一种小型线性斯特林制冷机控制系统及其控制方法

本发明属于制冷器，尤其是涉及一种小型线性斯特林制冷机控制系统及其控制方法。

背景技术：

1、斯特林制冷机是一个涉及机、电、热力学等多物理场的复杂耦合系统，具有非线性、长时滞、强耦合等特性。

2、如公开号为cn117760116a的中国专利文献公开了一种整体式斯特林制冷机，包括底座、电机组件、压缩机组件以及膨胀机组件，其中，膨胀机组件包括：冷指气缸，内置于冷指气缸的蓄冷器，一端与冷指气缸一体成型的、另一端固定安装在安装孔内、且内径等于或近似等于冷指气缸内径的膨胀气缸，间隙密封设置在膨胀气缸内的膨胀活塞，以及设置在膨胀气缸和/或冷指气缸内、适于连接蓄冷器和膨胀活塞的连接件。

3、公开号为cn110425762a的中国专利文献公开了一种斯特林制冷机，包括基座和冷指，冷指内设有蓄冷器，基座和冷指围合成密闭的腔体，基座内设有凸轮转动件和带动凸轮转动件转动的旋转电机，凸轮转动件的外壁包括沿凸轮转动件转动方向设置的呈波浪状的配合面，基座内设有若干个同步工作的压缩组件，各所述压缩组件绕配合面设置，各所述压缩组件均包括气缸、活塞以及与配合面配合使得活塞在气缸内往复移动的活塞推杆，各所述气缸均与冷指连通。

4、然而。斯特林制冷机在长时间运行过程中可能出现撞缸问题，无法长时间保证控温精度。

5、为了保证斯特林制冷机的可靠运行，必须设计一种既能处理制冷机在各种工况下的撞缸问题，又能满足斯特林制冷机稳定输出和控温精度的要求的控制系统。

技术实现思路

1、本发明提供了一种小型线性斯特林制冷机控制系统及其控制方法，能有效处理斯特林制冷机工作时撞缸的问题；不仅能保证斯特林制冷机的可靠运行，还能满足斯特林制冷机稳定输出和温控精度的要求。

2、一种小型线性斯特林制冷机控制系统，包括斯特林制冷机、冷指温度采样电路、微处理器、功率控制电路和旋钮调压电路；

3、所述旋钮调压电路、冷指温度采样电路的输出端和微处理器的输入端相连；所述微处理器的输出端与功率控制电路的输入端相连；所述功率控制电路的输出端与斯特林制冷机的功率输入端相连；

4、所述冷指温度采样电路采集斯特林制冷机中冷指的温度信号，经过差分滤波后送入微处理器，由微处理器计算出控制信号，来对功率控制电路进行控制。

5、进一步地，所述的冷指温度采样电路包括温度传感器和信号调理电路，所述的温度传感器安装在斯特林制冷机的冷指处；

6、所述信号调理电路包括差分滤波电路和模数转换芯片；所述温度传感器的输出端连接到差分滤波电路的输入端；所述差分滤波电路的输出端连接到模数转换芯片的输入端；所述模数转换芯片的输出端连接到微处理器。

7、可选择地，所述的温度传感器采用pt100铂电阻温度传感器，所述的模数转换芯片采用ads1248模数转换芯片。

8、可选择地，所述的微处理器采用stm32f407vet6芯片。

9、进一步地，所述的功率控制电路包括第一场效应管q1、第二场效应管q2、第三场效应管q3、第四场效应管q4和预驱动芯片；

10、所述第一场效应管q1、第二场效应管q2、第三场效应管q3、第四场效应管q4的栅极和源极分别与预驱动芯片的输出端相连；所述预驱动芯片的输入端与微处理器的输出端相连；

11、所述第一场效应管q1，其漏极接电源，其源极接第二场效应管q2的漏极；所述第二场效应管q2的源极接地；所述第三场效应管q3，其漏极接电源，其源极接第四场效应管q4的漏极；所述第四场效应管q4的源极接地；所述第一场效应管q1的源极与第二场效应管q2的漏极之间的节点连接到斯特林制冷机的功率输入端；所述第三场效应管q3的源极与第四场效应管q4的漏极之间的节点连接到斯特林制冷机的功率输入端。

