基于半导体制冷的多级精密快速温度反馈控制系统技术方案

本发明专利技术公开了基于半导体制冷的多级精密快速温度反馈控制系统，以解决对环境局部区域的温度场的温度及温度梯度实现高精度控制的问题，本发明专利技术采用PID控制，研制了一种可满足高精度、快速的温度反馈控制系统所述系统包括：控制器、半导体致冷器及其驱动电路、风扇及其驱动电路、铂电阻及其测温电路和腔体；铂电阻安装在腔体内，铂电阻测温电路用于测量铂电阻的温度信号，并将温度信号传递给控制器，控制器用于基于温度信号控制半导体致冷器驱动电路和风扇及驱动电路，半导体致冷器驱动电路驱动半导体致冷器对腔体内部进行温度控制，风扇及驱动电路驱动风扇对腔体内部进行温度控制。

Multi stage precise and fast temperature feedback control system based on semiconductor refrigeration

【技术实现步骤摘要】
基于半导体制冷的多级精密快速温度反馈控制系统
本专利技术涉及超精密加工中的精密温控领域，具体地，涉及一种基于半导体制冷的多级精密快速温度反馈控制系统。
技术介绍
对超精密工件制造过程中，超精密加工机床精度受环境温度影响严重，电机等部件发热引起不同材料的热膨胀，机械结构在受力不均时将产生热变形而影响切削效果。因此，提高超精密加工机床周围环境温度的稳定性是可改善其加工效果的有效手段。环境气体作为超精密加工机床的外部热源之一，一般可通过热传递、热对流的方式影响加工材料及超精密机床结构件的温度，同时绝对零度以上的物体之间如环境对材料表面，均存在相互的热辐射作用，这些系统以外的扰动量对超精密加工精度的影响不可预知；而对于超精密切削机床，驱动电机及液压装置带来的耗散热，切削过程中刀尖及工件材料之间、机床结构件之间的相对运动产生的摩擦热等内部热源也是影响环境温度的部分因素，同样为环境温度控制带来一定挑战。不同空间大小、温度区间、精度要求及控制时间要求，温控载体和控制方法则不尽相同。温控系统的控制中，温度反馈量的变化延迟性较大，组件控制产生的加热或制冷效果的延迟也较大。
技术实现思路
为解决对环境局部区域的温度场的温度及温度梯度实现高精度控制的问题，温控系统的控制中，温度反馈量的变化延迟性较大，组件控制产生的加热或制冷效果的延迟也较大，本专利技术采用PID控制，研制一种可满足高精度、快速的温度反馈控制系统。图1为本专利技术所设计的一种由控制器、半导体致冷器、风扇的驱动电路、铂电阻测温电路、风扇、铂电阻及除湿隔热的被控腔体等共同组成精密温控系统的架构。系统架构由控制系统及电学系统组成，控制系统通过风扇、半导体的驱动电路，通过自然对流及强制对流为系统被控腔体供给冷量和热量，腔体的测温点通过铂电阻感知其温度，并由测温电路反馈具有温度信息的信号至控制器，控制器则不断计算系统控制量的偏差给出不同的信号以完成控制系统中的反馈控制。为解决上述难题，设计了一种铂电阻测温系统，图2所示，该系统共由6部分组成：上位机发送通断指令信号至供电系统决定其工作状态；稳压电路将Us转化为铂电阻电桥的直流电压Ui；温度变化将导致电桥不平衡，因此产生的压差U0进入同样由直流电源供电的信号放大电路；输出电压U0′传输至dSPACE控制器，并通过相应的算法将其换算为温度值，由上位机程序界面显示记录。为解决以上铂电阻测温的技术难题，根据上述铂电阻测温系统架构，设计了实现电源稳压功能，削弱引线电阻分压引入的系统误差的电桥电路，以及实现电桥输出信号放大并减小电路布线引入的纹波的信号采集放大功能的电路。测温系统电路通过输出信号U0′与dSPACE控制器通过BNC接口进行信号传输，dSPACE将信号传输至上位机，通过程算法进行数据的处理及补偿，最终得到给定采样周期内的温度平均值Tx。半导体制冷片的驱动电路将主要包含集成运放芯片、场效应管、部分用于改变放大倍数的电阻及可变电阻。图4为所设计的一种可满足TEC得到不同输入电压的TEC驱动电路，该电路设计的目的是使dSPACE给出的输入电压Vinput被转化为通过半导体制冷片的电流iD，并且电流iD的大小不受负载电阻的变化而变化，即电路除负载以外的电路可等效为一可驱动高负载的恒流源。温控载体采用腔体结构，腔体与外界采用一定的隔热材料，以保证腔体对外的热通量有一定程度地阻隔。