本发明涉及一种旋转分置式气动斯特林制冷机驱动及温控系统和方法，系统包括外部直流总电源，还包括第一DC‑DC转换模块、第二DC‑DC转换模块、半H桥功率放大模块、直流无刷电机霍尔信号测量模块，第一DC‑DC转换模块和半H桥功率放大模块分别连接外部直流总电源，所述第二DC‑DC转换模块和直流无刷电机霍尔信号测量模块分别连接第一DC‑DC转换模块，第二DC‑DC转换模块还分别连接有测温二极管温度信号测量模块和MCU模块，MCU模块分别连接直流无刷电机霍尔信号测量模块、测温二极管温度信号测量模块、半H桥功率放大模块，半H桥功率放大模块连接有旋转分置式气动斯特林制冷机，旋转分置式气动斯特林制冷机连接测温二极管温度信号测量模块和直流无刷电机霍尔信号测量模块。
1.一种旋转分置式气动斯特林制冷机驱动及温控系统，包括外部直流总电源，其特征在于，还包括第一DC-DC转换模块、第二DC-DC转换模块、半H桥功率放大模块、直流无刷电机霍尔信号测量模块，所述第一DC-DC转换模块和半H桥功率放大模块分别连接外部直流总电源，所述第二DC-DC转换模块和直流无刷电机霍尔信号测量模块分别连接第一DC-DC转换模块，所述第二DC-DC转换模块还分别连接有测温二极管温度信号测量模块和MCU模块，所述MCU模块分别连接直流无刷电机霍尔信号测量模块、测温二极管温度信号测量模块、半H桥功率放大模块，所述半H桥功率放大模块连接有旋转分置式气动斯特林制冷机，旋转分置式气动斯特林制冷机连接测温二极管温度信号测量模块和直流无刷电机霍尔信号测量模块。
2.根据权利要求1所述的旋转分置式气动斯特林制冷机驱动及温控系统，其特征在于，所述旋转分置式气动斯特林制冷机包括直流无刷电机、气动分置式制冷机冷指模块、旋转分置式气动制冷机冷端，所述直流无刷电机连接直流无刷电机霍尔信号测量模块和半H桥功率放大模块，所述旋转分置式气动制冷机冷端连接测温二极管温度信号测量模块。
3.根据权利要求1所述的旋转分置式气动斯特林制冷机驱动及温控系统，其特征在于，所述直流无刷电机霍尔信号测量模块包括直流无刷电机位置检测电路和脉冲波整形单元，所述直流无刷电机位置检测电路连接直流无刷电机的霍尔信号引线，所述脉冲波整形单元连接MCU模块，直流无刷电机位置检测电路获取直流无刷电机的霍尔信号，经过脉冲波整形单元处理后，传送到MCU模块。
4.根据权利要求1所述的旋转分置式气动斯特林制冷机驱动及温控系统，其特征在于，所述测温二极管温度信号测量模块包括恒流源、测温二极管和温度信号测量模块，所述温度信号测量模块将测温二极管温度信号转化成相对应的电压信号，所述测温二极管连接旋转分置式气动制冷机冷端，恒源流用于产生恒定电流，并使测温二极管工作，温度信号测量模块用于将温度信号转换为对应的电压信号。
5.根据权利要求4所述的旋转分置式气动斯特林制冷机驱动及温控系统，其特征在于，所述测温二极管自身电阻为热敏电阻。
6.根据权利要求1所述的旋转分置式气动斯特林制冷机驱动及温控系统，其特征在于，所述MCU模块包括模拟-数字信号转换单元、PID控制单元和数字信号处理单元，所述模拟-数字信号转换单元用于将采集到的温度信号转换成相对应的数字信号，并与MCU模块中设定的温度点进行比较，并得到设定温度点与反馈温度值的差值。
7.根据权利要求6所述的旋转分置式气动斯特林制冷机驱动及温控系统，其特征在于，所述PID控制单元包括温度环PID和速度环PID，用于对设定温度点与反馈温度值的差值进行处理，得到速度环PID控制输出，通过MCU模块内部的定时器处理，将速度环PID的控制输出转化为相对应的PWM波。
