侯 森 王 波 甘智華 邱利民

(1浙江大學制冷與低溫研究所 杭州 310027)

(2中國電子科技集團第十六研究所 合肥 230043)

1 引言

在現(xiàn)代科學技術中，許多儀器和設備的運行和發(fā)展離不開低溫制冷技術，例如紅外器件、低溫電子器件、低溫冷凝真空泵、超導磁體和超導磁共振成像儀等都需要符合要求的低溫制冷機來提供冷卻條件，斯特林和脈管制冷機是小型低溫制冷機中應用最廣泛的兩種制冷機。

斯特林制冷機正常工作時，壓縮機活塞在線性電機的驅動作用下往復運動，膨脹機排出器與壓縮機活塞之間的運動保持一定的相位差，以完成工質氣體的兩個等溫壓縮和膨脹過程與兩個等容回熱過程，使得制冷機冷端在設定低溫下提供一定的制冷量，斯特林制冷機按結構可分為整體式和分置式兩種。與斯特林制冷機相比，脈管制冷機尤其是采用線性驅動技術的斯特林型脈管制冷機，由于其低溫部分沒有運動部件，因而具有結構簡單、尺寸緊湊、可靠性高和運行壽命長等優(yōu)點，逐漸被廣泛應用。隨著對高溫超導設備和紅外探測器等對更低制冷溫度的要求，兩級或多級結構的脈管制冷機得到了極大的發(fā)展。

一個完整的斯特林或脈管制冷機系統(tǒng)包括線性壓縮機、冷頭和控制器3個部分，控制器部分是驅動維持制冷機進行正常工作的關鍵組件。通常，制冷機冷頭部分設計完成后，會有一個最佳的運行頻率，當驅動電路提供與這個最佳運行頻率同頻的驅動電壓波時，制冷機工作的效率最高，在此共振頻率下，對輸入電壓的調節(jié)能夠更有效地轉換成對活塞行程的調節(jié)，進而影響氣體壓力波的大小，最終影響了冷端的制冷溫度?？刂破髦饕褪峭ㄟ^調節(jié)壓縮機的輸入電壓、頻率和相位差，來改變壓縮機的行程，從而控制冷頭的溫度，控制系統(tǒng)的目的是使得制冷機能夠快速降溫，并在設定溫度點處保持一定的溫度穩(wěn)定精度。已經有較多的低溫制冷機系統(tǒng)實驗研究表明主要是控制器部分而不是壓縮機或者冷頭部分影響了低溫制冷機系統(tǒng)的可靠性。

目前常用的斯特林與脈管制冷機控制器主要包括以下模塊，如圖 1、2 所示［1-2］:

圖1 制冷機控制器結構模塊圖Fig.1 Module structure diagram of cryocooler control electronics

圖2 Creare公司制冷機控制器原型結構圖Fig.2 Prototype structure of cryocooler control electronics from Creare Co.

(1)溫度信號處理模塊:溫度傳感器將采集到的冷頭溫度轉換成標準的采樣信號。

(2)控制模塊:將采集到的反饋信號與設定溫度進行比較后，根據(jù)一定的算法生成脈寬可變的SPWM波形。

(3)驅動及濾波整形模塊:接收SPWM波來驅動H橋電路產生交流電壓輸出，然后經濾波整形電路供給壓縮機。

(4)通信及顯示電路模塊:控制器通過串行通訊接口與上位機建立聯(lián)系，上位機通過串行口向制冷機和控制器發(fā)送控制命令、修改運行參數(shù)，控制器通過串行口向上位機傳送所有遙測數(shù)據(jù)。

(5)電磁兼容及保護電路。

主要對斯特林和脈管制冷機的控制器進行總結與比較，分別以開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩方面，并以控制核心單元的發(fā)展和使用為線索回顧了制冷機控制器的研究進展，總結了制冷機控制器設計中的技術問題與要點，并對未來的發(fā)展趨勢進行了展望。

