一種低成本的數(shù)字自適應(yīng)tec控溫裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及TEC控溫技術(shù)，具體是一種低成本的數(shù)字自適應(yīng)TEC控溫裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] TEC(Thermoelectric Cooler，半導(dǎo)體致冷器)是一種電子制冷器件，其具有體積 小、可制冷和加熱、壽命長(zhǎng)、無噪聲、可靠性高的特點(diǎn)，因此在中小功率的控溫場(chǎng)合(例如紅 外成像、激光器、航天航空、精密儀器等場(chǎng)合)具有很大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。目前，TEC控溫技術(shù)主要 分為純模擬控溫技術(shù)、專用芯片控溫技術(shù)、模擬數(shù)字混合控溫技術(shù)等。實(shí)踐表明，現(xiàn)有TEC控 溫技術(shù)由于自身原理所限，存在如下問題:其一，現(xiàn)有TEC控溫技術(shù)的控溫過程難以與不同 的熱響應(yīng)特性進(jìn)行匹配、控溫參數(shù)難以更改、控溫狀態(tài)信息難以獲取，一方面導(dǎo)致其控溫功 耗和控溫效率難以優(yōu)化，另一方面導(dǎo)致其難以與更大的系統(tǒng)集成，由此導(dǎo)致其適用范圍嚴(yán) 重受限。其二，現(xiàn)有TEC控溫技術(shù)的電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、器件數(shù)量繁多，導(dǎo)致其控溫精度難以保 證、體積過大、成本過高?；诖?，有必要發(fā)明一種全新的TEC控溫技術(shù)，以解決現(xiàn)有TEC控溫 技術(shù)控溫功耗和控溫效率難以優(yōu)化、適用范圍嚴(yán)重受限、控溫精度難以保證、體積過大、成 本過高的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明為了解決現(xiàn)有TEC控溫技術(shù)控溫功耗和控溫效率難以優(yōu)化、適用范圍嚴(yán)重 受限、控溫精度難以保證、體積過大、成本過高的問題，提供了一種低成本的數(shù)字自適應(yīng)TEC 控溫裝置及方法。
[0004] 本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種低成本的數(shù)字自適應(yīng)TEC控溫裝置，包括 控溫目標(biāo)、溫度傳感器、主控?cái)?shù)字芯片、功率電路單元、濾波扼流單元、TEC芯片;其中，溫度 傳感器的輸入端與控溫目標(biāo)連接;溫度傳感器的輸出端與主控?cái)?shù)字芯片的輸入端連接;主 控?cái)?shù)字芯片的輸出端與功率電路單元的控制端連接;功率電路單元的輸出端與濾波扼流單 元的輸入端連接;濾波扼流單元的輸出端與TEC芯片的輸入端連接;TEC芯片貼裝于控溫目 標(biāo)上。
[0005] 所述溫度傳感器為ADT7410型溫度傳感器。
[0006] 所述主控?cái)?shù)字芯片為內(nèi)置有增量式PID控制器的Μ⑶或CPU或DSP或FPGA或CPLD。 [0007]所述功率電路單元為BD6211型Η橋集成功率芯片或M0S集成功率模塊或IGBT集成 功率模塊。
[0008] 所述濾波扼流單元包括兩個(gè)濾波電感和一個(gè)共模電感;兩個(gè)濾波電感的首端分別 作為濾波扼流單元的兩個(gè)輸入端;兩個(gè)濾波電感的尾端分別與共模電感的兩個(gè)線圈的首端 連接;共模電感的兩個(gè)線圈的尾端分別作為濾波扼流單元的兩個(gè)輸出端。
[0009] 所述增量式PID控制器采用C語言或verilog或VHDL編程實(shí)現(xiàn)。
[0010] -種低成本的數(shù)字自適應(yīng)TEC控溫方法(該方法是采用本發(fā)明所述的一種低成本 的數(shù)字自適應(yīng)TEC控溫裝置實(shí)現(xiàn)的），該方法是采用如下步驟實(shí)現(xiàn)的： a. 主控?cái)?shù)字芯片上電啟動(dòng)，并根據(jù)控溫目標(biāo)的熱響應(yīng)特性依次設(shè)置PWM周期、設(shè)置參考 溫度值、設(shè)置增量式PID控制器的PID系數(shù)、設(shè)置溫差門限閾值、使能功率電路單元，由此完 成主控?cái)?shù)字芯片的初始化； b. 溫度傳感器采集控溫目標(biāo)的實(shí)時(shí)溫度值和環(huán)境溫度值，并將采集到的實(shí)時(shí)溫度值和 環(huán)境溫度值發(fā)送至主控?cái)?shù)字芯片； c. 