半导体制冷温度控制算法的实验研究

　　0 引言

　　与压缩式制冷机相比,半导体制冷器具有以下优点^[1]:

　　(1)结构简单,整个制冷器由热电堆和导线组高;

　　(2)制冷速度快,控制灵活;

　　(3)体积小,重量轻,维修方便,可以任何姿势工作;

　　(4)操作有可逆性,把工作电流反向后即成为加热器,加热效率大于1;

　　(5)不使用制冷剂,故无泄漏,对环境无污染。

　　半导体制冷因其具有独特的优点而得到了较广泛的应用。在发达国家,它已用于汽车(或手提式)冰箱、白内障冷冻摘除器、核潜艇空调器、红外制导空对空导弹的红外探测器探头冷却器、照相显影液恒温冷却器、宇航员及坦克乘员的空调服等方面。

　　该文针对建筑材料保温性能测试的应用需求,研制开发了温度智能控制器,用于控制半导体制冷过程工作端温度,并在此基础上采用PID算法和模型偏差补偿算法完成了冷侧温度控制实验,通过比较实验结果,分析两种算法的实际控制效果。

　　1 测试装置与测试方法

　　测试装置由加热源、一个热流传感器、一块试件和冷却单元组成,如图1所示。

　　热流传感器紧贴着冷却单元的下侧,冷却单元要与试件紧贴,可以降低环境温度对控制精度的影响。散热片采用风扇,用于对制冷片热端进行散热。半导体制冷片规格:型号为TEC1-12706T125;最大温差电流为6.0A;最大温差(产冷功率为0W)为65°C;最大工作电压为15.4V;最大产冷功率(冷热端温差为0°C)为51.4W;尺寸为40mmx40mmx4.1mm。

　　在实际的制冷过程中,制冷片工作电流最大为5A,以保证制冷效率。而电路中的达林顿管TIP122恰能提供最大5A的集电极电流,满足了制冷片的工作需求。

　　测试方法:热流传感器采用T型热电偶,并采用DS18B20进行冷端补偿。

　　2 硬件结构

　　半导体制冷智能控制仪的硬件电路主要由核心系统电路、前向通道电路、后向通道电路、键盘显示电路及其他功能接口电路组成,其硬件结构如图2所示。

　　控制器的CPU使用32位ARM处理器LPC2220,CPLD选用XILINX公司的XC95144;为了提高系统的精度,采样的速率不能太低,选用AD公司的16位A/D转换器AD7705;人机接口部分主要是LCD和键盘接口,根据智能仪表显示图形的需求,选用了分辨率为320x240的液晶模块,它以EPSON公司生产的SED1330作为液晶控制器,为了节省I/O口,键盘输入采用74HC165并入串出移位寄存器。

　　限于篇幅,下面仅对PWM控制电路进行详细介绍(见图3)。

　　半导体制冷片冷端的工作温度的控制采用LPC2220^[2]芯片自带的PWM功能,通过光耦控制达林顿管TIP122的通断,以达到对制冷片输入电压的控制,进而控制了其冷端的工作温度。其中OUT_1+与OUT_1-分别接在半导体制冷片的输入端线上。4700LF的电容对制冷片的输入电压进行平滑,使得纹波系数小于10%,以保证制冷工况^[3]。