2 斯特林與脈管制冷機控制器研究進展

低溫制冷機控制器控制方式主要可分為有兩種方式:開環(huán)控制和閉環(huán)控制。

2.1 開環(huán)控制方式

開環(huán)控制顧名思義就是系統(tǒng)的輸出端與輸入端之間不存在反饋，也就是控制系統(tǒng)的輸出量不對系統(tǒng)的控制產生影響。低溫制冷機的開環(huán)控制方式主要是在上位機上輸入給定的電壓幅值和頻率，通過控制驅動電路控制壓縮機的輸入電壓和頻率，從而控制冷端的溫度，開環(huán)控制框圖見圖3所示。表1總結了近10年的斯特林和脈管制冷機開環(huán)控制器的主要研究進展。

圖3 斯特林和脈管制冷機系統(tǒng)開環(huán)控制框圖Fig.3 Open loop control system of Stirling and pulse tube cryocooler system

表1 斯特林和脈管制冷機開環(huán)控制器的研究進展Table 1 Research progress in open loop controller of Stirling and pulse tube cryocooler system

開環(huán)控制的優(yōu)點是結構相對簡單，成本較低，缺點是不能構成系統(tǒng)回路，冷頭端的溫度變化或外來未知干擾都會影響控制器的效果，這樣就需要額外的措施根據(jù)低溫制冷機的運行狀況和目標來調節(jié)輸入功率。

2.2 閉環(huán)控制方式

與開環(huán)控制相比，在閉環(huán)控制中，不管出于什么原因(外部擾動或系統(tǒng)內部變化)，只要被控制量偏離規(guī)定值，就會產生相應的控制作用去消除偏差。因此，閉環(huán)控制具有抑制干擾的能力、對元件特性變化不敏感、且能改善系統(tǒng)響應特性等優(yōu)點。低溫制冷機系統(tǒng)中，由于機械磨損或工況環(huán)境等的改變使制冷機脫離最佳運行工況時，可以根據(jù)反饋來修正輸入給壓縮機的電壓幅值和頻率，從而保證低溫制冷機長期工作在最佳狀態(tài)，所以隨著技術的進步和實際需求的提升，閉環(huán)控制系統(tǒng)廣泛應用于低溫制冷機控制系統(tǒng)中。表2給出了斯特林和脈管制冷機閉環(huán)控制原理的主要類型和特點。

對于脈管和氣動式膨脹腔結構的斯特林制冷機，可控部件只有壓縮機的活塞，這時只能通過調整輸入功率來控制壓縮機活塞的行程，從而達到控溫的目的。

而在機動膨脹機型斯特林制冷機的溫度閉環(huán)多回路控制系統(tǒng)中［6］，如圖4所示，控制量為溫度，被控對象為壓縮機活塞和排出器，被控參數(shù)為壓縮機活塞和排出器位移、工作頻率、壓力波和排出器位移波之間的相位差等，主控回路為溫度控制，副控回路為位移控制，驅動電源為35ˉ60 Hz的交流正弦電源，且為了實現(xiàn)制冷機冷頭溫度控制，各路交流正弦電源的幅度必須可調節(jié)，并且對于壓縮機、排出器雙驅動型還要求壓縮機驅動電源與冷頭驅動電源之間的相位0ˉ360°可調節(jié)［7］。美國 Raytheon公司針對其 HCRSP2型一級斯特林二級脈管的混合制冷機提出了兩級閉環(huán)溫度控制的概念［8］，希望控制器能在513 W的輸入電功下在二級和一級冷頭分別得到2.6 W@35 K和16.2 W@85 K的制冷量。理論和實驗分析［9］證明，改變膨脹機活塞位置并沒有影響效率，文中提出了兩個溫度控制的方案:(1)調節(jié)壓縮機行程來控制斯特林級溫度，調節(jié)膨脹機活塞相位來控制脈管的溫度;(2)調節(jié)膨脹機活塞相位來控制斯特林級溫度，調節(jié)壓縮機行程來控制脈管的溫度。編寫的代碼可根據(jù)工作條件比較容易的在兩種控制方案中進行靈活的選擇。但是該控制器最大的挑戰(zhàn)是兩級溫度閉環(huán)控制和振動控制的耦合，當膨脹機的相位或幅值相對壓縮機變化時平衡減震器必須做出相應的改變來抑制機體的振動，Raytheon公司研制了一個主動前饋振動控制器來抑制小幅的振動，對于大幅的振動，Raytheon公司通過主動前饋振動控制器和平衡減震器共同作用來抑制大幅振動。表3總結了近年來斯特林和脈管制冷機控制系統(tǒng)的主要研究進展情況。

