李元明，魏廣，孫述澤，許國太，于錕錕

（蘭州空間技術物理研究所真空技術與物理重點實驗室，蘭州73000）

斯特林制冷機調(diào)試測控儀的設計

李元明，魏廣，孫述澤，許國太，于錕錕

（蘭州空間技術物理研究所真空技術與物理重點實驗室，蘭州73000）

斯特林制冷機是一種較為復雜的機電一體化產(chǎn)品，調(diào)試過程對制冷機的性能影響較為明顯，文章介紹了一種應用于斯特林制冷機調(diào)試過程的測控儀，敘述了測控儀的總體電路，重點介紹了與調(diào)試過程相關的電路單元，如功能設置、頻率調(diào)控、幅度調(diào)控以及參數(shù)顯示等，測控儀將供電、測量、參數(shù)調(diào)控、驅(qū)動控制及參數(shù)顯示集成與一體，與傳統(tǒng)的采用專用電源和計算機軟件進行調(diào)試的方法相比，具有體積小、連接以及操作簡單、直觀、攜帶方便的特點，在制冷機的調(diào)試過程中得到了較好的應用。

斯特林制冷機；DSP；調(diào)試；頻率調(diào)控；幅度調(diào)控

0 引言

斯特林制冷機廣泛的應用于紅外探測器、超導濾波器等場合的冷卻。調(diào)試過程是斯特林制冷機研發(fā)的重要過程之一，通過調(diào)試可以獲得最佳的工作參數(shù)，保證斯特林制冷機的性能指標。頻率是影響制冷機相位的最重要參數(shù)，通過調(diào)節(jié)制冷機的工作頻率可以實現(xiàn)壓縮機的近諧振工作和適宜的相位工作[1]。為了保證系統(tǒng)的可靠性，同時節(jié)省空間，大多數(shù)與斯特林制冷機配套的專用控制器只具有基本功能，不具備調(diào)試功能。調(diào)試測控儀主要針對斯特林制冷機的調(diào)試過程，調(diào)試出最優(yōu)參數(shù)后，將參數(shù)固化到專用的控制器中運行。文章重點敘述了儀器與調(diào)試相關的功能及設計。

1 斯特林制冷機調(diào)試測控儀參數(shù)及功能確定

斯特林制冷機采用牛津型結(jié)構[2]，用兩個直線電機對置安裝，工作的時候直線電機做往復運動驅(qū)動壓機工作，所以調(diào)試測控儀需要提供兩路直線電機的驅(qū)動控制信號。同型號不同制冷機的最佳工作頻率是不同的，由于設計以及生產(chǎn)過程的控制，斯特林制冷機的最佳運行頻率基本上在45～54 Hz范圍內(nèi)，調(diào)試測控儀器的頻率調(diào)節(jié)范圍也定為45～54 Hz。調(diào)試過程中需要改變驅(qū)動電壓信號的幅度，電機驅(qū)動電壓應在0 V到供電電壓之間可調(diào)。空載狀態(tài)下斯特林制冷機冷頭的極限最低溫度可達45 K左右，將測溫范圍定為40～320 K，為了在低溫段進一步提高測溫分辨率，對40～90 K的范圍進行精測。

調(diào)試測控儀不僅可以調(diào)測參數(shù)，還應具有專用控制器的功能，通過功能開關選擇調(diào)試測控儀的工作模式，工作模式分為調(diào)試模式和運行模式，在調(diào)試模式下可進行驅(qū)動信號頻率和幅度的調(diào)節(jié)；在運行模式可模擬專用控制器的運行功能。

2 調(diào)試測控儀電路的總體方案

調(diào)試測控儀的電路框圖如圖1所示。

圖1 調(diào)試測控儀的電路框圖Fig.1 Circuit frame chartof debug and control instrument

調(diào)試測控儀以DSP（TMS320C240）為控制核心，DSP提供SPWM和DIR[3]信號分別控制兩只LMD18200實現(xiàn)制冷機的驅(qū)動與控制。斯特林制冷機采用“牛津型”結(jié)構[3]，兩臺壓機的工作完全是反向的，所以兩只LMD18200的輸出與壓機連接時應確保相位相反。關于斯特林制冷機控制驅(qū)動[3]部分以及測量電路的內(nèi)容敘述較多，這里不再細述。

工作頻率和幅度調(diào)節(jié)采用普通電位器結(jié)合軟件方式實現(xiàn)，工作模式通過開關設置切換。產(chǎn)品同時具備工作參數(shù)實時顯示功能，調(diào)試測控儀內(nèi)部集成了高穩(wěn)定性能的AC-DC電源，具有過壓過流保護以及輸出電壓可調(diào)（24～36 V）功能。

