[发明专利]一种低成本的数字自适应TEC控温装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及TEC控温技术，具体是一种低成本的数字自适应TEC控温装置及方法。

背景技术

TEC（Thermoelectric Cooler，半导体致冷器）是一种电子制冷器件，其具有体积小、可制冷和加热、寿命长、无噪声、可靠性高的特点，因此在中小功率的控温场合（例如红外成像、激光器、航天航空、精密仪器等场合）具有很大的应用优势。目前，TEC控温技术主要分为纯模拟控温技术、专用芯片控温技术、模拟数字混合控温技术等。实践表明，现有TEC控温技术由于自身原理所限，存在如下问题：其一，现有TEC控温技术的控温过程难以与不同的热响应特性进行匹配、控温参数难以更改、控温状态信息难以获取，一方面导致其控温功耗和控温效率难以优化，另一方面导致其难以与更大的系统集成，由此导致其适用范围严重受限。其二，现有TEC控温技术的电路结构复杂、器件数量繁多，导致其控温精度难以保证、体积过大、成本过高。基于此，有必要发明一种全新的TEC控温技术，以解决现有TEC控温技术控温功耗和控温效率难以优化、适用范围严重受限、控温精度难以保证、体积过大、成本过高的问题。

发明内容

本发明为了解决现有TEC控温技术控温功耗和控温效率难以优化、适用范围严重受限、控温精度难以保证、体积过大、成本过高的问题，提供了一种低成本的数字自适应TEC控温装置及方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：一种低成本的数字自适应TEC控温装置，包括控温目标、温度传感器、主控数字芯片、功率电路单元、滤波扼流单元、TEC芯片；其中，温度传感器的输入端与控温目标连接；温度传感器的输出端与主控数字芯片的输入端连接；主控数字芯片的输出端与功率电路单元的控制端连接；功率电路单元的输出端与滤波扼流单元的输入端连接；滤波扼流单元的输出端与TEC芯片的输入端连接；TEC芯片贴装于控温目标上。

所述温度传感器为ADT7410型温度传感器。

所述主控数字芯片为内置有增量式PID控制器的MCU或CPU或DSP或FPGA或CPLD。

所述功率电路单元为BD6211型H桥集成功率芯片或MOS集成功率模块或IGBT集成功率模块。

所述滤波扼流单元包括两个滤波电感和一个共模电感；两个滤波电感的首端分别作为滤波扼流单元的两个输入端；两个滤波电感的尾端分别与共模电感的两个线圈的首端连接；共模电感的两个线圈的尾端分别作为滤波扼流单元的两个输出端。

所述增量式PID控制器采用C语言或verilog或VHDL编程实现。

一种低成本的数字自适应TEC控温方法（该方法是采用本发明所述的一种低成本的数字自适应TEC控温装置实现的），该方法是采用如下步骤实现的：

a.主控数字芯片上电启动，并根据控温目标的热响应特性依次设置PWM周期、设置参考温度值、设置增量式PID控制器的PID系数、设置温差门限阈值、使能功率电路单元，由此完成主控数字芯片的初始化；

b.温度传感器采集控温目标的实时温度值和环境温度值，并将采集到的实时温度值和环境温度值发送至主控数字芯片；

c.在每个PWM周期内，主控数字芯片根据参考温度值和接收到的实时温度值计算实时温差值，并利用增量式PID控制器判断计算出的实时温差值是否属于超调；

如果实时温差值属于超调，则主控数字芯片将输出的PWM占空比设置为0，由此使得功率电路单元不工作，从而利用环境温度值对控温目标的实时温度值进行自然回调，使得控温目标的实时温度值上升或下降至参考温度值；

如果实时温差值不属于超调，则主控数字芯片将实时温差值与温差门限阈值进行比较；

如果实时温差值≥温差门限阈值，则主控数字芯片将输出的PWM占空比设置为1，由此使得功率电路单元以全功率方式工作，功率电路单元的输出电压由此先经滤波扼流单元进行滤波和扼流，然后以全电压方式加载到TEC芯片上，TEC芯片由此对控温目标进行加热或制冷，从而使得控温目标的实时温度值快速接近参考温度值；

如果实时温差值＜温差门限阈值，则主控数字芯片将增量式PID控制器的输出值线性映射到输出的PWM占空比，由此使得功率电路单元以PWM方式工作，功率电路单元的输出电压由此先经滤波扼流单元进行滤波和扼流，然后以PWM方式加载到TEC芯片上，TEC芯片由此对控温目标进行加热或制冷，从而使得控温目标的实时温度值上升或下降至参考温度值；具体的线性映射公式如下：

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