8.一种根据权利要求1至7任一所述的系统进行驱动及温控的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S2、将直流无刷电机的霍尔信号引线连接到直流无刷电机位置检测电路上，输出的直流无刷电机霍尔信号高低电平，经过脉冲波整形单元处理后，传送至MCU模块；
S3、测温二极管温度信号测量模块将测温二极管温度信号转化成相对应的电压信号；
S4、MCU模块将输入的电压信号转化为相对应的数字信号，并输出直流无刷电机驱动控制PWM波；
S5、通过调整旋转分置式气动斯特林制冷机的直流无刷电机运行转速，从而控制制冷机降温并稳定在控温点。
9.根据权利要求8所述的旋转分置式气动斯特林制冷机驱动及温控系统，其特征在于，所述步骤S4具体包括：将输入的电压信号转化为相对应的数字信号，并与MCU模块中设定的参考温度点进行比较，得到设定温度点与反馈温度值的差值；差值分别经过温度环PID与速度环PID控制算法处理，获得速度环PID控制输出；通过MCU模块内部的定时器处理，将速度环PID的控制输出转化为相对应的PWM波。
10.根据权利要求8所述的旋转分置式气动斯特林制冷机驱动及温控系统，其特征在于，所述步骤S5具体包括：根据PWM波的不同占空比与直流无刷电机的霍尔信号，改变半H桥功率放大模块中半H桥上MOS管的通断顺序与时间，调整制冷机直流无刷电机的运行转速，改变气动分置式制冷机冷指模块的制冷效果，对旋转分置式气动斯特林制冷机冷端上温度稳定性进行控制。
旋转分置式气动斯特林制冷机驱动及温控系统和方法
技术领域
[0001] 本发明涉及制冷与低温工程领域和自动控制，更具体的说，是涉及一种旋转分置式气动斯特林制冷机驱动及温控系统和方法。
背景技术
[0002] 自1954年荷兰Philips实验室研制成功实用的斯特林制冷机以来，斯特林制冷机经过了半个世纪的发展，结构形式从整体式发展到分置式。旋转分置式斯特林制冷机处于旋转整体式与线性分置式斯特林制冷机的中间产品，它具有线性分置式斯特林制冷机布置灵活，冷头远离振动源的特点，同时可采用现有成熟的旋转整体式斯特林制冷机的加工与装配技术，成本更低。
[0003] 红外探测系统的核心器件是红外探测器，低温制冷机是红外探测器的重要组成部分，用于实现芯片工作在一个稳定的深低温环境。旋转分置式气动斯特林制冷机因为其重量轻、体积小等特点，可广泛应用在夜视手持及导弹制导等军事设备上。然而，目前国内在军事领域内大部分使用的旋转分置式气动斯特林制冷机与驱动控制器，主要还是依赖进口，这已经严重制约到我国国防事业的发展。自主研发一款具有抗高冲击振动、环境适应性强、控温精度高、控温稳定性好、功耗低、可靠性高和便于大批量生产的旋转分置式气动斯特林制冷机驱动控制器显得尤为紧迫。
发明内容
[0004] 有鉴于此，有必要针对上述问题，提供一种旋转分置式气动斯特林制冷机驱动及温控系统和方法，同时实现旋转分置式气动斯特林制冷机直流无刷电机的驱动与制冷机冷端温度的稳定控制。
[0005] 为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
[0006] 一种旋转分置式气动斯特林制冷机驱动及温控系统，包括外部直流总电源，还包括第一DC-DC转换模块、第二DC-DC转换模块、半H桥功率放大模块、直流无刷电机霍尔信号测量模块，所述第一DC-DC转换模块和半H桥功率放大模块分别连接外部直流总电源，所述第二DC-DC转换模块和直流无刷电机霍尔信号测量模块分别连接第一DC-DC转换模块，所述第二DC-DC转换模块还分别连接有测温二极管温度信号测量模块和MCU模块，所述MCU模块分别连接直流无刷电机霍尔信号测量模块、测温二极管温度信号测量模块、半H桥功率放大模块，所述半H桥功率放大模块连接有旋转分置式气动斯特林制冷机，旋转分置式气动斯特林制冷机连接测温二极管温度信号测量模块和直流无刷电机霍尔信号测量模块。
