兩級高頻脈管制冷機直流驅動與主動溫控系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本專利涉及制冷與低溫工程領域和物理電子學領域，特別涉及一種兩級脈管制冷機的直流驅動與主動溫控系統。
【背景技術】
[0002]脈沖管制冷機是對回熱式低溫制冷機的一次重大革新，它取消了廣泛應用于常規回熱式低溫制冷機(如斯特林和G-M制冷機)中的冷端排出器，實現了冷端的低振動、低干擾和無磨損；而經過結構優化和調相方式上的重要改進，在典型溫區，其實際效率也已達到回熱式低溫制冷機的最高值。這些顯著優點使得脈沖管制冷機成為近30年來低溫制冷機研究的一大熱門，在航空航天、低溫電子學、超導工業和低溫醫療業等方面都獲得了廣泛的應用。
[0003]根據驅動壓縮機的不同，又將脈沖管制冷機分為由直線壓縮機驅動的高頻脈沖管制冷機和由G-M型壓縮機驅動的低頻脈沖管制冷機兩種。航天及軍事等領域應用的脈沖管制冷機，因為對重量和體積有著非常嚴格的限制，一般都采用輕量化高頻運轉的直線壓縮機，壓縮機的工作頻率通常都在30Hz以上。由直線壓縮機驅動的高頻脈沖管制冷機由于結構緊湊、重量輕、體積小、效率高、運轉可靠、預期壽命長等突出優點，正日益成為新一代航天回熱式低溫制冷機的更新換代品種。
[0004]中國航天事業的快速發展促進了中國低溫行業的發展，特別是具備先天航天應用優勢的脈沖管制冷機，這些年來得到了飛速的發展。其中單級脈沖管制冷機技術已經相對成熟，并逐步走向航天工程化和實用化。而能同時提供兩個不同冷區的兩級脈沖管制冷機需求變得日益迫切，也有著更為廣闊的航天應用前景。例如，相比較同樣能提供兩個冷端溫度的兩個單級脈沖管制冷機系統，雙級脈沖管制冷機為單系統，只需要一套被認為是脈沖管制冷機中結構最復雜的線性壓縮機及電子系統，因此結構相對更加緊湊；冷卻長波紅外探測器一般需要冷端的溫度低至30K左右，單級脈沖管制冷機較難達到該溫度，即使達到了效率也比較低，而兩級脈沖管制冷機可以依靠結構的優勢在第二級的冷端比較容易實現這個溫度并提供一定的冷量，兩級脈沖管制冷機擴大了實際應用中冷卻的溫度范圍；兩級脈沖管制冷機相對于單級脈沖管制冷機在資源、重量以及空間上有較大的節約，這能降低極其昂貴的航天應用成本。
[0005]直線壓縮機作為兩級高頻脈沖管制冷機的驅動單元，需要通過輸入合適的電壓產生相應的線性力，脈沖管制冷機才能產生最佳制冷效果。在地面一般應用場合，主要使用交流電源儀器對脈沖管制冷機的輸入電壓大小、頻率進行調整以匹配目標制冷量和制冷溫度。而在空間應用環境中，可用的往往只是存儲方便的直流電源，因此，航天應用中要求使用直流電源正常高效地驅動脈沖管制冷機，這是脈沖管制冷機在星載應用與地面應用環境中的顯著區別之一。
[0006]在使用脈沖管制冷機冷卻元器件(例如紅外探測器，光學器件等)時，一般都需要在一個固定的溫度點或是很小的溫度范圍內才能夠正常、穩定、高效地工作。這些元器件的性能通常對工作溫度的反應非常靈敏，外界的微小干擾往往都會使工作溫度產生一定程度的波動，從而對被冷卻器件的性能產生影響。因此，在實際應用中，通常需要為脈沖管制冷機配置相應的溫度控制系統，以便高精度地對脈沖管制冷機每一級冷端的溫度進行調控。由于脈沖管制冷機系統是一個復雜的機械-熱力系統，輸入功的變化反映到制冷溫度的改變存在時間延滯，而且航天應用環境也排除了手動調節的可能性，在這種情況下，就需要對該直流驅動系統設置自動的精確控制功能，以便根據設定的制冷溫度自動地對輸入電壓大小和頻率進行靈活調整。因此，在有著高精度溫度控制要求的應用中(特別是航天應用環境)，還要求為脈沖管制冷機配備主動溫控系統，以便于脈沖管制冷機能夠長期穩定可靠地運行。兩級脈沖管制冷機系統相比較單級脈沖管制冷機系統而言，因為要驅動和控制兩級脈沖管冷指，驅動和控制任務變得更為敏感和繁瑣。
[0007]綜上所述，在面向航天星載環境的高頻脈沖管制冷機的研究和應用中，其直流驅動與主動溫控便成為了兩項重要的研究需求。近年來，國內單級高頻脈沖管制冷技術也獲得了長足進步，并已開始向空間實用化發展，而兩級高頻脈沖管制冷機在空間應用方面還處于技術儲備階段，對于其直流下的驅動與主動控制系統的相關技術研究的發展在國內才剛剛起步。

