一种主动调相型脉冲管制冷机双压缩机驱动控制系统的制作方法

1.本发明涉及制冷与低温工程技术领域和电路系统领域，涉及一种脉冲管制冷机驱动控制系统，特别涉及一种主动调相型脉冲管制冷机双压缩机驱动控制系统。

背景技术：

2.脉冲管制冷机是对回热式低温制冷机的一次重大革新，具有可靠性高、机械振动小、工作寿命长、制冷效率高、电磁噪声低等突出优点，在航空航天、低温电子学、超导工业和低温医疗业等方面都获得了广泛的应用。自20世纪60年代美国的gifford和longsworth发明基本型脉冲管制冷机以来，脉冲管制冷机的发展经历了小孔-气库型、双向进气型、惯性管型、双活塞型以及主动气库型等多种调相方式。
3.在脉冲管制冷机的实际应用中，很多被冷却器件如红外探测器、超导电子学器件等都需要稳定度较高的低温环境，以保证探测的精度和灵敏度。这类被冷却器件的性能通常对工作温度的反应比较灵敏，外界的扰动常常会使制冷机工况产生一定程度的变化，从而对制冷温度以及被冷却器件的性能产生影响。因此在脉冲管制冷机的实际应用中，常常需要根据工作环境的变化来改变压缩机的输出参数，使得冷头温度维持在特定范围内。此外，脉冲管制冷机的一些特殊应用如航天环境仅有直流电源，必须针对直流电源供电系统来设计驱动控制结构；同时，脉冲管制冷机冷头的稳定性也与驱动系统本身的性能息息相关，所以也对高精度及高灵活度的驱动控制系统提出了迫切需求。
4.主动调相型脉冲管制冷机如图1所示，是一种双活塞型制冷机，它的基本原理是在室温端增加一个排出器(其可以实现斯特林制冷机中低温气缸中的排出器作用)，并使其与主压缩机以固定相位差进行膨胀和压缩，从而灵活调节脉冲管内的相位。这种结构的优点在减少了调相机构引起的不可逆损失，使得膨胀功可以回收，因此有效提升了制冷机在低温下的制冷效率。但由于增加了一个膨胀活塞作为活动部件，需要同时对两台压缩机进行驱动控制与输出参数调整，脉冲管的可靠性以及低温下冷头温度的稳定性有一定程度的降低，也加大了稳定主动控制系统的设计难度。同时由于需要对主动活塞提供一个独立的控制电路，使得制冷机系统整体体积与控制难度也有所增加。
5.因此，开发一种体积小且精度高的主动调相型脉冲管制冷机双压缩机驱动控制系统极具现实意义。