[0007] 作为优选的，所述旋转分置式气动斯特林制冷机包括直流无刷电机、气动分置式制冷机冷指模块、旋转分置式气动制冷机冷端，所述直流无刷电机连接直流无刷电机霍尔信号测量模块和半H桥功率放大模块，所述旋转分置式气动制冷机冷端连接测温二极管温度信号测量模块。
[0008] 作为优选的，所述直流无刷电机霍尔信号测量模块包括直流无刷电机位置检测电路和脉冲波整形单元，所述直流无刷电机位置检测电路连接直流无刷电机的霍尔信号引线，所述脉冲波整形单元连接MCU模块，直流无刷电机位置检测电路获取直流无刷电机的霍尔信号，经过脉冲波整形单元处理后，传送到MCU模块。
[0009] 作为优选的，所述测温二极管温度信号测量模块包括恒流源、测温二极管和温度信号测量模块，所述温度信号测量模块将测温二极管温度信号转化成相对应的电压信号，所述测温二极管连接旋转分置式气动制冷机冷端，恒源流用于产生恒定电流，并使测温二极管工作，温度信号测量模块用于将温度信号转换为对应的电压信号。
[0010] 作为优选的，所述测温二极管自身电阻为热敏电阻。
[0011] 作为优选的，所述MCU模块包括模拟-数字信号转换单元、PID控制单元和数字信号处理单元，所述模拟-数字信号转换单元用于将收到的反馈温度值的温度信号转换成相对应的数字信号，并与MCU模块中设定的温度点进行比较，并得到设定温度点与反馈温度值的差值。
[0012] 作为优选的，所述PID控制单元包括温度环PID和速度环PID，用于对设定温度点与反馈温度值的差值进行处理，得到速度环PID控制输出，通过MCU模块内部的定时器处理，将速度环PID的控制输出转化为相对应的PWM波。
[0013] 一种根据上述系统进行驱动及温控的方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0014] S1、供电，外部直流总电源对系统进行供电；
[0015] S2、将直流无刷电机的霍尔信号引线连接到直流无刷电机位置检测电路上，输出的直流无刷电机霍尔信号高低电平，经过脉冲波整形单元处理后，传送至MCU模块；
[0016] S3、测温二极管温度信号测量模块将测温二极管温度信号转化成相对应的电压信号；
[0017] S4、MCU模块将输入的电压信号转化为相对应的数字信号，并输出直流无刷电机驱动控制PWM波；
[0018] S5、通过调整旋转分置式气动斯特林制冷机的直流无刷电机运行转速，从而控制制冷机降温并稳定在控温点。
[0019] 作为优选的，所述步骤S4具体包括：将输入的电压信号转化为相对应的数字信号，并与MCU模块中设定的参考温度点进行比较，得到设定温度点与反馈温度值的差值；差值分别经过温度环PID与速度环PID控制算法处理，获得速度环PID控制输出；通过MCU模块内部的定时器处理，将速度环PID的控制输出转化为相对应的PWM波。
[0020] 作为优选的，所述步骤S5具体包括：根据PWM波的不同占空比与直流无刷电机的霍尔信号，改变半H桥功率放大模块中半H桥上MOS管的通断顺序与时间，调整制冷机直流无刷电机的运行转速，改变气动分置式制冷机冷指模块的制冷效果，对旋转分置式气动斯特林制冷机冷端上温度稳定性进行控制。
[0021] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0022] 1、同时实现了旋转分置式气动斯特林制冷机直流无刷电机的驱动与制冷机冷端温度的稳定控制；
[0023] 2、、通过改变半H桥中MOSFET的通断顺序与时间，实现了直流下的能量高效转换，其中旋转分置式气动斯特林制冷机驱动及高精度主动温控系统的控制电路部分功耗小于0.3W；
