便攜式制冷系統(tǒng)恒溫控制技術(shù)研究

艾鳳明，馬瑞卿

(西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710072)

0 引 言

便攜式制冷設(shè)備在很多場合都有著廣泛的應(yīng)用前景，日益引起人們的重視，如醫(yī)療救護時疫苗和血漿的貯藏，野外作業(yè)時試驗樣本的恒溫保存等。

近年來，隨著微電子機械系統(tǒng)(MEMS)的迅速發(fā)展，新型精細加工方法使得便攜式制冷裝置的微型化和輕量化成為可能［1］。一般常用的制冷方式有相變制冷、氣體膨脹制冷、渦流管制冷和半導(dǎo)體制冷等等。在相變制冷方式中，蒸汽壓縮式制冷因制冷溫度范圍廣、制冷效率高等優(yōu)點而得到了廣泛運用。稀土永磁無刷直流電動機因其具有效率高、體積小、質(zhì)量輕、噪聲小等特點和優(yōu)越的調(diào)速控制性能，特別適合用作蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)中壓縮機驅(qū)動電機［2－5］。

本文針對便攜式恒溫制冷系統(tǒng)壓縮機用無刷直流電動機，重點研究了溫度、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制技術(shù)，并采用高性能dsPIC30F2010單片機，給出了寬范圍工作電壓下控制器的軟硬件設(shè)計與實現(xiàn)。

1 蒸汽壓縮式制冷原理

由于便攜式制冷系統(tǒng)與外界環(huán)境始終存在溫差，所產(chǎn)生的滲入熱Q1:

式中:K為導(dǎo)熱系數(shù);TA、TB分別為環(huán)境溫度和系統(tǒng)溫度;A為系統(tǒng)表面積;D為厚度。

根據(jù)蒸汽壓縮式制冷原理，制冷量Q2與制冷劑的質(zhì)量流量m成正比，即:

式中:q為制冷劑單位質(zhì)量制冷量，而m又與壓縮機轉(zhuǎn)速n成正比例函數(shù)關(guān)系，即:

式中:f為制冷劑質(zhì)量流量與壓縮機轉(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系，不同結(jié)構(gòu)的壓縮機此關(guān)系式不同，則有:

根據(jù)熱工理論，當(dāng)滲入熱同制冷量相等時，系統(tǒng)內(nèi)能不變，溫度恒定，則有:

由此可見，當(dāng)環(huán)境溫度一定的情況下，壓縮機轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)溫度一一對應(yīng)，所以可以通過調(diào)節(jié)壓縮機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)恒溫控制［6］。

2 控制器設(shè)計

便攜式恒溫制冷系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。為實現(xiàn)恒溫調(diào)節(jié)的快速性和高精度，采用溫度與速度串聯(lián)的雙閉環(huán)控制方法。其中，溫度作為外環(huán)，溫度給定與系統(tǒng)的實際溫度經(jīng)溫度調(diào)節(jié)器處理后，其輸出作為速度信號的參考值，再與速度信號的反饋值一起送至速度調(diào)節(jié)器，其輸出作為PWM的控制信號，產(chǎn)生相應(yīng)占空比的PWM斬波，經(jīng)過驅(qū)動電路去調(diào)節(jié)三相橋式逆變器的實際輸出電壓，由此可通過調(diào)節(jié)無刷直流電動機的轉(zhuǎn)速，最終實現(xiàn)系統(tǒng)的恒溫控制。

圖1 溫度、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制框圖

PWM控制采用無反向電流上下臂功率管輪流斬波的PWM調(diào)制方式(PWM_ON型)［7］。在調(diào)制過程中，上橋臂或下橋臂的功率開關(guān)都參與斬波調(diào)制，在不增加功率開關(guān)的動態(tài)損耗的同時，既解決了由單管調(diào)制所造成的功率開關(guān)散熱不均問題，又提高了系統(tǒng)的可靠性。

2.1 硬件設(shè)計

便攜式制冷恒溫系統(tǒng)控制器硬件電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。它主要包括控制電路、輔助電源、功率驅(qū)動、保護電路四部分。