3 斯特林與脈管制冷機控制系統(tǒng)關鍵技術

3.1 控制器位置

德國 AEG Infrarot-Module GmbH 公司［10］針對紅外應用開發(fā)了一系列控制器內置在壓縮機里的分置式斯特林制冷機，如圖5所示。與設計為3 W@80 K的分置式斯特林制冷機聯(lián)機實驗，最好取得了±25 mK的冷端溫度波動。表4給出了控制器內置型和外置型的特點比較。

圖4 斯特林制冷機控制器溫度多回路閉環(huán)系統(tǒng)控制框圖Fig.4 Multi-loop temperature closed-loop system control block diagram of Stirling cryocooler

表3 斯特林與脈管制冷機閉環(huán)控制器的研究進展Table 3 Research progress in closed-loop controller of stirling and pulse tube cryocooler system

圖5 控制器內置型斯特林制冷機Fig.5 Stirling cryocooler with internal control electronics

表4 控制器內置型和外置型的特點比較Table 4 Trade-offs of external vs.internal control electronics

3.2 控制系統(tǒng)算法

因為斯特林和脈管制冷機涉及了復雜的機電和熱力學過程，大部分參數(shù)不但隨著制冷機工作時間而改變，還隨著溫度的降低而變化，此外還會由于周圍環(huán)境或裝配質量等而改變。正是因為制冷機的工作參數(shù)的不確定性，使得建立準確的數(shù)學模型的難度很大，為了使制冷機獲得最佳的工作性能，又必須對制冷機的運行參數(shù)進行測量和控制，所以必須采用復雜的控制算法，其中最常用和最成熟的算法是PID控制。

PID控制就是對反饋回來的輸入偏差進行比例、積分和微分運算，運算的結果去控制執(zhí)行機構來達到控制對象的目的，如圖6所示。PID控制技術有著突出的優(yōu)點:原理簡單，使用方便，當被控對象的結構和參數(shù)不能完全掌握或得不到精確的數(shù)學模型時，控制器的結構參數(shù)必須依靠經驗和現(xiàn)場調試來確定，而PID算法有一套完整的參數(shù)整定與設計方法，很多國內外研究機構或公司都使用PID控制算法來控制低溫制冷機系統(tǒng)。

圖6 PID控制原理框圖Fig.6 PID control principle diagram

隨著微機技術的發(fā)展，數(shù)字PID控制算法有效地解決了模擬PID算法的溫漂問題，使PID控制更加靈活。在傳統(tǒng)的PID算法中，因積分增益Ki為常數(shù)，在整個調節(jié)過程中其值不變，但斯特林制冷機控制系統(tǒng)對積分的要求是:設定溫度與實測溫度間的偏差大時積分作用減弱，否則會產生控制超調，甚至出現(xiàn)積分飽和;設定溫度與實測溫度偏差小時積分作用加強，否則不能滿足溫度控制穩(wěn)定性的要求。研究人員通過引進改進的變速積分PID控制算法［25］和積分分離式的PID算法［20］來滿足斯特林制冷機的應用性能，變速積分PID控制算法的基本思路是:設定溫度與實測溫度間的偏差大時，積分累積速度慢，積分作用弱;偏差小時，積分累積速度快，積分作用強。利用Matlab驗證了變速積分PID控制器方案的有效性［25］。而實際中，制冷機模型的結構參數(shù)是隨著時間和溫度的變化而變化的，其中還包括一定的滯后和非線性特性，這就使得傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)很難達到最佳的控制效果。自適應PID控制結合了自適應控制和傳統(tǒng)PID控制的優(yōu)點，它具有自動辨識被控過程參數(shù)、自動整定控制器參數(shù)、能夠適應被控過程參數(shù)的變化等優(yōu)點，其次，它又具有常規(guī)PID控制結構簡單、魯棒性好和可靠性高等優(yōu)點。西安交通大學虞鶴松等［24］設計了應用于分置式微型斯特林制冷機溫度自適應控制系統(tǒng)，如圖7所示，當制冷機充氣壓力一定時，壓縮機和膨脹機的運行頻率f、兩者之間的相位差φ及各自的行程Z c、Z d都會影響到制冷溫度T，但是f、φ和Z d對T的影響是非單調的，存在著最佳匹配?？紤]到工程上的簡便實用性，在選定控制方案時，將f、φ和Z d固定為設定值，調節(jié)變量取壓縮機行程Z c，從而構成一個單輸入、單輸出制冷溫度控制系統(tǒng)。由于斯特林制冷機系統(tǒng)具有分布參數(shù)的非線性慢時變特點，并考慮到隨機干擾噪聲影響和控制魯棒穩(wěn)定性的高要求，使用了一種基于CARIMA模型在線整定加權系數(shù)的最小方差、極點配置隱式算法，再加上采用黃金分割魯棒控制器作為自適應控制的啟動控制器，與制冷機聯(lián)機后實驗表明該控制能有效地克服未知確定性熱負荷擾動，穩(wěn)態(tài)無誤差。