技术实现要素：

6.针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种体积小且精度高的可实现主动调控的主动调相型脉冲管制冷机双压缩机驱动控制系统，克服了现有主动调相型脉冲管制冷机系统体积较大且控制精度较低的缺陷。
7.为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
8.一种主动调相型脉冲管制冷机双压缩机驱动控制系统，包括驱动压缩机、制冷机冷头、蓄冷器、蓄冷器热端、脉冲管、脉冲管热端、主动调相压缩机；
9.还包括功率放大器一、驱动压缩机、功率放大器二、pid控制模块二、压力传感器二、温度传感器、数据采集模块、压力传感器一、pid控制模块一和双通道输出模块；
10.所述温度传感器用于获取制冷机冷头的温度，所述压力传感器一和压力传感器二分别用于获取驱动压缩机和主动调相压缩机的压力；
11.所述双通道输出模块通过功率放大器一与驱动压缩机连接，双通道输出模块通过功率放大器二与主动调相压缩机连接，双通道输出模块输出两个存在固定相位差的信号波，两信号波通过功率放大器一和功率放大器二进行放大后，分别对驱动压缩机和主动调相压缩机进行驱动；
12.所述数据采集模块分别与温度传感器、压力传感器一和压力传感器二连接，以获取温度传感器、压力传感器一和压力传感器二传输的信号，数据采集模块分别通过pid控制模块一和pid控制模块二与双通道输出模块连接，完成对驱动压缩机和主动调相压缩机的反馈控制。
13.具体地，对于某一特定制冷工况，两台压缩机对应存在某一特定工作状态，使得冷头的工作温度恒定，当冷头处由于外部环境变化而出现微小扰动，或是驱动压缩机和主动调相压缩机由于长时间工作发生输出参数变化时，冷头温度有可能发生振荡，此时温度传感器、压力传感器一和压力传感器二将测得的模拟信号通过电桥电路转换为电压信号输入到数据采集模块。在识别到信号的变化后，数据采集模块将模拟电压信号进行放大后转换为数字信号，并通过pid控制模块一和pid控制模块二，对双通道输出模块输入数字控制信号，收到信号后，双通道输出模块将新的数字控制信号转换为模拟控制信号，并对输出的两路正弦信号波进行调整，完成对两个压缩机的反馈控制，从而稳定冷头温度，从而共同组成一高效、稳定的主动调相型脉冲管制冷机双压缩机驱动控制系统。
14.本发明提供了一种同时实现两台线性压缩机主动驱动控制的电控系统，能够将现有技术原本独立的两台驱动电源整合成同一个直流电源电控系统，实现两台线性压缩机的高效稳定联合驱动，并且通过制冷机冷头的温度以及压力信号反馈实现对压缩机输入参数的主动调控，从而精准控制冷头温度，同时，其大大减少电路系统中冗余部件，有效提高系统可靠性，并减小系统整体体积，使驱动结构更为简洁，以满足要求高温度稳定性、高可靠性以及高紧凑性的应用场合的需求，极具应用前景。
15.作为优选的技术方案：
16.如上所述的一种主动调相型脉冲管制冷机双压缩机驱动控制系统，所述双通道输出模块输出存在一固定相位差θ的两个0～3v大小的正弦信号波；
17.压缩机的驱动方程可以根据下式(1)～(3)得出：
[0018][0019][0020]
v＝acωxcos(ωt)(3)
[0021]
其中，m为活塞质量、为活塞加速度，c为阻尼系数，kc为活塞的弹性系数、ac为活塞横截面积，x为活塞工作行程；
[0022]
由此可以得出不同输入信号下压缩机的工作参数。
[0023]
如上所述的一种主动调相型脉冲管制冷机双压缩机驱动控制系统，还包括直流供
电模块；
[0024]
所述数据采集模块、pid控制模块一、pid控制模块二、功率放大器一、功率放大器二以及双通道输出模块均由直流供电模块供电。
[0025]
如上所述的一种主动调相型脉冲管制冷机双压缩机驱动控制系统，所述功率放大器一和功率放大器二的放大倍率不同。
[0026]
如上所述的一种主动调相型脉冲管制冷机双压缩机驱动控制系统，通过压力传感器一、温度传感器和压力传感器测得制冷机的实时工作参数，经数据采集模块采集后分别通过pid控制模块一和pid控制模块二形成反馈信号来调节双通道输出模块的输出信号。
[0027]
如上所述的一种主动调相型脉冲管制冷机双压缩机驱动控制系统，所述双通道输出模块接受到pid控制模块一和pid控制模块二的反馈信号后对驱动压缩机和主动调相压缩机的输入参数进行实时调整。
[0028]
以上技术方案仅为本发明的一种可行的技术方案而已，本发明的保护范围并不仅限于此，本领域技术人员可根据实际需求合理调整具体设计。
[0029]
上述发明具有如下优点或者有益效果：
[0030]
(1)本发明的主动调相型脉冲管制冷机双压缩机驱动控制系统，实现了主动调相型脉冲管制冷机双压缩机的集成反馈控制，有效减小了冷头温度振荡，制冷机工作更加稳定、可靠性更高；
[0031]
(2)本发明的主动调相型脉冲管制冷机双压缩机驱动控制系统，完全采用直流电源进行驱动，可满足直流电源进行供电的应用场景；
[0032]
(3)本发明的主动调相型脉冲管制冷机双压缩机驱动控制系统，简化了主动调相型脉冲管制冷机的驱动控制环节，使得整机结构更为紧凑，有利于主动调相型脉冲管制冷机的应用与普及，极具应用前景。
