“一拖三”氦壓縮機低成本控制實現(xiàn)?

馮欣宇，黃阿娟，武義鋒

（中國電子科技集團 第十六研究所 萬瑞冷電科技有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引言

制冷機低溫泵是以小型低溫制冷機作為冷源、氣體在低溫表面冷凝或被低溫吸附劑吸附而抽氣的真空泵。壓縮機是壓縮式制冷與熱泵系統(tǒng)的心臟，工作介質(zhì)通過壓縮機而加入有效能，并進行周而復始的循環(huán)，由此實現(xiàn)連續(xù)的制冷或供熱［1］。為獲得低于20K的溫度，需使用高壓氦氣作為工質(zhì)實現(xiàn)制冷循環(huán)。因此，研制具有大氣量輸出的氦壓縮機，可以同時滿足多臺G-M制冷機的需求，是國產(chǎn)集成電路裝備零部件量產(chǎn)應用工程中制冷機真空泵產(chǎn)業(yè)化應用的關鍵設備。

本文為某型國產(chǎn)“一拖三”氦壓縮機設計了控制方案，具備供電、壓縮機保護、本地和遠程監(jiān)控等模塊。采用國產(chǎn)主控芯片及電氣元件，在滿足控制功能和可靠性的基礎上，有效控制了系統(tǒng)成本。

1 氦壓縮機工作流程

國產(chǎn)新型氦壓縮機可以提供質(zhì)量分數(shù)為99.999%、流速達120m3/h的高純氦氣。它主要由壓縮泵、換熱器、油氣分離器、吸附器、儲氣罐組成，其工作流程如圖1所示。

壓縮泵首先將儲氣罐提供的低壓氦氣壓縮至80℃、2.0MPa，再由換熱器將高溫高壓氦氣冷卻至40℃左右。經(jīng)冷卻后的氦氣含有約0.5%（質(zhì)量分數(shù)）的油及油蒸汽，需經(jīng)油氣分離器將油氣分離。分離后的油經(jīng)過濾器返回壓縮泵，分離后的氦氣則經(jīng)吸附器進一步純化后輸送到制冷機；從制冷機返回的氦氣經(jīng)止回閥返回到儲氣罐，一個循環(huán)結(jié)束。

圖1中節(jié)流孔用來增大壓差，使密度較大的油可以順利返回壓縮泵；過濾器用以去除油中的固體雜質(zhì)；止回閥可以防止氦氣倒灌入制冷機；電磁閥在待機狀態(tài)下用來保持內(nèi)部壓力平衡；旁通閥在氦氣壓力過高時將氦氣直接輸至儲氣罐。儲氣罐側(cè)的自密封接頭用來補充高純氦氣，壓縮泵側(cè)的自密封接頭用來補充潤滑油（經(jīng)過濾器流入壓縮泵）。

圖1 氦壓縮機工作流程圖

2 氦壓縮機控制系統(tǒng)組成

控制電路根據(jù)用戶指令啟停氦壓縮機和制冷機，并根據(jù)壓縮機出口壓力、溫度及冷卻水流量自動實現(xiàn)保護功能，保證壓縮機在正常的工況下工作，延長壓縮機使用壽命。整個控制系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2中，使用國際標準“三火一地”電源為壓縮泵提供380V交流電?？紤]到控制電與動力電隔離和電源保護的需要，供電及電源保護模塊中包括空氣開關、電壓相序多功能保護器、交流接觸器和熱過載繼電器。電壓相序多功能保護器可以起到斷相、錯相、電壓不平衡、過壓和欠壓保護的作用，本設計設定電壓波動超出±12%時保護器動作。熱過載繼電器在壓縮機發(fā)生堵轉(zhuǎn)等故障、瞬間產(chǎn)生較大電流時動作，可及時切斷壓縮機電源。微控制器通過檢測相序保護器及熱過載繼電器的常開觸點，實時反饋其狀態(tài)。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

根據(jù)制冷機電機及控制電路功率，電源變換模塊選用合適容量的小型變壓器，將380V電壓變換為220V電壓。微控制器及集成電路供電還需使用AC-DC模塊及LM7805，提供隔離后的＋12V和＋5V電壓。在設計時使壓縮機接入電源后控制器即通電，可以顯示壓縮機累計運行時間、三相電相序狀態(tài)等參數(shù)，方便用戶使用。