圖7 西安交通大學制冷機控制系統(tǒng)框圖Fig.7 Stirling cryocooler control system diagram of Xi’an Jiaotong University

隨著智能控制理論的發(fā)展，模糊控制也開始使用在低溫制冷機控制系統(tǒng)中。國立臺灣大學Yee-Pien Yang［26］等將模糊控制的方法應用在分置式斯特林制冷機上，使用兩個模糊控制器構成閉環(huán)系統(tǒng)，如圖8所示。

3.3 驅動電路

對斯特林與脈管制冷機而言，壓縮機是其唯一的壓力波源，驅動電路為壓縮機提供電功率輸入，壓縮機又驅動制冷機的工作，為制冷機的載荷提供有效的制冷量。

早期的驅動電路主要采用由模擬電路或計算機產生正弦信號，經功率放大器線性放大后加載在壓縮機上［27-28］，通過調節(jié)正弦信號的幅度或放大電路的放大倍數(shù)實現(xiàn)壓縮機輸入功率可調，通過調節(jié)正弦信號的頻率來實現(xiàn)輸入電壓頻率可調。雖然此方式生成的波形沒有高頻雜波，但是效率很低，且發(fā)熱嚴重，需要額外設計散熱裝置來提高控制器的穩(wěn)定性。

圖8 雙模糊控制器閉環(huán)系統(tǒng)框圖Fig.8 Dual fuzzy control system

目前常用的驅動電路為通過生成SPWM(sinusoidal pulse width modulation)信號經光耦合隔離后驅動H橋逆變電路，再經濾波電路濾波后加載在線性壓縮機上。H橋逆變電路是制冷機控制器的核心部分，是將母線的直流電壓轉換成負載所期盼的正弦波交流電壓，目前采用最多的是正弦波脈沖寬度調制(SPWM)技術，SPWM法以采樣控制理論中的面積等效原理為基礎，用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開關器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應區(qū)間內的面積相等，通過改變調制波的頻率和幅值則可調節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。SPWM方法的實現(xiàn)主要由硬件調試法和軟件生成法。硬件調制法可以用模擬電路構成三角波載波和正弦調制波發(fā)生電路，用比較器來確定它們的交點，在交點時刻對開關器件的通斷進行控制，就可以生成SPWM波，如圖9所示［29］。這種方法雖然便宜和緊湊，但電路復雜，難以實現(xiàn)精確的控制。