附图说明
[0033]
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更加明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未可以按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
[0034]
图1是典型的主动调相型脉冲管制冷机示意图；
[0035]
图2为本发明的主动调相型脉冲管制冷机双压缩机驱动控制系统的示意图；
[0036]
其中，1为功率放大器一，2为驱动压缩机，3为制冷机冷头，4为蓄冷器，5为蓄冷器热端，6为脉冲管，7为脉冲管热端，8为主动调相压缩机，9为功率放大器二，10为pid控制模块二，11为压力传感器二，12为温度传感器，13为数据采集模块，14为压力传感器一，15为pid控制模块一，16为双通道输出模块，17为直流供电模块。
具体实施方式
[0037]
下面结合附图和具体的实施例对本发明中的结构作进一步的说明，但是不作为本发明的限定。
[0038]
一种主动调相型脉冲管制冷机双压缩机驱动控制系统如图2所示，包括功率放大器一1、驱动压缩机2、制冷机冷头3、蓄冷器4、蓄冷器热端5、脉冲管6、脉冲管热端7、调相压
缩机8、功率放大器二9、pid控制模块二10、压力传感器二11、温度传感器12、数据采集模块13、压力传感器一14、pid控制模块一15、双通道输出模块16和直流供电模块17；
[0039]
电路系统中的数据采集模块13、pid控制模块一15、pid控制模块二10、功率放大器一1、功率放大器二9以及双通道输出模块16均由直流供电模块17进行供电；
[0040]
双通道输出模块16输出两个0～3v大小的正弦信号波，两个信号波之间存在一固定相位差θ，两个信号波分别通过功率放大器一1和功率放大器二6进行不同倍率的放大后，分别对驱动压缩机1和主动调相压缩机8进行驱动。
[0041]
上述主动调相型脉冲管制冷机双压缩机驱动控制系统的反馈控制逻辑具体如下：
[0042]
(1)当冷头3处由于外部环境变化而出现微小扰动时，冷头温度有可能发生振荡，此时温度传感器12将测得的电阻信号通过电桥电路转换为电压信号输入到数据采集模块13。在识别到信号的变化后，数据采集模块13将对模拟电压信号进行放大，并通过其中的信号转换电路将模拟信号转换为两路数字信号。两路数字信号分别通过pid控制模块一15和pid控制模块二10进行比例积分微分控制调节，对双通道输出模块16输入两个数字控制信号。收到信号后，双通道输出模块16通过内置的信号转换电路将新的数字控制信号转换为模拟控制信号，并对输出的两路正弦信号波进行调整，完成对两个压缩机的反馈控制，从而稳定冷头温度。
[0043]
(2)驱动压缩机2由于长时间工作而发生输出参数变化时，可能会导致冷头温度发生振荡，此时压力传感器一14将测得的压力信号转换为电压信号输入到数据采集模块13。在识别到信号的变化后，数据采集模块13将对模拟电压信号进行放大，并通过其中的信号转换电路将模拟信号转换数字信号。数字信号通过pid控制模块一15进行比例积分微分控制调节，对双通道输出模块16输入一个字控制信号。收到信号后，双通道输出模块16通过内置的信号转换电路将新的数字控制信号转换为模拟控制信号，并对输出的两路正弦信号波进行调整，完成对两个压缩机的反馈控制，从而稳定冷头温度。
[0044]
(3)主动调相压缩机8由于长时间工作而发生输出参数变化时，可能会导致冷头温度发生振荡，此时压力传感器二11将测得的压力信号转换为电压信号输入到数据采集模块13。在识别到信号的变化后，数据采集模块13将对模拟电压信号进行放大，并通过其中的信号转换电路将模拟信号转换数字信号。数字信号通过pid控制模块二10进行比例积分微分控制调节，对双通道输出模块16输入一个字控制信号。收到信号后，双通道输出模块16通过内置的信号转换电路将新的数字控制信号转换为模拟控制信号，并对输出的两路正弦信号波进行调整，完成对两个压缩机的反馈控制，从而稳定冷头温度。
[0045]
经验证，本发明的主动调相型脉冲管制冷机双压缩机驱动控制系统，实现了主动调相型脉冲管制冷机双压缩机的集成反馈控制，有效减小了冷头温度振荡，制冷机工作更加稳定、可靠性更高；完全采用直流电源进行驱动，可满足直流电源进行供电的应用场景；简化了主动调相型脉冲管制冷机的驱动控制环节，使得整机结构更为紧凑，有利于主动调相型脉冲管制冷机的应用与普及，极具应用前景。
[0046]
本领域技术人员应该理解，本领域技术人员在结合现有技术以及上述实施例可以实现变化例，在此不做赘述。这样的变化例并不影响本发明的实质内容，在此不予赘述。
[0047]
以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实
施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