3 主要調(diào)試功能實現(xiàn)

3.1 功能設置

調(diào)試測控儀的參數(shù)調(diào)節(jié)以及工作模式控制電路如圖2所示，開關K1～K4分別與DSP的通用IO口IOPC3～IOPC6相連，通過軟件識別IO口電平的高低，判斷開關的狀態(tài)，執(zhí)行相應的功能程序。具體功能額有：

（1）K1接通時調(diào)試測控儀處于開機狀態(tài)，可以調(diào)試參數(shù)或自動運行；K1斷開時測控儀處于停機狀態(tài)，不能調(diào)試參數(shù)或自動運行；

（2）K2接通時調(diào)試測控儀處于調(diào)試狀態(tài)，可以調(diào)試頻率或幅度參數(shù)；K2斷開時測控儀處于自動運行狀態(tài)，不能調(diào)節(jié)參數(shù)；

（3）當調(diào)試測控儀處于調(diào)試狀態(tài)時（K2接通），K3接通，可以進行頻率調(diào)控;K3斷開時可以進行幅度調(diào)控；

（4）當調(diào)試測控儀處于運行狀態(tài)時（K2斷開），K4接通，自動按控溫方式運行，驅(qū)動電壓幅度逐漸增加到最大，待制冷機溫度到達控溫點附近時按照控溫策略自動調(diào)節(jié)驅(qū)動電壓幅度，直至制冷機進入設定的溫度平衡狀態(tài)；K4斷開，自動按最低溫方式運行，驅(qū)動電壓幅度逐漸增加到幅度最大，直至制冷機進入性能所能達到的最低溫平衡狀態(tài)。

圖2 調(diào)節(jié)參數(shù)及工作模式控制電路圖Fig.2 Control circuitof parameteradjustand workmodel

3.2 參數(shù)調(diào)控

3.2.1 頻率調(diào)控

頻率調(diào)控就是改變斯特林制冷機的運行頻率，根據(jù)功能設置，只有在調(diào)試模式下（K2接通）以及選擇頻率時（K3接通）才可以進行，通過旋轉(zhuǎn)頻率調(diào)控電位器（WR2），改變DSP的ADCIN5的輸入電壓，通過DSP的AD轉(zhuǎn)換得到新的頻率參數(shù)，液晶屏會顯示新參數(shù)，由軟件實現(xiàn)變頻。DSP內(nèi)部具有10位[4]的AD轉(zhuǎn)換器，最大轉(zhuǎn)換值為1 024，實際的AD轉(zhuǎn)換程序中連續(xù)采樣轉(zhuǎn)換兩次并累加，這樣得到的ADCIN5數(shù)值范圍是0～2 048，將該數(shù)值除以1 024然后乘以500，將數(shù)值的范圍變換為0～1 000，作為頻率系數(shù)，將此值平均分配并于頻率值對應。頻率率數(shù)值范圍在0～100時對應45 Hz，采樣值每增加100時，對應頻率值增加1 Hz，采樣值范圍在900～1 000時對應54 Hz。

頻率調(diào)控電位器只是調(diào)節(jié)到所需的頻率值，實際運行頻率的改變并不是馬上進行，隨意的改變正在運行的制冷機的頻率會嚴重影響制冷機的安全，會導致驅(qū)動波形突變，損傷制冷機，為此必須嚴格控制。頻率改變必須在驅(qū)動波形（正弦）過零點時進行，也就是定時中斷程序中在換向時用新的參數(shù)替換原有的參數(shù)，軟件流程如圖3所示。

3.3.2 幅度調(diào)控

幅度調(diào)控就是改變斯特林制冷機壓機的運行幅度，根據(jù)功能設置，只有在調(diào)試模式下（K2接通）以及選擇幅度時（K3斷開）才可以進行，通過旋轉(zhuǎn)幅度調(diào)控電位器（WR1），改變DSP的ADCIN4的輸入電壓，通過DSP的AD轉(zhuǎn)換得到新的幅度系數(shù)，液晶屏會實時顯示新參數(shù)，由軟件實現(xiàn)幅度變換，流程如圖3所示。幅度調(diào)控的采樣值采用與頻率調(diào)控相同的處理方式，將采樣值的范圍變換為0～1 000，作為幅度系數(shù)，實際調(diào)控時，幅度系數(shù)是以10為單位遞變的，10以下的變化太小可忽略。

