱裝置的半導體制冷器溫度控制系統(tǒng)，采用上下位機架構，選用高精度AD轉換芯片進行溫度采集，設計了安全可靠的TEC驅動電路，通過單神經元PID算法對溫度進行控制。系統(tǒng)將斯特林制冷機與半導體制冷器的優(yōu)點相結合，無需復雜的熱端散熱設計，相對傳統(tǒng)散熱方式，復合溫度控制系統(tǒng)制冷能力強、控溫精度高、調節(jié)速度快、體積小，對于快速低溫發(fā)生儀器設計具有參考價值。