[發明專利]基于半導體制冷的多級精密快速溫度反饋控制系統

在審

• 申請號: 202010026154.3
• 申請日: 2020-01-10
• 公開（公告）號: CN111142594A
• 公開（公告）日: 2020-05-12
• 發明（設計）人: 魏巍;李加勝;黃小津;路傲軒;劉品寬
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院機械制造工藝研究所
• 主分類號: G05D23/24
• 分類號: G05D23/24;G05B11/42
• 代理公司: 成都行之專利代理事務所(普通合伙) 51220
• 代理人: 熊曦

本發明公開了基于半導體制冷的多級精密快速溫度反饋控制系統，以解決對環境局部區域的溫度場的溫度及溫度梯度實現高精度控制的問題，本發明采用PID控制，研制了一種可滿足高精度、快速的溫度反饋控制系統所述系統包括：控制器、半導體致冷器及其驅動電路、風扇及其驅動電路、鉑電阻及其測溫電路和腔體；鉑電阻安裝在腔體內，鉑電阻測溫電路用于測量鉑電阻的溫度信號，并將溫度信號傳遞給控制器，控制器用于基于溫度信號控制半導體致冷器驅動電路和風扇及驅動電路，半導體致冷器驅動電路驅動半導體致冷器對腔體內部進行溫度控制，風扇及驅動電路驅動風扇對腔體內部進行溫度控制。

技術領域

本發明涉及超精密加工中的精密溫控領域，具體地，涉及一種基于半導體制冷的多級精密快速溫度反饋控制系統。

背景技術

對超精密工件制造過程中，超精密加工機床精度受環境溫度影響嚴重，電機等部件發熱引起不同材料的熱膨脹，機械結構在受力不均時將產生熱變形而影響切削效果。因此，提高超精密加工機床周圍環境溫度的穩定性是可改善其加工效果的有效手段。環境氣體作為超精密加工機床的外部熱源之一，一般可通過熱傳遞、熱對流的方式影響加工材料及超精密機床結構件的溫度，同時絕對零度以上的物體之間如環境對材料表面，均存在相互的熱輻射作用，這些系統以外的擾動量對超精密加工精度的影響不可預知；而對于超精密切削機床，驅動電機及液壓裝置帶來的耗散熱，切削過程中刀尖及工件材料之間、機床結構件之間的相對運動產生的摩擦熱等內部熱源也是影響環境溫度的部分因素，同樣為環境溫度控制帶來一定挑戰。不同空間大小、溫度區間、精度要求及控制時間要求，溫控載體和控制方法則不盡相同。溫控系統的控制中，溫度反饋量的變化延遲性較大，組件控制產生的加熱或制冷效果的延遲也較大。

發明內容

為解決對環境局部區域的溫度場的溫度及溫度梯度實現高精度控制的問題，溫控系統的控制中，溫度反饋量的變化延遲性較大，組件控制產生的加熱或制冷效果的延遲也較大，本發明采用PID控制，研制一種可滿足高精度、快速的溫度反饋控制系統。

圖1為本發明所設計的一種由控制器、半導體致冷器、風扇的驅動電路、鉑電阻測溫電路、風扇、鉑電阻及除濕隔熱的被控腔體等共同組成精密溫控系統的架構。系統架構由控制系統及電學系統組成，控制系統通過風扇、半導體的驅動電路，通過自然對流及強制對流為系統被控腔體供給冷量和熱量，腔體的測溫點通過鉑電阻感知其溫度，并由測溫電路反饋具有溫度信息的信號至控制器，控制器則不斷計算系統控制量的偏差給出不同的信號以完成控制系統中的反饋控制。

為解決上述難題，設計了一種鉑電阻測溫系統，圖2所示，該系統共由6部分組成：上位機發送通斷指令信號至供電系統決定其工作狀態；穩壓電路將U_s轉化為鉑電阻電橋的直流電壓U_i；溫度變化將導致電橋不平衡，因此產生的壓差U₀進入同樣由直流電源供電的信號放大電路；輸出電壓U₀′傳輸至dSPACE控制器，并通過相應的算法將其換算為溫度值，由上位機程序界面顯示記錄。

為解決以上鉑電阻測溫的技術難題，根據上述鉑電阻測溫系統架構，設計了實現電源穩壓功能，削弱引線電阻分壓引入的系統誤差的電橋電路，以及實現電橋輸出信號放大并減小電路布線引入的紋波的信號采集放大功能的電路。測溫系統電路通過輸出信號U₀′與dSPACE 控制器通過BNC接口進行信號傳輸，dSPACE將信號傳輸至上位機，通過程算法進行數據的處理及補償，最終得到給定采樣周期內的溫度平均值T_x。

半導體制冷片的驅動電路將主要包含集成運放芯片、場效應管、部分用于改變放大倍數的電阻及可變電阻。圖4為所設計的一種可滿足TEC得到不同輸入電壓的TEC驅動電路，該電路設計的目的是使dSPACE給出的輸入電壓V_input被轉化為通過半導體制冷片的電流i_D，并且電流i_D的大小不受負載電阻的變化而變化，即電路除負載以外的電路可等效為一可驅動高負載的恒流源。