3 控制電路設計

STC89C52是由宏晶公司生產(chǎn)的8位增強型兼容51內(nèi)核微控制器，價格為6元/片，擁有8kB Flash程序存儲器，512字節(jié)RAM數(shù)據(jù)存儲器，＋5V供電，最高時鐘頻率可達80MHz［2］，完全可以作為主控芯片滿足系統(tǒng)要求。微控制器輸出的控制信號經(jīng)驅(qū)動器后，作用于電路印刷板用繼電器，繼電器控制220V交流輸出，以此實現(xiàn)對交流接觸器的控制，達到對壓縮機和制冷機控制的目的。

圖3為單片機輸出驅(qū)動電路，因驅(qū)動芯片ULN2003內(nèi)部具有反向器，為保持編程時邏輯電平使用一致，前級加入了反向器芯片74HC14。當單片機輸出“0”時繼電器動作，繼電器兩組常開觸點控制220 V交流電壓輸出。

圖3 單片機輸出驅(qū)動電路

當壓力變送器給出1V～5V直流信號時，環(huán)境噪聲會使信號值漂動、準確度下降，因此需使用濾波器將噪聲濾掉。如果噪聲密度相同，則頻率越高對總噪聲電壓的影響就越大，所以去除高頻噪聲能夠明顯地降低總噪聲電壓。同時，在模數(shù)轉(zhuǎn)換時為防止混疊誤差的產(chǎn)生，利用低通濾波器使信號輸入成分在1/2采樣頻率以上的范圍低于系統(tǒng)的分辨率。借助FilterLab＠2.0軟件可快速地完成Shallen－Key結(jié)構(gòu)巴特沃斯特性的二階低通濾波器設計，截止頻率經(jīng)使用現(xiàn)場試驗后選取10kHz，濾波電路如圖4所示。

圖4 Shallen－Key二階低通濾波電路

濾波后的電壓由AD7911轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再經(jīng)微控制器做標度變換后顯示。AD7911具有10位分辨率，使用SPI接口通訊，可以節(jié)約微控制器管腳資源。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路如圖5所示，其輸入VIN0為濾波電路AD8610的輸出。濾波電路及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的電源均需經(jīng)過模擬－數(shù)字隔離處理。

為判斷壓縮機內(nèi)部的溫度狀態(tài)，需要測量壓縮機油循環(huán)管路及出氣口管路上的溫度。壓縮機正常工作溫度應低于80℃，當溫度超過設定值時應具備自動停機保護功能。測溫傳感器選用價格低廉的單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，測溫范圍為－55℃ ～＋125℃，精度±0.5℃，內(nèi)置EEPROM可存儲用戶報警設定值，測溫電路如圖6所示。為保證單總線傳輸可靠，可在單片機輸出管腳加10kΩ上拉電阻。

圖5 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

圖6 DS18B20測溫電路

活塞式固定流量水流開關用來判斷冷卻水循環(huán)是否異常，對水流開關加入5V直流電壓，微控制器根據(jù)輸入電平來判斷水流開關狀態(tài)，實現(xiàn)缺水保護。

壓縮機累時記錄功能通過微控制器內(nèi)部計時器和EEPROM實現(xiàn)。計時上限為99 999.9h，計時數(shù)據(jù)用戶不可重置。顯示設備采用工業(yè)級12 864顯示屏，＋5V供電，使用壽命長、亮度高、適合中文字體顯示。遠程控制通過RS232接口完成，當通訊距離較遠時可降低波特率或使用RS485轉(zhuǎn)接口來滿足要求，接口電路如圖7所示。

圖7 RS232接口電路圖

4 控制軟件設計

上位機控制軟件使用LabVIEW2012開發(fā)完成。通信格式為8位數(shù)據(jù)位、1位停止位，不使用校驗位，默認波特率為4 800b/s。上位機控制界面如圖8所示。

5 結(jié)束語

本設計在滿足工業(yè)應用要求及系統(tǒng)功能的前提下，從芯片、傳感器、繼電器等元器件的選型到電路板布局、尺寸，都進行了嚴格的成本預算控制，使控制系統(tǒng)的成本只占整機成本的1/10左右。

圖8 上位機控制界面

［1］張早校，馮宵，郁永章.制冷與熱泵［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2000.

［2］馮欣宇，夏路易.基于STC89C52單片機的SDHC卡初始化操作［J］.機械工程與自動化，2012（1）：65-69.