12、可选择地，所述的预驱动芯片采用hip4080预驱动芯片。

13、可选择地，所述旋钮调压电路采用ec11m1565403编码开关，用来辅助调节斯特林制冷机的输入功率。

14、一种小型线性斯特林制冷机控制系统的控制方法，包括以下步骤：

15、(1)冷指温度采样电路实时采集斯特林制冷机冷指的温度，并将制冷机的冷指温度信息发送至微处理器；

16、(2)微处理器通过数字滤波方法对采样的温度信号进行滤波，去除采样序列中的异常数据点；

17、(3)微处理器根据斯特林制冷机的冷指温度，采用抗积分饱和的增量式pid控制方法，按照预先设置的控制参数，通过功率控制电路对斯特林制冷机的输入功率进行控制。

18、步骤(2)中，采用中值滤波和限速滤波结合的数字滤波方法，该方法包括以下步骤：

19、(2-1)ads1248模数转换芯片将采样信号传送到微处理器，微处理器对于三次采样结果取中值，得到初步滤波结果；

20、(2-2)将本次的采样中值和前两次的采样中值做对比，如果采样温度数据的变化速率超过设定的阈值thre1，则需要做进一步的限速滤波处理；

21、(2-3)限速滤波首先是根据前两次的采样中值的增量百分比进行判断，若增量百分比超过设定阈值thre2，则用线性插值的方法生成本次温度数据，否则直接将上次采样数据值作为本次采样数据值，以覆盖异常数值。

22、步骤(3)中，采用抗积分饱和的增量式pid控制方法，具体包括以下步骤：

23、(3-1)通过斯特林制冷机的阶跃响应曲线来辨识特征参数，通过特征参数来推算制冷机的控制参数；

24、(3-2)通过设置积分阈值来抑制控制过程中的积分饱和现象；

25、(3-3)通过增量式pid方法来节约微处理器的内存空间，抑制微处理器运算过程中可能的计算错误。

26、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

27、1、本发明适用于小型线性斯特林制冷机的启动和控制。该制冷机控制系统通过旋钮调压来处理制冷机运行中的撞缸问题，能满足斯特林制冷机可靠运行的要求。

28、2、本发明中的小型线性斯特林制冷机控制系统可以接入电压等级在12v～36v之间的开关电源，由功率控制电路为制冷机提供0～135w的驱动功率，能满足斯特林制冷机稳定输出的要求。

29、3、本发明通过中值滤波和限速滤波结合的滤波方式，有效提高了制冷机温控过程中冷指温度采样信号的质量。

30、4、本发明通过抗积分饱和的增量式pid控制方法对制冷机冷指的温度进行调控，可以实现±0.3k的温控精度，能满足斯特林制冷机控温精度的要求。

技术特征：

1.一种小型线性斯特林制冷机控制系统，其特征在于，包括斯特林制冷机、冷指温度采样电路、微处理器、功率控制电路和旋钮调压电路；

2.根据权利要求1所述的小型线性斯特林制冷机控制系统，其特征在于，所述的冷指温度采样电路包括温度传感器和信号调理电路，所述的温度传感器安装在斯特林制冷机的冷指处；

3.根据权利要求2所述的小型线性斯特林制冷机控制系统，其特征在于，所述的温度传感器采用pt100铂电阻温度传感器，所述的模数转换芯片采用ads1248模数转换芯片。

4.根据权利要求1所述的小型线性斯特林制冷机控制系统，其特征在于，所述的微处理器采用stm32f407vet6芯片。

5.根据权利要求1所述的小型线性斯特林制冷机控制系统，其特征在于，所述的功率控制电路包括第一场效应管q1、第二场效应管q2、第三场效应管q3、第四场效应管q4和预驱动芯片；

6.根据权利要求5所述的小型线性斯特林制冷机控制系统，其特征在于，所述的预驱动芯片采用hip4080预驱动芯片。

7.根据权利要求1所述的小型线性斯特林制冷机控制系统，其特征在于，所述旋钮调压电路采用ec11m1565403编码开关，用来辅助调节斯特林制冷机的输入功率。

8.根据权利要求1～7任一项所述的小型线性斯特林制冷机控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，步骤(2)中，采用中值滤波和限速滤波结合的数字滤波方法，该方法包括以下步骤：

10.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，步骤(3)中，采用抗积分饱和的增量式pid控制方法，具体包括以下步骤：

技术总结本发明公开了一种小型线性斯特林制冷机控制系统及其控制方法，其中控制系统包括斯特林制冷机、冷指温度采样电路、微处理器、功率控制电路和旋钮调压电路；所述旋钮调压电路、冷指温度采样电路的输出端和微处理器的输入端相连；所述微处理器的输出端与功率控制电路的输入端相连；所述功率控制电路的输出端与斯特林制冷机的功率输入端相连；所述冷指温度采样电路采集斯特林制冷机中冷指的温度信号，经过差分滤波后送入微处理器，由微处理器计算出控制信号，来对功率控制电路进行控制。本发明能有效处理斯特林制冷机工作时撞缸的问题；不仅能保证斯特林制冷机的可靠运行，还能满足斯特林制冷机稳定输出和温控精度的要求。技术研发人员：张文博,孙大明受保护的技术使用者：浙江大学技术研发日：技术公布日：2024/7/15