【發明內容】

[0008]鑒于現有技術的不足，本專利提出一種兩級高頻脈管制冷機直流驅動與主動溫控系統。
[0009]本專利的目的在于，提供了一種兩級高頻脈管制冷機直流驅動與主動溫控系統以及其設計方法。首先，實現直流電源下對脈沖管制冷機用的直線壓縮機的正常線性驅動；其次，通過對兩級脈沖管制冷機每一級冷指的溫度反饋實現對冷指溫度的主動溫度控制。從而滿足兩級高頻脈沖管制冷機在必須采用直流驅動且要求穩定溫度控制的特殊環境下的應用需求。
[0010]下面結合附圖對所發明的兩級高頻脈管制冷機直流驅動與主動溫控系統進行詳細介紹，其中圖1為所發明的兩級高頻脈管制冷機直流驅動與主動溫控系統的示意圖；圖2為雙通道溫度信號采集及運放模塊的示意圖；圖3為H橋功率放大模塊的連接示意圖。
[0011]所發明的兩級高頻脈管制冷機直流驅動與主動溫控系統包括DC-DC轉換模塊一1、DC-DC轉換模塊二 3、雙通道模擬-數字信號轉換模塊4、數字信號處理器5、雙通道數字-模擬信號轉換模塊6、雙通道溫度信號采集及運放模塊7以及H橋功率放大模塊14，其特征在于:
[0012]所述的DC-DC轉換模塊一 I和DC-DC轉換模塊二 3為不同次級端轉換電壓的直流變壓器，，雙通道溫度信號采集及運放模塊7由兩個熱電偶、兩個測溫電橋，兩個運算放大器以及相應外圍電路組成，H橋功率放大模塊14由H橋集成芯片及相應外圍電路組成；
[0013]所述的外部直流總線2連接H橋功率放大模塊14進行供電，DC-DC轉換模塊一 I連接雙通道溫度信號采集及運放模塊7和H橋功率放大模塊14進行供電，DC-DC轉換模塊二 3連接雙通道模擬-數字信號轉換模塊4、數字信號處理器5以及雙通道數字-模擬信號轉換模塊6進行供電；雙通道溫度信號采集及運放模塊7連接至脈沖管制冷機的第一級冷端換熱器10以及第二級冷端換熱器8處，通過設置在脈沖管制冷機第一級冷端換熱器10上的熱電偶一 23以及第二級冷端換熱器8上的熱電偶二 26分別獲取到兩級溫度的電阻信號，利用測溫電橋一 24和測溫電橋27分別將兩路熱電偶電阻信號轉化為兩路電壓信號；兩路電壓信號分別傳送至信號運放模塊一 25和信號運放模塊二 28，經過運算放大器將電壓信號進一步轉換為兩路合適大小的模擬電壓信號；兩路模擬電壓信號輸送至雙通道模擬-數字信號轉換模塊4，將輸入的兩路模擬信號轉換為相對應的兩路數字信號；兩路數字信號被輸送至數字信號處理器5后同時輸出波形上互補的兩路SPffM信號；上述兩路SPffM信號送至雙通道數字-模擬信號轉換模塊6，轉換為相應的SPffM模擬信號一 29和SPffM模擬信號二 30 ；SPffM模擬信號一 29和SPffM模擬信號二 30均連接至H橋功率放大模塊14中的H橋電路一 31和H橋電路二 32，在外部直流總線2提供能量的前提下，H橋功率放大模塊14以SPffM模擬信號一 29和SPffM模擬信號二 30作為控制信號，改變H橋電路一 31和H橋電路二 32上MOSFET管的通斷時間，從而實現SPffM模擬信號一 29和模擬信號二 30的放大輸出；輸出的調制信號能提供兩級高頻脈沖管制冷機直線壓縮機的直線電機一 33和直線電機二 33'正常的直流線性驅動，且控制信號反映到輸入功的變化，進一步調整脈沖管制冷機第一級冷端換熱器10和第二級冷端換熱器8的制冷效果，由于對兩級脈沖管制冷機第一級的最低制冷溫度進行了設計上的限定，，在主要調節第二級冷端換熱器8溫度的同時也對第一級冷端換熱器10的溫度進行了控制，完成了對兩級脈沖管制冷機第一級冷端換熱器10和第二級冷端換熱器8的溫度穩定性的同時控制；從而形成一種兩級高頻脈沖管制冷機的直流驅動與主動溫控系統。
[0014]所發明的兩級高頻脈沖管制冷機的直流驅動與主動溫控系統的設計方法包括以下步驟:
[0015]步驟一:設計用于直流電壓轉換的DC-DC轉換模塊一 I和DC-DC轉換模塊二 3，DC-DC轉換模塊一 I連接雙通道溫度信號采集及運放模塊7和H橋功率放大模塊14進行供電，DC-DC轉換模塊二 3連接雙通道模擬-數字信號轉換模塊4、數字信號處理器5以及雙通道數字-模擬信號轉換模塊6進行供電；
[0016]步驟二:設計用于信號采集與轉換