[0024] 3、利用温度环PID与速度环PID串联的控制方法，实现了旋转分置式气动斯特林制冷机冷端的温度快速、稳定与高精度的控制，在高温60℃、低温-40℃环境下，旋转分置式气动斯特林制冷机驱动及高精度主动温控系统的控温稳定性为一小时内温度波动范围在0～0.4K内，控温精度在0～0.2K范围内；在冲击振动量级为5～8G时，控温精度在0～0.2K范围以内，控温稳定性在0～0.5K范围以内；
[0025] 4、旋转分置式气动斯特林制冷机驱动及高精度主动温控系统采用了MCU模块，能使设计的驱动控制器的结构更加紧凑。
附图说明
[0026] 图1为本发明实施例的系统结构框图；
[0027] 图2为本发明实施例的方法流程图；
[0028] 图3为本发明实施例中MCU模块的信号处理流程图；
[0029] 图4为本发明实施例中通过PWM波和霍尔信号控制方式示意图。
具体实施方式
[0030] 下面结合附图和实施例对本发明所述的一种旋转分置式气动斯特林制冷机驱动及温控系统和方法作进一步说明。
[0031] 以下是本发明所述的旋转分置式气动斯特林制冷机驱动及温控系统和方法的最佳实例，并不因此限定本发明的保护范围。
[0032] 如图1所示，图中示出了一种旋转分置式气动斯特林制冷机驱动及温控系统，包括外部直流总电源，还包括第一DC-DC转换模块、第二DC-DC转换模块、半H桥功率放大模块、直流无刷电机霍尔信号测量模块，所述第一DC-DC转换模块和半H桥功率放大模块分别连接外部直流总电源，所述第二DC-DC转换模块和直流无刷电机霍尔信号测量模块分别连接第一DC-DC转换模块，所述第二DC-DC转换模块还分别连接有测温二极管温度信号测量模块和MCU(Microcontroller Unit；微控制单元)模块，所述MCU模块分别连接直流无刷电机霍尔信号测量模块、测温二极管温度信号测量模块、半H桥功率放大模块，所述半H桥功率放大模块连接有旋转分置式气动斯特林制冷机，旋转分置式气动斯特林制冷机连接测温二极管温度信号测量模块和直流无刷电机霍尔信号测量模块。
[0033] 在本实施例中，所述旋转分置式气动斯特林制冷机包括直流无刷电机、气动分置式制冷机冷指模块、旋转分置式气动制冷机冷端，所述直流无刷电机连接直流无刷电机霍尔信号测量模块和半H桥功率放大模块，所述旋转分置式气动制冷机冷端连接测温二极管温度信号测量模块。
[0034] 在本实施例中，所述直流无刷电机霍尔信号测量模块包括直流无刷电机位置检测电路和脉冲波整形单元，所述直流无刷电机位置检测电路连接直流无刷电机的霍尔信号引线，所述脉冲波整形单元连接MCU模块，直流无刷电机位置检测电路获取直流无刷电机的霍尔信号，经过脉冲波整形单元处理后，传送到MCU模块。
[0035] 在本实施例中，，所述测温二极管温度信号测量模块包括恒流源、测温二极管和温度信号测量模块，所述温度信号测量模块将测温二极管温度信号转化成相对应的电压信号，所述测温二极管连接旋转分置式气动制冷机冷端，恒源流用于产生恒定电流，并使测温二极管工作，温度信号测量模块用于将温度信号转换为对应的电压信号。
[0036] 在本实施例中，所述测温二极管自身电阻为热敏电阻，测温二极管随着温度的变化其自身的电阻发生变化，从而使输出电压产生变化。
[0037] 在本实施例中，MCU模块包括模拟-数字信转换、PID控制和数字信号处理功能，MCU模块是建立在以低功耗的ARM为硬件基础，模拟-数字信号转换模式为ARM芯片内部自带的AD采样器，所述MCU模块包括模拟-数字信号转换单元、PID控制单元和数字信号处理单元，所述模拟-数字信号转换单元用于将收到的反馈温度值的温度信号转换成相对应的数字信号，并与MCU模块中设定的温度点进行比较，并得到设定温度点与反馈温度值的差值。
