便携式制冷系统恒温控制技术研究

艾凤明，马瑞卿

(西北工业大学，陕西西安710072)

0 引 言

便携式制冷设备在很多场合都有着广泛的应用前景，日益引起人们的重视，如医疗救护时疫苗和血浆的贮藏，野外作业时试验样本的恒温保存等。

近年来，随着微电子机械系统(MEMS)的迅速发展，新型精细加工方法使得便携式制冷装置的微型化和轻量化成为可能［1］。一般常用的制冷方式有相变制冷、气体膨胀制冷、涡流管制冷和半导体制冷等等。在相变制冷方式中，蒸汽压缩式制冷因制冷温度范围广、制冷效率高等优点而得到了广泛运用。稀土永磁无刷直流电动机因其具有效率高、体积小、质量轻、噪声小等特点和优越的调速控制性能，特别适合用作蒸汽压缩式制冷系统中压缩机驱动电机［2－5］。

本文针对便携式恒温制冷系统压缩机用无刷直流电动机，重点研究了温度、转速双闭环控制技术，并采用高性能dsPIC30F2010单片机，给出了宽范围工作电压下控制器的软硬件设计与实现。

1 蒸汽压缩式制冷原理

由于便携式制冷系统与外界环境始终存在温差，所产生的渗入热Q1:

式中:K为导热系数;TA、TB分别为环境温度和系统温度;A为系统表面积;D为厚度。

根据蒸汽压缩式制冷原理，制冷量Q2与制冷剂的质量流量m成正比，即:

式中:q为制冷剂单位质量制冷量，而m又与压缩机转速n成正比例函数关系，即:

式中:f为制冷剂质量流量与压缩机转速的函数关系，不同结构的压缩机此关系式不同，则有:

根据热工理论，当渗入热同制冷量相等时，系统内能不变，温度恒定，则有:

由此可见，当环境温度一定的情况下，压缩机转速和系统温度一一对应，所以可以通过调节压缩机的转速，实现恒温控制［6］。

2 控制器设计

便携式恒温制冷系统控制结构框图如图1所示。为实现恒温调节的快速性和高精度，采用温度与速度串联的双闭环控制方法。其中，温度作为外环，温度给定与系统的实际温度经温度调节器处理后，其输出作为速度信号的参考值，再与速度信号的反馈值一起送至速度调节器，其输出作为PWM的控制信号，产生相应占空比的PWM斩波，经过驱动电路去调节三相桥式逆变器的实际输出电压，由此可通过调节无刷直流电动机的转速，最终实现系统的恒温控制。

图1 温度、转速双闭环控制框图

PWM控制采用无反向电流上下臂功率管轮流斩波的PWM调制方式(PWM_ON型)［7］。在调制过程中，上桥臂或下桥臂的功率开关都参与斩波调制，在不增加功率开关的动态损耗的同时，既解决了由单管调制所造成的功率开关散热不均问题，又提高了系统的可靠性。

2.1 硬件设计

便携式制冷恒温系统控制器硬件电路结构如图2所示。它主要包括控制电路、辅助电源、功率驱动、保护电路四部分。

图2 系统硬件控制原理图

(1)控制电路设计

在控制系统中，采用了美国Microchip公司的dsPIC30F2010作为主控芯片。该芯片是一款专门为电机嵌入式控制应用而设计的28引脚16位MCU，可用于控制交流感应电机、无刷直流电动机和普通直流电机等，有着丰富的外围模块，可降低开发成本。

dsPIC30F2010利用内部的ADC，对模拟接口的电流、电压进行采样，通过判断其大小来决定是否有过流或过欠压现象，由PWM输出锁定来实现系统的保护。无刷直流电动机转子霍尔位置信号送入单片机捕捉口，经电平采样后确定霍尔位置，实现正确的逻辑换相，同时通过内部计算得到电机的转速，最后输出一定占空比的六路PWM波，保证电机正常运行。

(2)辅助电源设计

便携式设备一般采用直流电源，常用的供电电压为12 V或24 V。为使系统控制器能在较宽的输入电压范围内都能正常工作，需要设计高效的5 V、15 V稳压电源。

本文设计的15 V稳定电源由8～30 V范围内的电源，经过 Sepic型DC/DC电源变换电路转换后得到。Sepic电源变换拓扑图如图3所示，通过改变开关管的占空比来控制其输出电压的大小。

本文选用国家半导体公司(NSC)的LM3478电源控制芯片来实现［8］。其工作电压范围为2.97～40 V，最大电流为1 A，足以满足系统要求，电路原理图如图4所示。

图3 Sepic电源变换拓扑图

图4 15 V辅助电源电路原理图

系统电源经RC滤波后给LM3478供电，输出电压经R106、R102分压后，得到反馈电压，由FB口反馈给LM3478芯片，芯片将根据反馈电压调节占空比大小，由DR口输出开关管驱动信号驱动Q7，最终得到+15 V稳定电压。由 C102、C103、R101组成的频率补偿电路将极点重新配置，以保证控制回路不发生震荡。R103控制电源控制芯片的开关频率。R105对电流进行采样后输入到Isen端，作为其内部电流保护参考值。开关管选择IR公司的IRFL024N，其额定电流为2.8 A。