圖9 模擬電路調制SPWM波結構圖Fig.9 Complete block diagram of PWM generator

隨著微機處理器技術的發(fā)展，軟件生成法逐漸成為主流。軟件生成法的基本算法主要為自然采樣法和規(guī)則采樣法。規(guī)則采樣法是一種應用較廣的工程實用方法，一般采用三角波作為載波。其原理就是用三角波對正弦波進行采樣得到階梯波，再以階梯波與三角波的交點時刻控制開關器件的通斷，從而實現(xiàn)SPWM法。在控制制冷壓縮機往復運動時，需要使用可逆PWM系統(tǒng)，可逆PWM系統(tǒng)可分為單極性調制和雙極性調制。因為單極性調制時，輸出調制電壓在正脈沖或負脈沖和零電平之間變化，脈動量小，因而電感電流脈動和輸出紋波小，只有在電壓和電流方向相反的時候才會有逆變橋交流能量的回饋現(xiàn)象，所以制冷機控制器常采用單極性調制方式。根據(jù)采樣時刻的不同，又可分為對稱規(guī)則采樣和不對稱規(guī)則采樣，不對稱規(guī)則采樣因階數(shù)多而更接近正弦。西安交通大學高小赟［18］等采用不對稱規(guī)則采樣算法，研制了基于DSP的斯特林制冷機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)用單個DSP控制3臺電機的設計構思并對單臺直線電機進行了測試，實驗測得的SPWM波有較好的正弦性。

3.4 控制核心處理器

由于模擬電路制造的控制器電路結構復雜且抗干擾能力差，單片機在數(shù)字和邏輯功能方面可以完成一些具有一定智能的任務，再加上集成的存儲器、模數(shù)轉換器和脈寬調制電路等電路，使得單片機開始使用在斯特林與脈管制冷機控制系統(tǒng)中。華中理工大學黃聲華［12］等和蘭州物理研究所王世耀等［12］使用80C196單片機為核心控制單元研制斯特林制冷機控制器，制冷機冷頭的溫度和壓縮機、排出器的位移等信號經A/D轉換送CPU分析判斷，直接生成SPWM波電壓驅動逆變電路產生3路幅值、相位和頻率可調的交流電壓加載到直線電機上，控制3臺直線電機運動。控制器又通過串行通訊接口與上位機建立聯(lián)系，人們通過上位機向制冷機和控制器發(fā)送控制命令，修改運行參數(shù)，控制器通過串行口向上位機傳送所有遙測數(shù)據(jù)。

早期的斯特林與脈管制冷機控制器多以單片機為核心來實現(xiàn)。由于集成度低，外圍器件較多，導致控制器體積大;其次由于其運行速度低，導致以PWM或SPWM方式驅動電機時載波頻率較低，致使電機電流波形失真加大，諧波含量高，影響制冷機性能［7］。

相對于單片機而言，DSP(digital signal processor數(shù)字信號處理器)具有很高的集成度，具有更快的CPU，更大容量的存儲器，有的DSP片內還集成了A/D和采集/保持電路，可提供PWM輸出。DSP器件采用改進的哈佛結構，具有獨立的程序和數(shù)據(jù)空間，允許同時存取程序和數(shù)據(jù)。它強大的數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度是最值得稱道的兩大特色。DSP電路可以根據(jù)采集的溫度信號，靈活控制壓縮機的輸入電壓、相位以及頻率值，進而保持冷頭溫度的穩(wěn)定性。

近年來，THALES公司［19］開發(fā)了以 DSP作為核心器件的控制器，如圖10、11所示。該控制器使用內部集成的高精度A/D轉換器來采集處理冷頭的溫度信號，還可以監(jiān)測環(huán)境溫度以對輸出控制進行微調?？刂破鞑捎卯惒酵ㄐ诺姆绞綄崟r與外界系統(tǒng)平臺進行交互，可以即時調整控制參量并監(jiān)測制冷機的狀態(tài)。該控制器高度數(shù)字化，具有結構緊湊、體積小、效率高、可靠性高等優(yōu)點，可以用作多種制冷機的控制器，并可以在極端環(huán)境中使用。

圖10 THALES公司基于DSP制冷機控制器功能框圖Fig.10 Block diagram of Thales Cryocooler Control Electronics

圖11 THALES公司制冷機控制器Fig.11 Photograph of the Thales Cryocooler Control Electronics

DSP技術的發(fā)展促進了低溫制冷機控制器的發(fā)展，但存在兩個缺點:DSP芯片直接生成的SPWM信號載波頻率比較低，且其通過軟件運算生成SPWM信號的可靠性較低。針對DSP技術的缺點，采用FPGA(Field Programmable Gate Array現(xiàn)場可編程邏輯器)硬件的控制器被開發(fā)出來，其可生成較高頻率的SPWM波，運算速度更快，波形穩(wěn)定且抗干擾能力強?？赏ㄟ^DSP或單片機采集反饋信號對FPGA進行初始化設置，以達到更可靠的控制結構。FPGA內部是全并行體系結構，有著運行速度快、時序控制能力強、編程調試方便等優(yōu)點，非常適用于變頻系統(tǒng)實現(xiàn)脈寬調制;且FPGA使用硬件實現(xiàn)運算，抗干擾能力強，不存在程序跑飛的風險，有著較強的穩(wěn)定性和可靠性。