[0038] 在本实施例中，所述PID控制单元包括温度环PID和速度环PID，用于对设定温度点与反馈温度值的差值进行处理，得到速度环PID控制输出，通过MCU模块内部的定时器处理，实现两个PID控制环串联，将速度环PID的控制输出转化为相对应的PWM波。
[0039] 图2示出了一种根据上述系统进行驱动及温控的方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0040] S1、供电，外部直流总电源对半H桥功率放大模块进行供电，第一DC-DC转换模块对直流无刷电机霍尔信号测量模块供电，第二DC-DC转换模块分别对测温二极管温度信号测量模块和MCU模块进行供电；
[0041] S2、将直流无刷电机的霍尔信号引线连接到直流无刷电机位置检测电路上，输出的直流无刷电机霍尔信号高低电平，经过脉冲波整形单元处理后，传送至MCU模块；
[0042] S3、测温二极管温度信号测量模块将测温二极管温度信号转化成相对应的电压信号；
[0043] S4、MCU模块将输入的电压信号转化为相对应的数字信号，并输出直流无刷电机驱动控制PWM波；
[0044] S5、通过调整旋转分置式气动斯特林制冷机的直流无刷电机运行转速，从而控制制冷机降温并稳定在控温点。
[0045] 在本实施例中，如图3所示，所述步骤S4具体包括：将输入的电压信号转化为相对应的数字信号，并与MCU模块中设定的参考温度点进行比较，得到设定温度点与反馈温度值的差值；差值分别经过温度环PID与速度环PID控制算法处理，具体包括温度环比例控制部分、温度环积分控制部分、为温度环微分控制部分，并输出温度环PID控制输出，速度环PID控制包括速度环比例控制部分、速度环积分控制部分、速度环微分控制部分，并获得速度环PID控制输出；通过MCU模块内部的定时器处理，将速度环PID的控制输出转化为相对应的PWM波。
[0046] 在本实施例中，如图4所示，如中编号8表示直流无刷电机，所述步骤S5具体包括：根据PWM波的不同占空比与直流无刷电机的霍尔信号，改变半H桥功率放大模块中半H桥上MOS管的通断顺序与时间，调整制冷机直流无刷电机的运行转速，改变气动分置式制冷机冷指模块的制冷效果，对旋转分置式气动斯特林制冷机冷端上温度稳定性进行控制。
[0047] 综上所述，本发明的有益效果在于：
[0048] 1、所设计的旋转分置式气动斯特林制冷机驱动及高精度主动温控系统，同时实现了旋转分置式气动斯特林制冷机直流无刷电机的驱动与制冷机冷端温度的稳定控制；
[0049] 2、基于低功耗的ARM芯片的高频时钟频率，利用芯片内部的高级定时器实现控制信号PWM的转化，通过改变半H桥中MOSFET的通断顺序与时间，实现了直流下的能量高效转换。其中旋转分置式气动斯特林制冷机驱动及高精度主动温控系统的控制电路部分功耗小于0.3W；
[0050] 3、利用温度环PID与速度环PID串联的控制方法，实现了旋转分置式气动斯特林制冷机冷端的温度快速、稳定与高精度的控制。在高温60℃、低温-40℃环境下，旋转分置式气动斯特林制冷机驱动及高精度主动温控系统的控温稳定性为一小时内温度波动范围在0～0.4K内，控温精度在0～0.2K范围内；在冲击振动量级为5～8G时，控温精度在0～0.2K范围以内，控温稳定性在0～0.5K范围以内；
[0051] 4、旋转分置式气动斯特林制冷机驱动及高精度主动温控系统采用了MCU模块，能使设计的驱动控制器的结构更加紧凑，本发明中涉及到的控制器所有元器件都在安放在26mm×26mm尺寸大小的PCB范围内。
[0052] 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