圖2 系統(tǒng)硬件控制原理圖

(1)控制電路設(shè)計

在控制系統(tǒng)中，采用了美國Microchip公司的dsPIC30F2010作為主控芯片。該芯片是一款專門為電機嵌入式控制應(yīng)用而設(shè)計的28引腳16位MCU，可用于控制交流感應(yīng)電機、無刷直流電動機和普通直流電機等，有著豐富的外圍模塊，可降低開發(fā)成本。

dsPIC30F2010利用內(nèi)部的ADC，對模擬接口的電流、電壓進行采樣，通過判斷其大小來決定是否有過流或過欠壓現(xiàn)象，由PWM輸出鎖定來實現(xiàn)系統(tǒng)的保護。無刷直流電動機轉(zhuǎn)子霍爾位置信號送入單片機捕捉口，經(jīng)電平采樣后確定霍爾位置，實現(xiàn)正確的邏輯換相，同時通過內(nèi)部計算得到電機的轉(zhuǎn)速，最后輸出一定占空比的六路PWM波，保證電機正常運行。

(2)輔助電源設(shè)計

便攜式設(shè)備一般采用直流電源，常用的供電電壓為12 V或24 V。為使系統(tǒng)控制器能在較寬的輸入電壓范圍內(nèi)都能正常工作，需要設(shè)計高效的5 V、15 V穩(wěn)壓電源。

本文設(shè)計的15 V穩(wěn)定電源由8～30 V范圍內(nèi)的電源，經(jīng)過 Sepic型DC/DC電源變換電路轉(zhuǎn)換后得到。Sepic電源變換拓撲圖如圖3所示，通過改變開關(guān)管的占空比來控制其輸出電壓的大小。

本文選用國家半導(dǎo)體公司(NSC)的LM3478電源控制芯片來實現(xiàn)［8］。其工作電壓范圍為2.97～40 V，最大電流為1 A，足以滿足系統(tǒng)要求，電路原理圖如圖4所示。

圖3 Sepic電源變換拓撲圖

圖4 15 V輔助電源電路原理圖

系統(tǒng)電源經(jīng)RC濾波后給LM3478供電，輸出電壓經(jīng)R106、R102分壓后，得到反饋電壓，由FB口反饋給LM3478芯片，芯片將根據(jù)反饋電壓調(diào)節(jié)占空比大小，由DR口輸出開關(guān)管驅(qū)動信號驅(qū)動Q7，最終得到+15 V穩(wěn)定電壓。由 C102、C103、R101組成的頻率補償電路將極點重新配置，以保證控制回路不發(fā)生震蕩。R103控制電源控制芯片的開關(guān)頻率。R105對電流進行采樣后輸入到Isen端，作為其內(nèi)部電流保護參考值。開關(guān)管選擇IR公司的IRFL024N，其額定電流為2.8 A。

5 V電源選擇Buck變換器將+15 V轉(zhuǎn)化為+5 V。這里選用NSC公司的LM2594－5電源控制芯片來實現(xiàn)［9］，該電源控制芯片只需要較少的外圍電路便能得到穩(wěn)定的+5 V輸出，電路原理圖如圖5所示，其中 C110、L4、C111組成濾波電路，可大大減小紋波。而且采用R107實現(xiàn)控制地與功率地的單點共地，D102起續(xù)流作用。

圖5 5 V輔助電源電路原理圖

(3)主功率及驅(qū)動電路

主功率采用三相逆變橋電路。開關(guān)器件選用功率MOSFET，具有開關(guān)速度快、驅(qū)動功率小、無二次擊穿、安全工作區(qū)寬、過載能力強等優(yōu)點，特別適合應(yīng)用在小功率無刷直流電動機控制系統(tǒng)中。本系統(tǒng)選用IR公司的IRFI3205作為功率開關(guān)器件。其額定電壓為55 V，額定電流為64 A，能夠滿足本系統(tǒng)的要求。而TO220－FULLPAK封裝的IRFI3205具有2.5 kV的隔離電壓，使得功率較大時，散熱器的安裝十分方便。

功率驅(qū)動芯片采用IR公司的IR2010。其瞬時峰值驅(qū)動電流達3 A，耐壓200 V，該芯片集驅(qū)動、死區(qū)、過流保護等功能于一體，既簡化了設(shè)計復(fù)雜度，又滿足了系統(tǒng)要求。