为实现更好的控温效果，给出一种多级半导体制冷控温系统的机械结构设计，如图6所示，结构中可搭载包括风扇结构的强制对流及半导体制冷片的一级控温系统结构设计，以及依靠半导体表面温度形成的自然对流二级控温系统结构设计。温控载体的机械结构主要由腔体外壳、腔体壁、腔体底、腔体盖组成。腔体外壳如图7所示，由无顶盖的空壳、侧壁孔构成。为尽量不引入过多的温控组件、导线置于腔体内，以避免引入过多干扰热源，各侧壁通过圆孔结构，供半导体制冷片、铂电阻的导线连接腔体外的相应电路，并通过方孔结构供散热片接入腔体壁中的半导体制冷片散热面。腔体壁、腔体底和腔体盖共同贴合组成腔体的隔热层，层厚为20mm，通过添加相应的隔热材料，减少腔内与外界的热交换，达到保温的效果。腔体底为一层隔热板，可根据不同的腔内物体制作相应的凹槽供摆放，腔体底直接覆盖于腔体外壳内的底部。腔体壁及腔体盖中心处各有一个半导体制冷系统，对腔内进行不同角度的控温。如图8所示，每一个壁面和盖面均留有承载半导体制冷片及圆柱形Pt电阻头的槽结构。如图9所示，为腔体壁分左右壁和前后壁以更稳定的内嵌式的装载方式装载在腔体外壳内。腔体盖除装载半导体制冷片，还将引入风扇等结构，使腔体内的流体形成强制对流，并对流场进行一定约束控制。如图10所示，腔体盖预留一定的空间结构，并覆盖于腔体顶端。同样地，为保证腔内的引线尽量少，如腔体透视图11所示，腔体壁及腔体盖均含有导线凹槽以供布线，此外，布线完毕后将采用隔热材料对凹槽进行填充。图12为多级别控温系统主要包含腔体顶部的控温系统及各侧壁的控温系统。腔体顶部半导体控温系统添加了用于腔内强制对流的风扇，可一定程度地增强腔内的流体对流换热，从而加快腔内控温，因此该区域的控温系统为一级主要控温系统。而侧壁的控温主要由半导体制冷片的冷面或热面使腔室内的流体形成自然对流达到一定的辅助控温效果，故为二级控温系统。温控腔体内的强制对流主要针对于腔内气体自然对流的热交换迟缓而设计的，因此添加了风扇对腔内的流体施加一定压力形成强制对流，而腔内流体的流型是否可被压缩，将间接影响腔体内的流体与流体，以及流体与固体之间的传热。多级快速温度反馈控制核心思想是通过多种控制方式，根据控温级别的先后顺序对腔体内温度场中的温度和温度梯度进行快速控制。针对系统的快速控制：系统控制算法采用实验整定得到的较优的PID控制参数，加快对系统的控制速度；腔体内部风扇的主动强制对流也可一定程度加快控温速度。针对系统温度场的多级控制：如图13所示，在腔体内选定3个核心控制点，其中1个点主要用于反馈温度，其余2个点用于反馈等效温度梯度，位置上温度点位于腔体的体中心，梯度点与温度点同Z轴坐标、共线，且距离温度的点的距离相等。对于系统的温度及温度梯度的控制，一级控温主要用于对温度场的温度控制，而二级控温则主要针对温度场温度梯度的控制。温度反馈控制系统的电学系统由5个半导体制冷片驱动电路、8个测温电路组成及1个内部风扇驱动电路组成，对腔体盖半导体外部散热或导冷风扇，将直接由大功率开关电源供电，以保证一级控温系统在半导体制冷片大功率工作的稳定性，因此电学系统共有14根信号线。图14为温控腔室的反馈控制系统，其共有3个闭环反馈控制系统组成：最上方反馈控制为负责腔体内温度点温度值反馈控制的一级闭环控温系统和其余两者则为负责腔体内温度梯度值反馈控制的二级闭环控温系统。本专利技术提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：本专利技术基于半导体制冷的多级、分阶段、精度高、速度快的环境温度控制系统，以解决对环境局部区域的温度场的温度及温度梯度难以实现高本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于半导体制冷的多级精密快速温度反馈控制系统，其特征在于，所述系统包括：/n控制器、半导体致冷器及其驱动电路、风扇及其驱动电路、铂电阻及其测温电路和腔体；铂电阻安装在腔体内，铂电阻测温电路用于测量铂电阻的温度信号，并将温度信号传递给控制器，控制器用于基于温度信号控制半导体致冷器驱动电路和风扇及驱动电路，半导体致冷器驱动电路驱动半导体致冷器对腔体内部进行温度控制，风扇及驱动电路驱动风扇对腔体内部进行温度控制。/n