技术特征：

1.一种主动调相型脉冲管制冷机双压缩机驱动控制系统，包括驱动压缩机(2)、制冷机冷头(3)、蓄冷器(4)、蓄冷器热端(5)、脉冲管(6)、脉冲管热端(7)、主动调相压缩机(8)，其特征在于：还包括功率放大器一(1)、驱动压缩机(2)、功率放大器二(9)、pid控制模块二(10)、压力传感器二(11)、温度传感器(12)、数据采集模块(13)、压力传感器一(14)、pid控制模块一(15)和双通道输出模块(16)；所述温度传感器(12)用于获取制冷机冷头(3)的温度，所述压力传感器一(14)和压力传感器二(11)分别用于获取驱动压缩机(2)和主动调相压缩机(8)的压力；所述双通道输出模块(16)通过功率放大器一(1)与驱动压缩机(2)连接，双通道输出模块(16)通过功率放大器二(9)与主动调相压缩机(8)连接，双通道输出模块(16)输出两个存在固定相位差的信号波，两信号波通过功率放大器一(1)和功率放大器二(9)进行放大后，分别对驱动压缩机(2)和主动调相压缩机(8)进行驱动；所述数据采集模块(13)分别与温度传感器(12)、压力传感器一(14)和压力传感器二(11)连接，以获取温度传感器(12)、压力传感器一(14)和压力传感器二(11)传输的信号，数据采集模块(13)分别通过pid控制模块一(15)和pid控制模块二(10)与双通道输出模块(16)连接，完成对驱动压缩机(2)和主动调相压缩机(8)的反馈控制。2.根据权利要求1所述的一种主动调相型脉冲管制冷机双压缩机驱动控制系统，其特征在于，所述双通道输出模块(16)输出存在一固定相位差θ的两个0～3v大小的正弦信号波。3.根据权利要求1所述的一种主动调相型脉冲管制冷机双压缩机驱动控制系统，其特征在于，还包括直流供电模块(17)；所述数据采集模块(13)、pid控制模块一(15)、pid控制模块二(10)、功率放大器一(1)、功率放大器二(9)以及双通道输出模块(16)均由直流供电模块(17)供电。4.根据权利要求1所述的一种主动调相型脉冲管制冷机双压缩机驱动控制系统，其特征在于，所述功率放大器一(1)和功率放大器二(9)的放大倍率不同。5.根据权利要求1所述的一种主动调相型脉冲管制冷机双压缩机驱动控制系统，其特征在于，通过压力传感器一(14)、温度传感器(12)和压力传感器(11)测得制冷机的实时工作参数，经数据采集模块(13)采集后分别通过pid控制模块一(15)和pid控制模块二(10)形成反馈信号来调节双通道输出模块(16)的输出信号。6.根据权利要求5所述的一种主动调相型脉冲管制冷机双压缩机驱动控制系统，其特征在于，所述双通道输出模块(16)接受到pid控制模块一(15)和pid控制模块二(10)的反馈信号后对驱动压缩机(2)和主动调相压缩机(8)的输入参数进行实时调整。

技术总结

本发明公开了一种主动调相型脉冲管制冷机双压缩机驱动控制系统，包括功率放大器、PID控制模块、压力传感器、温度传感器、数据采集模块和双通道输出模块。当制冷机性能参数发生变化时，通过传感器将模拟信号输入到数据采集模块，而后通过PID控制模块对双通道输出模块进行反馈控制，最终完成对两个压缩机的输出参数调整，从而稳定冷头温度。本发明实现了主动调相型脉冲管制冷机双压缩机的集成反馈控制，有效减小了冷头温度振荡，同时简化了主动调相型脉冲管制冷机的驱动控制环节，使得整机结构更为紧凑，有利于主动调相型脉冲管制冷机的应用与普及。与普及。与普及。