在每個(gè)PWM周期內(nèi)，主控?cái)?shù)字芯片根據(jù)參考溫度值和接收到的實(shí)時(shí)溫度值計(jì)算實(shí)時(shí) 溫差值，并利用增量式PID控制器判斷計(jì)算出的實(shí)時(shí)溫差值是否屬于超調(diào)； 如果實(shí)時(shí)溫差值屬于超調(diào)，則主控?cái)?shù)字芯片將輸出的PWM占空比設(shè)置為0，由此使得功 率電路單元不工作，從而利用環(huán)境溫度值對(duì)控溫目標(biāo)的實(shí)時(shí)溫度值進(jìn)行自然回調(diào)，使得控 溫目標(biāo)的實(shí)時(shí)溫度值上升或下降至參考溫度值； 如果實(shí)時(shí)溫差值不屬于超調(diào)，則主控?cái)?shù)字芯片將實(shí)時(shí)溫差值與溫差門限閾值進(jìn)行比 較； 如果實(shí)時(shí)溫差值2溫差門限閾值，則主控?cái)?shù)字芯片將輸出的P麗占空比設(shè)置為1，由此 使得功率電路單元以全功率方式工作，功率電路單元的輸出電壓由此先經(jīng)濾波扼流單元進(jìn) 行濾波和扼流，然后以全電壓方式加載到TEC芯片上，TEC芯片由此對(duì)控溫目標(biāo)進(jìn)行加熱或 制冷，從而使得控溫目標(biāo)的實(shí)時(shí)溫度值快速接近參考溫度值； 如果實(shí)時(shí)溫差值< 溫差門限閾值，則主控?cái)?shù)字芯片將增量式PID控制器的輸出值線性 映射到輸出的PWM占空比，由此使得功率電路單元以PWM方式工作，功率電路單元的輸出電 壓由此先經(jīng)濾波扼流單元進(jìn)行濾波和扼流，然后以PWM方式加載到TEC芯片上，TEC芯片由此 對(duì)控溫目標(biāo)進(jìn)行加熱或制冷，從而使得控溫目標(biāo)的實(shí)時(shí)溫度值上升或下降至參考溫度值； 具體的線性映射公式如下：
上式中：Au(k)為增量式PID控制器在k時(shí)刻輸出的增量差值;u(k)為增量式PID控制 器在k時(shí)刻的輸出值;u(k-l)為PID控制器在k-Ι時(shí)刻的輸出值;心為增量式PID控制器的比 例系數(shù)；A e(k)為k時(shí)刻的實(shí)時(shí)溫差值與k-Ι時(shí)刻的實(shí)時(shí)溫差值之差;Ki為增量式PID控制 器的積分系數(shù);e(k)為k時(shí)刻的實(shí)時(shí)溫差值;Kd為增量式PID控制器的微分系數(shù)；Ae(k-l) 為k-1時(shí)刻的實(shí)時(shí)溫差值與k-2時(shí)刻的實(shí)時(shí)溫差值之差。
[0011]與現(xiàn)有TEC控溫技術(shù)相比，本發(fā)明所述的一種低成本的數(shù)字自適應(yīng)TEC控溫裝置及 方法通過采用全新的結(jié)構(gòu)和原理，具備了如下優(yōu)點(diǎn)：其一，本發(fā)明屬于全數(shù)字的TEC控溫技 術(shù)，相較于現(xiàn)有TEC控溫技術(shù)，本發(fā)明的控溫過程可監(jiān)控、控溫參數(shù)可動(dòng)態(tài)配置，因此其能夠 匹配不同的熱響應(yīng)特性，由此其一方面能夠?qū)崿F(xiàn)控溫功耗和控溫效率的最大優(yōu)化，另一方 面能夠與更大的系統(tǒng)集成，從而使得適用范圍不再受限。其二，相較于現(xiàn)有TEC控溫技術(shù)，本 發(fā)明有效簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)、有效減少了器件數(shù)量，因此其控溫精度更高、體積更小、成本更 低。
[0012]本發(fā)明有效解決了現(xiàn)有TEC控溫技術(shù)控溫功耗和控溫效率難以優(yōu)化、適用范圍嚴(yán) 重受限、控溫精度難以保證、體積過大、成本過高的問題，其既可以獨(dú)立使用，也可以與更大 的系統(tǒng)集成，適用于各種控溫場(chǎng)合。
【附圖說明】
[0013] 圖1是本發(fā)明的一種低成本的數(shù)字自適應(yīng)TEC控溫裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014] 圖2是本發(fā)明的一種低成本的數(shù)字自適應(yīng)TEC控溫方法的步驟a的流程示意圖。
[0015] 圖3是本發(fā)明的一種低成本的數(shù)字自適應(yīng)TEC控溫方法的流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016] -種低成本的數(shù)字自適應(yīng)TEC控溫裝置，包括控溫目標(biāo)、溫度傳感器、主控?cái)?shù)字芯 片、功率電路單元、濾波扼流單元、TEC芯片;其中，溫度傳感器的輸入端與控溫目標(biāo)連接;溫 度傳感器的輸出端與主控?cái)?shù)字芯片的輸入端連接;主控?cái)?shù)字芯片的輸出端與功率電路單元 的控制端連接;功率電路單元的輸出端與濾波扼流單元的輸入端連接;濾波扼流單元的輸 出端與TEC芯片的輸入端連接;TEC芯片貼裝于控溫目標(biāo)上。
[0017] 所述溫度傳感器為ADT7410型溫度傳感器。
[0018] 所述主控?cái)?shù)字芯片為內(nèi)置有增量式PID控制器的Μ⑶或CPU或DSP或FPGA或CPLD。
[0019] 所述功率電路單元為BD6211型Η橋集成功率芯片或M0S集成功率模塊或IGBT集成 功率模塊。工作時(shí)，BD6211型Η橋集成功率芯片適用于驅(qū)動(dòng)小功率TEC芯片，M0S集成功率模 塊或IGBT集成功率模塊適用于驅(qū)動(dòng)大功率TEC芯片。
[0020] 所述濾波扼流單元包括兩個(gè)濾波電感和一個(gè)共模電感;兩個(gè)濾波電感的首端分別 作為濾波扼流單元的兩個(gè)輸入端;兩個(gè)濾波電感的尾端分別與共模電感的兩個(gè)線圈的首端 連接;共模電感的兩個(gè)線圈的尾端分別作為濾波扼流單元的兩個(gè)輸