上海技術物理研究所朱鵬［20-21］等開展了基于FPGA的牛津型分置式斯特林制冷機控制系統(tǒng)的研究。控制系統(tǒng)的結構框圖如圖12所示，溫度探測電路負責為溫度二極管提供穩(wěn)恒電流，并讀取溫度二極管上的電壓信號;溫度電壓信號經過放大電路放大后再經A/D轉換，送入FPGA中作為PID模塊的輸入?yún)⒘窟M行運算處理，根據(jù)制冷機的熱動力學特性進行分析，反映到控制器PID算法的參數(shù)整定中，F(xiàn)PGA生成SPWM波，SPWM波經光電耦合電路作用在功率驅動電路上，驅動電路采用逆變H橋電路，由智能功率模塊(IPM)驅動4個功率MOSFET，產生雙極性SPWM電壓波形，同時給壓縮機的兩個直線電機供電。

圖12 基于FPGA的斯特林制冷機控制器結構框圖Fig.12 Structure of the Cryocooler Control Electronics based on FPGA

3.5 電磁兼容

制冷機系統(tǒng)是一個大功率的系統(tǒng)，電機運行時會向外發(fā)射電磁干擾，其控制器也是電磁干擾的重要來源，對于星用的制冷機系統(tǒng)來說，如果電磁干擾信號過大時探測器的探測信號甚至會被淹沒，所以有必要為制冷機系統(tǒng)進行電磁兼容設計。

線性壓縮機無論是動磁式還是動圈式直線電機驅動，磁場的突變都會向外發(fā)射交變電磁干擾。而控制器中的橋式逆變電路，內部的功率電子器件工作在高速開關狀態(tài)，其產生的高頻脈沖信號具有很大的d u/d t和d i/d t;同時電路中存在電感、電容器件以及線路雜散電感和分布電容，在d u/d t和d i/d t的作用下會導致脈沖電流和脈沖電壓的產生。功率電子器件的頻繁開關導致輸入電流脈動變化，在直流輸入側形成差模干擾電流，輸出電壓中諧波的存在則導致輸出側產生差模干擾電流;逆變電路中電壓的突變d u/dt經過分布電容的耦合在逆變器輸入輸出端形成共模干擾電流。由于控制器輸出交變大電流，且電路中部分環(huán)路的d i/d t較大，會向空間輻射大量的電磁干擾，這些干擾中有交變電干擾和交變磁干擾，同時，控制器信號處理電路也會發(fā)生交變電干擾。

為了在保證制冷機和控制器安全正常運行的前提下降低系統(tǒng)對外的電磁干擾，常采取以下辦法［20］:(1)使用金屬良導體制成的電控箱將控制器電路屏蔽起來，并將電控箱表面涂黑;(2)控制器和制冷機之間采用屏蔽雙絞線連接，屏蔽網兩邊分別連接到電控箱和壓縮機外殼上;(3)在每個集成電路的電源和地之間加一個很小的退耦電容;(4)采用混合接地方法，各電路單元的地總線在電源濾波器處單點連接。(5)在直流母線和控制器電源輸入端之間接濾波器，美國Raytheon公司［8］研制了一種有源線性濾波器，可以有效的抑制諧波，如圖13所示。

圖13 美國Raytheon公司有源線性濾波器Fig.13 Active ripple filter of Raytheon Co.