2.2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計，整個控制系統(tǒng)的軟件主要由主函數(shù)和中斷服務(wù)程序組成。在主函數(shù)中，系統(tǒng)上電后，先進行系統(tǒng)的初始化，通過調(diào)用各模塊初始化程序，完成系統(tǒng)的端口配置和參數(shù)設(shè)置。然后進入主循環(huán)，在主循環(huán)中完成故障的處理、系統(tǒng)的運行狀態(tài)控制和上位機的通信等。

中斷服務(wù)程序主要包括定時中斷、霍爾位置變化中斷及ADC中斷，定時中斷程序流程圖如圖6所示。在起動階段，調(diào)用軟起動程序以減小起動時的電流沖擊。正常運行狀態(tài)下，先進行溫度環(huán)的調(diào)節(jié)。溫度調(diào)節(jié)器采用大溫差全速制冷、小溫差PI調(diào)節(jié)的分段控制方法。當(dāng)溫差較大時，應(yīng)使壓縮機全速工作，使系統(tǒng)溫度以最快速接近設(shè)定值;當(dāng)溫差小到一定值時，采用PI調(diào)節(jié)方式，以減小大慣量系統(tǒng)可能產(chǎn)生的超調(diào)，這樣既能使系統(tǒng)在大誤差下快速、穩(wěn)定地達到溫度設(shè)定值，又可在小誤差下通過速度PI調(diào)節(jié)器使得壓縮機轉(zhuǎn)速基本保持穩(wěn)定，并以低轉(zhuǎn)速運行來維持系統(tǒng)溫度的恒定，減少反復(fù)起動過程中的能量損耗，達到節(jié)能的目的。最后根據(jù)速度環(huán)的輸出更新PWM波占空比，以調(diào)節(jié)壓縮機的轉(zhuǎn)速。

霍爾捕獲中斷中完成無刷直流電動機的換相，以保證其正常運轉(zhuǎn)，同時根據(jù)捕獲值計算出電機轉(zhuǎn)速，作為轉(zhuǎn)速閉環(huán)的反饋值。同時在A/D中斷中，根據(jù)電壓、電流的采樣值，完成過欠壓保護及電流的軟保護。

圖6 T1中斷程序流程圖

3 實驗結(jié)果

本次分別利用12 V和24 V無刷直流電動機對控制器進行測試，根據(jù)制冷原理，本文以轉(zhuǎn)速閉環(huán)來驗證系統(tǒng)的工作特性。由圖9可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速給定為500 r/min、1 000 r/min、3 000 r/min 時，每分鐘記錄一次轉(zhuǎn)速，得到的轉(zhuǎn)速閉環(huán)效果良好，轉(zhuǎn)速閉環(huán)誤差在5%以內(nèi)。

圖9 轉(zhuǎn)速閉環(huán)

系統(tǒng)采用PWM_ON調(diào)制方式，A相橋臂的驅(qū)動波形如圖10所示(其中，上圖為上橋MOSFET驅(qū)動波形，下圖為下橋臂MOSFET驅(qū)動波形)，可以明顯地看出，在每120°導(dǎo)通角中，前60°為PWM斬波控制，后60°為恒通。圖11表明，電流過載超過8 A后，電流在電流截止保護的作用下，基本維持在保護設(shè)置值8 A。圖12表明，系統(tǒng)分別在8 V、30 V供電條件下，輔助電源均能夠穩(wěn)定地輸出15 V，保證控制器在較寬的范圍內(nèi)均能正常工作。從圖13a、圖13b的對比中可以明顯看出，直接起動的母線電流峰值是采用軟起動后母線電流的4倍。這表明，軟起動能有效地減小電流沖擊。

4 結(jié) 論

(1)采用Sepic升降壓型DC/DC電源變換電路，使得控制器能夠在較寬的供電范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，系統(tǒng)可靠性高;

(2)采用大溫差全速制冷、小溫差PI調(diào)節(jié)的控制策略，能使系統(tǒng)快速、穩(wěn)定地達到預(yù)定的溫度;

(3)通過調(diào)節(jié)壓縮機的轉(zhuǎn)速，使得壓縮機以較低轉(zhuǎn)速來維持系統(tǒng)溫度的恒定，達到了直流變頻調(diào)節(jié)的目的，具有一定的節(jié)能效果;

(4)電流截止能夠有效地實現(xiàn)對電流的保護，而軟起動能夠有效地改善起動時的電流應(yīng)力。

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