5 V电源选择Buck变换器将+15 V转化为+5 V。这里选用NSC公司的LM2594－5电源控制芯片来实现［9］，该电源控制芯片只需要较少的外围电路便能得到稳定的+5 V输出，电路原理图如图5所示，其中 C110、L4、C111组成滤波电路，可大大减小纹波。而且采用R107实现控制地与功率地的单点共地，D102起续流作用。

图5 5 V辅助电源电路原理图

(3)主功率及驱动电路

主功率采用三相逆变桥电路。开关器件选用功率MOSFET，具有开关速度快、驱动功率小、无二次击穿、安全工作区宽、过载能力强等优点，特别适合应用在小功率无刷直流电动机控制系统中。本系统选用IR公司的IRFI3205作为功率开关器件。其额定电压为55 V，额定电流为64 A，能够满足本系统的要求。而TO220－FULLPAK封装的IRFI3205具有2.5 kV的隔离电压，使得功率较大时，散热器的安装十分方便。

功率驱动芯片采用IR公司的IR2010。其瞬时峰值驱动电流达3 A，耐压200 V，该芯片集驱动、死区、过流保护等功能于一体，既简化了设计复杂度，又满足了系统要求。

2.2 软件设计

系统软件采用结构化设计，整个控制系统的软件主要由主函数和中断服务程序组成。在主函数中，系统上电后，先进行系统的初始化，通过调用各模块初始化程序，完成系统的端口配置和参数设置。然后进入主循环，在主循环中完成故障的处理、系统的运行状态控制和上位机的通信等。

中断服务程序主要包括定时中断、霍尔位置变化中断及ADC中断，定时中断程序流程图如图6所示。在起动阶段，调用软起动程序以减小起动时的电流冲击。正常运行状态下，先进行温度环的调节。温度调节器采用大温差全速制冷、小温差PI调节的分段控制方法。当温差较大时，应使压缩机全速工作，使系统温度以最快速接近设定值;当温差小到一定值时，采用PI调节方式，以减小大惯量系统可能产生的超调，这样既能使系统在大误差下快速、稳定地达到温度设定值，又可在小误差下通过速度PI调节器使得压缩机转速基本保持稳定，并以低转速运行来维持系统温度的恒定，减少反复起动过程中的能量损耗，达到节能的目的。最后根据速度环的输出更新PWM波占空比，以调节压缩机的转速。

霍尔捕获中断中完成无刷直流电动机的换相，以保证其正常运转，同时根据捕获值计算出电机转速，作为转速闭环的反馈值。同时在A/D中断中，根据电压、电流的采样值，完成过欠压保护及电流的软保护。

图6 T1中断程序流程图

3 实验结果

本次分别利用12 V和24 V无刷直流电动机对控制器进行测试，根据制冷原理，本文以转速闭环来验证系统的工作特性。由图9可以看出，当转速给定为500 r/min、1 000 r/min、3 000 r/min 时，每分钟记录一次转速，得到的转速闭环效果良好，转速闭环误差在5%以内。

图9 转速闭环

系统采用PWM_ON调制方式，A相桥臂的驱动波形如图10所示(其中，上图为上桥MOSFET驱动波形，下图为下桥臂MOSFET驱动波形)，可以明显地看出，在每120°导通角中，前60°为PWM斩波控制，后60°为恒通。图11表明，电流过载超过8 A后，电流在电流截止保护的作用下，基本维持在保护设置值8 A。图12表明，系统分别在8 V、30 V供电条件下，辅助电源均能够稳定地输出15 V，保证控制器在较宽的范围内均能正常工作。从图13a、图13b的对比中可以明显看出，直接起动的母线电流峰值是采用软起动后母线电流的4倍。这表明，软起动能有效地减小电流冲击。

4 结 论

(1)采用Sepic升降压型DC/DC电源变换电路，使得控制器能够在较宽的供电范围内稳定工作，系统可靠性高;

(2)采用大温差全速制冷、小温差PI调节的控制策略，能使系统快速、稳定地达到预定的温度;

(3)通过调节压缩机的转速，使得压缩机以较低转速来维持系统温度的恒定，达到了直流变频调节的目的，具有一定的节能效果;

(4)电流截止能够有效地实现对电流的保护，而软起动能够有效地改善起动时的电流应力。

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［8］National Semiconductor Corporation.LM3478/LM3478Q High Efficiency Low－Side N－Channel Controller for Switching Regulator［EB/OL］.2009.http//www.national.com.

［9］LM2594/LM2594HV SIMPLE SWITCHER·Power Converter 150 kHz 0.5A Step－Down Voltage Regulator.http://www.national.com.