3.6 保護電路和可靠性設計

低溫制冷機控制器為了防止突然啟動時壓縮機活塞撞缸，必須施加相應的緩啟動裝置［30-31］以及過流、過壓保護電路。

低溫制冷機控制器在軌運行時，是暴露在充滿高能粒子和宇宙射線的空間惡劣環(huán)境中的，所以控制器空間抗輻射設計是非常重要的。制冷機控制器的抗輻射設計主要考慮輻射帶和宇宙線的總劑量效應和單粒子效應的防護問題，一般采用局部屏蔽、系統(tǒng)優(yōu)化等方法進行總劑量防護，而單粒子效應防護盡量采用軟件方法［17］。低溫制冷機控制器的熱設計對于提高控制器的可靠性方面也很重要，控制器熱設計的主要目標是將元器件的熱耗有效的傳給設備底板和設備殼體，確?？刂破髡＿\行器件，元器件不受熱應力的損壞?？臻g中控制器的熱設計主要從設備的熱傳導和輻射傳熱兩個方面進行考慮。

4 總結與展望

隨著近年來越來越多的儀器和設備的運行和發(fā)展離不開低溫制冷技術，尤其是空間技術中的紅外探測器和X射線探測器等，空間工業(yè)一直希望采用機械制冷機來獲得比輻射制冷溫度低很多、比固體制冷劑運行壽命長得多的低溫技術，以供科學研究和空間觀測之用，空間工業(yè)對斯特林和脈管制冷機進行了廣泛的研究和開發(fā)。而控制器是斯特林和脈管制冷機系統(tǒng)中必不可少的一個部分，其性能直接影響了制冷機系統(tǒng)的可靠性。因為空間應用對控制器有很多特殊的要求，比如:重量小、效率高、抗輻射干擾、高可靠性、高溫度控制精準度和穩(wěn)定性、最大限度地減小振動，以及提供對制冷機的保護和在軌診斷等。開環(huán)控制結構簡單但效果作用有限，所以空間上普遍采用閉環(huán)控制技術。

隨著微處理器和大冷量的小型低溫制冷機性能的逐步提高，基于DSP或FPGA核心的制冷機控制器成為斯特林和脈管制冷機控制系統(tǒng)的技術已基本成熟，但在具體應用中中國的研究尚存在以下若干技術問題需要注意和優(yōu)化。

(1)控制算法。隨著對制冷機系統(tǒng)溫控精度的要求越來越高，性能優(yōu)越的控制器顯得越發(fā)的重要，而控制算法又是影響冷頭溫控精度的最重要因素之一。迄今為止，PID算法控制仍然是斯特林和脈管制冷機控制器中最常用的控制算法，但傳統(tǒng)的PID算法無法突破制冷機系統(tǒng)的滯后、時變性和非線性等特性造成的誤差，對PID參數(shù)進行精確的整定。隨著現(xiàn)代控制理論和智能控制理論的發(fā)展，各種新算法的不斷涌現(xiàn)為控制系統(tǒng)的設計開辟了新的途徑，將自適應控制、預測控制和模糊控制等理論應用于PID控制器，對PID控制的參數(shù)進行自整定，以滿足制冷機的特性。從表3中可以看出，中國國內的控制器溫控精度還落后與歐美世界水平，加強對制冷機模型的認識理解以及如何將新型控制算法與傳統(tǒng)PID算法有效地結合起來將成為國內研究人員的立足點。

(2)控制器效率。從表3中可以看出，歐美發(fā)達國家制冷機控制器效率最高已經達到96%，而中國國內控制器的效率還遠低于這個水平。制冷機控制器的功率消耗主要集中在H橋驅動電路模塊，如何提高逆變器的轉換效率是提高整個控制器效率的關鍵。提升逆變器效率的方法主要為:1)軟開關逆變器拓撲;2)新型功率開關器件;3)新型控制策略如空間矢量脈管調制(SVM)技術。

(3)模塊化。從長遠角度看，通用型模塊化設計是節(jié)省成本的重要手段，模塊化設計允許利用設計良好的通用硬件結構，僅通過修改軟件代碼［2］和增刪驅動卡的數(shù)量［1］即可滿足不同的制冷機需求，歐美發(fā)達國家已經對制冷機模塊化設計進行了很多嘗試，而中國國內的研究還剛剛起步。

對于未來空間用低溫制冷機控制器的發(fā)展是在保證控制精度和響應速度的前提下，并且考慮對震動的抑制以及適應空間惡劣環(huán)境的基礎上，以最小的重量提供最大的功率輸出，進而得到最大的制冷量。

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