斯特林制冷机调试测控仪的设计

李元明，魏广，孙述泽，许国太，于锟锟

（兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室，兰州73000）

斯特林制冷机调试测控仪的设计

李元明，魏广，孙述泽，许国太，于锟锟

（兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室，兰州73000）

斯特林制冷机是一种较为复杂的机电一体化产品，调试过程对制冷机的性能影响较为明显，文章介绍了一种应用于斯特林制冷机调试过程的测控仪，叙述了测控仪的总体电路，重点介绍了与调试过程相关的电路单元，如功能设置、频率调控、幅度调控以及参数显示等，测控仪将供电、测量、参数调控、驱动控制及参数显示集成与一体，与传统的采用专用电源和计算机软件进行调试的方法相比，具有体积小、连接以及操作简单、直观、携带方便的特点，在制冷机的调试过程中得到了较好的应用。

斯特林制冷机；DSP；调试；频率调控；幅度调控

0 引言

斯特林制冷机广泛的应用于红外探测器、超导滤波器等场合的冷却。调试过程是斯特林制冷机研发的重要过程之一，通过调试可以获得最佳的工作参数，保证斯特林制冷机的性能指标。频率是影响制冷机相位的最重要参数，通过调节制冷机的工作频率可以实现压缩机的近谐振工作和适宜的相位工作[1]。为了保证系统的可靠性，同时节省空间，大多数与斯特林制冷机配套的专用控制器只具有基本功能，不具备调试功能。调试测控仪主要针对斯特林制冷机的调试过程，调试出最优参数后，将参数固化到专用的控制器中运行。文章重点叙述了仪器与调试相关的功能及设计。

1 斯特林制冷机调试测控仪参数及功能确定

斯特林制冷机采用牛津型结构[2]，用两个直线电机对置安装，工作的时候直线电机做往复运动驱动压机工作，所以调试测控仪需要提供两路直线电机的驱动控制信号。同型号不同制冷机的最佳工作频率是不同的，由于设计以及生产过程的控制，斯特林制冷机的最佳运行频率基本上在45～54 Hz范围内，调试测控仪器的频率调节范围也定为45～54 Hz。调试过程中需要改变驱动电压信号的幅度，电机驱动电压应在0 V到供电电压之间可调。空载状态下斯特林制冷机冷头的极限最低温度可达45 K左右，将测温范围定为40～320 K，为了在低温段进一步提高测温分辨率，对40～90 K的范围进行精测。

调试测控仪不仅可以调测参数，还应具有专用控制器的功能，通过功能开关选择调试测控仪的工作模式，工作模式分为调试模式和运行模式，在调试模式下可进行驱动信号频率和幅度的调节；在运行模式可模拟专用控制器的运行功能。

2 调试测控仪电路的总体方案

调试测控仪的电路框图如图1所示。

图1 调试测控仪的电路框图Fig.1 Circuit frame chartof debug and control instrument

调试测控仪以DSP（TMS320C240）为控制核心，DSP提供SPWM和DIR[3]信号分别控制两只LMD18200实现制冷机的驱动与控制。斯特林制冷机采用“牛津型”结构[3]，两台压机的工作完全是反向的，所以两只LMD18200的输出与压机连接时应确保相位相反。关于斯特林制冷机控制驱动[3]部分以及测量电路的内容叙述较多，这里不再细述。

工作频率和幅度调节采用普通电位器结合软件方式实现，工作模式通过开关设置切换。产品同时具备工作参数实时显示功能，调试测控仪内部集成了高稳定性能的AC-DC电源，具有过压过流保护以及输出电压可调（24～36 V）功能。

3 主要调试功能实现

3.1 功能设置

调试测控仪的参数调节以及工作模式控制电路如图2所示，开关K1～K4分别与DSP的通用IO口IOPC3～IOPC6相连，通过软件识别IO口电平的高低，判断开关的状态，执行相应的功能程序。具体功能额有：

（1）K1接通时调试测控仪处于开机状态，可以调试参数或自动运行；K1断开时测控仪处于停机状态，不能调试参数或自动运行；

（2）K2接通时调试测控仪处于调试状态，可以调试频率或幅度参数；K2断开时测控仪处于自动运行状态，不能调节参数；

（3）当调试测控仪处于调试状态时（K2接通），K3接通，可以进行频率调控;K3断开时可以进行幅度调控；

（4）当调试测控仪处于运行状态时（K2断开），K4接通，自动按控温方式运行，驱动电压幅度逐渐增加到最大，待制冷机温度到达控温点附近时按照控温策略自动调节驱动电压幅度，直至制冷机进入设定的温度平衡状态；K4断开，自动按最低温方式运行，驱动电压幅度逐渐增加到幅度最大，直至制冷机进入性能所能达到的最低温平衡状态。