圖3 參數(shù)調(diào)控軟件流程圖Fig.3 Soft flow chartof parameteradjust

3.3 顯示電路

圖4為顯示功能電路，HB12864M1是智能中文液晶顯示器[5]，可以顯示漢字、ASCII碼、點陣圖形，具有標準UART通訊接口，與DSP接口電路簡單可靠。調(diào)試測控儀電路即可以由液晶顯示器實時顯示參數(shù)，同時設計了485接口，可與上位機通信。串行數(shù)據(jù)的切換由電子開關74HC257完成，當跳線JP1接入時，74HC257的A通道接通，DSP與上位機通信；當跳線JP1不接入時，74HC257的B通道接通，此時DSP與液晶顯示器交換數(shù)據(jù)。顯示子程序在主程序中循環(huán)調(diào)用，顯示制冷機的工作頻率、壓機幅度系數(shù)、精測溫度、粗測溫度以及壓機電流參數(shù)，約0.5 s刷新一遍。

圖4 顯示功能電路圖Fig.4 Circuitdiagram of display function

4 產(chǎn)品調(diào)試方法

4.1 初步調(diào)試

斯特林制冷機生產(chǎn)裝配完成后進行調(diào)試時，先將調(diào)試測控儀置于關機（K1斷開），連接好電纜后先將調(diào)試測控儀置于調(diào)試模式（K2接通），選擇幅度調(diào)節(jié)功能（K3斷開），將幅度調(diào)節(jié)電位器逆時針旋轉(zhuǎn)到最小，檢查無誤后開機（接通K1），將幅度系數(shù)由最小逐漸加大，觀察顯示屏，初期最好小于100，同時觀察制冷機的運行狀態(tài)是否平穩(wěn)，是否有異響，用示波器觀察波形是否有畸變，然后逐漸加大幅度，同時觀察溫度顯示值，應該有明顯下降的趨勢。若在這一過程中出現(xiàn)異響或波形明顯畸變，應立即停機（K1斷開）或快速減小幅度（逆時針旋轉(zhuǎn)幅度調(diào)節(jié)電位器）。當幅度系數(shù)逐漸加大到最大值1 000時制冷機的運行狀態(tài)依然平穩(wěn)，說明制冷機的基本功能正常。

4.2 優(yōu)化調(diào)試

完成初步調(diào)試后，再進行制冷機的工作頻率與充氣壓力[1]的優(yōu)化調(diào)試，調(diào)試出最佳的頻率參數(shù)。

5 結(jié)束語

調(diào)試測控儀是專門服務于斯特林制冷機的前期性能調(diào)試以及參數(shù)優(yōu)化，目的就是使調(diào)試工作更加便捷、安全，設計的調(diào)試測控儀將供電、測量、參數(shù)調(diào)控、驅(qū)動控制及參數(shù)顯示集成與一體，與傳統(tǒng)的采用專用電源和計算機軟件進行調(diào)試的方法相比，具有體積小、連接以及操作簡單、直觀、攜帶方便的特點，可以很方便的對斯特林制冷機進行調(diào)試及試驗，同時調(diào)節(jié)過程受到限制，可以防止隨意調(diào)節(jié)參數(shù)對制冷機造成不必要的損傷，起到安全保護作用。測控儀在制冷機的調(diào)試過程中得到了較好的應用。

[1]孫述澤，許國太，閆春杰，等.工作參數(shù)對斯特林制冷機性能影響分析[J].低溫工程，2012（5）：51-53.

[2]魏廣，馬少君，姜繼善，等.星用牛津型斯特林制冷機驅(qū)動方案綜述[J].真空與低溫，2011，17（s1）：640-645.

[3]王曉明，電動機的單片機控制[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002.

[4]劉和平.TMS320LF240XDSP結(jié)構、原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002.

THEDESIGNOF INSTRUMENT TO DEBUG AND CONTROL STIRLING CRYOCOOLER

LIYuan-m ing，WEIguang，SUN Shu-ze，XU GUO-tai，YU Kun-kun
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Instituteof Physics，Lanzhou 730000，China）

Stirling cryocooler is a complexmechanics and electric product.It’s debug processw ill take effecton the performance of cryocooler.This paper introduced themeasurementand control instrument that is used in debug of stirling cryocooler.It also introduced the total circuit of instrument and circuit unit that correlativew ith debug，such as function set，frequency control，amplitude control and parameter display，etc.The instrument is integrated w ith function of power measurement，parameter adjustment，drive control and parameter display.The debug instrument is characterized by small bulk，simple linking and operation and pocket，while comparing w ith conventional debugmeans by specialized power and computer software.The instrumenthasobtained betterapplication in debug of stirling cryocooler.

stirling cryocoler；DSP；debug；frequency control；amplitude control

A

1006-7086（2017）02-0182-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.02.012

2016-11-25

李元明（1966-），男，甘肅人，高級工程師，從事空間低溫測控技術研究。Email：lym66620@sohu.com。