【技术特征摘要】
1.基于半导体制冷的多级精密快速温度反馈控制系统，其特征在于，所述系统包括：
控制器、半导体致冷器及其驱动电路、风扇及其驱动电路、铂电阻及其测温电路和腔体；铂电阻安装在腔体内，铂电阻测温电路用于测量铂电阻的温度信号，并将温度信号传递给控制器，控制器用于基于温度信号控制半导体致冷器驱动电路和风扇及驱动电路，半导体致冷器驱动电路驱动半导体致冷器对腔体内部进行温度控制，风扇及驱动电路驱动风扇对腔体内部进行温度控制。


2.根据权利要求1所述的基于半导体制冷的多级精密快速温度反馈控制系统，其特征在于，在铂电阻测温电路中上位机发送通断指令信号至供电系统决定铂电阻工作状态；稳压电路将直流供电电压Us转化为铂电阻电桥的直流电压Ui；温度变化将导致电桥不平衡，因此产生的压差U0进入同样由直流电源供电的信号放大电路；输出电压U′0传输至控制器，将输出电压U′0换算为温度值。


3.根据权利要求2所述的基于半导体制冷的多级精密快速温度反馈控制系统，其特征在于，铂电阻测温电路通过输出信号U′0与控制器通过BNC接口进行信号传输，控制器将信号传输至上位机进行数据的处理及补偿，最终得到给定采样周期内的温度平均值Tx。


4.根据权利要求1所述的基于半导体制冷的多级精密快速温度反馈控制系统，其特征在于，半导体致冷器驱动电路用于将给出的输入电压Vinput被转化为通过半导体致冷器的电流iD。


5.根据权利要求1所述的基于半导体制冷的多级精密快速温度反馈控制系统，其特征在于，腔体包括：腔体外壳、腔体壁、腔体底、腔体盖；腔体壁贴合在腔体外壳内壁上，腔体底和腔体盖分别固定在腔体外壳的底部和顶部，腔体壁、腔体底和腔体盖共同贴合组成腔体的隔热层，腔体外壳上下面均为开口状，腔体外壳侧壁设有用于半导体制冷片和铂电阻的导线穿过的圆孔，腔体外壳侧壁设有方孔结构用于散热片接入腔体壁中的半导体制冷片散热面，腔体壁及腔体盖中心处各有一个半导体制冷系统，对腔内进行不同角度的温度进行控制，半导体制冷系统包括：半导体致冷...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏巍，李加胜，黄小津，路傲轩，刘品宽，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51