图2 调节参数及工作模式控制电路图Fig.2 Control circuitof parameteradjustand workmodel

3.2 参数调控

3.2.1 频率调控

频率调控就是改变斯特林制冷机的运行频率，根据功能设置，只有在调试模式下（K2接通）以及选择频率时（K3接通）才可以进行，通过旋转频率调控电位器（WR2），改变DSP的ADCIN5的输入电压，通过DSP的AD转换得到新的频率参数，液晶屏会显示新参数，由软件实现变频。DSP内部具有10位[4]的AD转换器，最大转换值为1 024，实际的AD转换程序中连续采样转换两次并累加，这样得到的ADCIN5数值范围是0～2 048，将该数值除以1 024然后乘以500，将数值的范围变换为0～1 000，作为频率系数，将此值平均分配并于频率值对应。频率率数值范围在0～100时对应45 Hz，采样值每增加100时，对应频率值增加1 Hz，采样值范围在900～1 000时对应54 Hz。

频率调控电位器只是调节到所需的频率值，实际运行频率的改变并不是马上进行，随意的改变正在运行的制冷机的频率会严重影响制冷机的安全，会导致驱动波形突变，损伤制冷机，为此必须严格控制。频率改变必须在驱动波形（正弦）过零点时进行，也就是定时中断程序中在换向时用新的参数替换原有的参数，软件流程如图3所示。

3.3.2 幅度调控

幅度调控就是改变斯特林制冷机压机的运行幅度，根据功能设置，只有在调试模式下（K2接通）以及选择幅度时（K3断开）才可以进行，通过旋转幅度调控电位器（WR1），改变DSP的ADCIN4的输入电压，通过DSP的AD转换得到新的幅度系数，液晶屏会实时显示新参数，由软件实现幅度变换，流程如图3所示。幅度调控的采样值采用与频率调控相同的处理方式，将采样值的范围变换为0～1 000，作为幅度系数，实际调控时，幅度系数是以10为单位递变的，10以下的变化太小可忽略。

图3 参数调控软件流程图Fig.3 Soft flow chartof parameteradjust

3.3 显示电路

图4为显示功能电路，HB12864M1是智能中文液晶显示器[5]，可以显示汉字、ASCII码、点阵图形，具有标准UART通讯接口，与DSP接口电路简单可靠。调试测控仪电路即可以由液晶显示器实时显示参数，同时设计了485接口，可与上位机通信。串行数据的切换由电子开关74HC257完成，当跳线JP1接入时，74HC257的A通道接通，DSP与上位机通信；当跳线JP1不接入时，74HC257的B通道接通，此时DSP与液晶显示器交换数据。显示子程序在主程序中循环调用，显示制冷机的工作频率、压机幅度系数、精测温度、粗测温度以及压机电流参数，约0.5 s刷新一遍。

图4 显示功能电路图Fig.4 Circuitdiagram of display function

4 产品调试方法

4.1 初步调试

斯特林制冷机生产装配完成后进行调试时，先将调试测控仪置于关机（K1断开），连接好电缆后先将调试测控仪置于调试模式（K2接通），选择幅度调节功能（K3断开），将幅度调节电位器逆时针旋转到最小，检查无误后开机（接通K1），将幅度系数由最小逐渐加大，观察显示屏，初期最好小于100，同时观察制冷机的运行状态是否平稳，是否有异响，用示波器观察波形是否有畸变，然后逐渐加大幅度，同时观察温度显示值，应该有明显下降的趋势。若在这一过程中出现异响或波形明显畸变，应立即停机（K1断开）或快速减小幅度（逆时针旋转幅度调节电位器）。当幅度系数逐渐加大到最大值1 000时制冷机的运行状态依然平稳，说明制冷机的基本功能正常。

4.2 优化调试

完成初步调试后，再进行制冷机的工作频率与充气压力[1]的优化调试，调试出最佳的频率参数。

5 结束语

调试测控仪是专门服务于斯特林制冷机的前期性能调试以及参数优化，目的就是使调试工作更加便捷、安全，设计的调试测控仪将供电、测量、参数调控、驱动控制及参数显示集成与一体，与传统的采用专用电源和计算机软件进行调试的方法相比，具有体积小、连接以及操作简单、直观、携带方便的特点，可以很方便的对斯特林制冷机进行调试及试验，同时调节过程受到限制，可以防止随意调节参数对制冷机造成不必要的损伤，起到安全保护作用。测控仪在制冷机的调试过程中得到了较好的应用。

[1]孙述泽，许国太，闫春杰，等.工作参数对斯特林制冷机性能影响分析[J].低温工程，2012（5）：51-53.

[2]魏广，马少君，姜继善，等.星用牛津型斯特林制冷机驱动方案综述[J].真空与低温，2011，17（s1）：640-645.

[3]王晓明，电动机的单片机控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.

[4]刘和平.TMS320LF240XDSP结构、原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，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，甘肃人，高级工程师，从事空间低温测控技术研究。Email：lym66620@sohu.com。