[发明专利]基于半导体制冷的多级精密快速温度反馈控制系统

说明书

本发明公开了基于半导体制冷的多级精密快速温度反馈控制系统，以解决对环境局部区域的温度场的温度及温度梯度实现高精度控制的问题，本发明采用PID控制，研制了一种可满足高精度、快速的温度反馈控制系统所述系统包括：控制器、半导体致冷器及其驱动电路、风扇及其驱动电路、铂电阻及其测温电路和腔体；铂电阻安装在腔体内，铂电阻测温电路用于测量铂电阻的温度信号，并将温度信号传递给控制器，控制器用于基于温度信号控制半导体致冷器驱动电路和风扇及驱动电路，半导体致冷器驱动电路驱动半导体致冷器对腔体内部进行温度控制，风扇及驱动电路驱动风扇对腔体内部进行温度控制。

技术领域

本发明涉及超精密加工中的精密温控领域，具体地，涉及一种基于半导体制冷的多级精密快速温度反馈控制系统。

背景技术

对超精密工件制造过程中，超精密加工机床精度受环境温度影响严重，电机等部件发热引起不同材料的热膨胀，机械结构在受力不均时将产生热变形而影响切削效果。因此，提高超精密加工机床周围环境温度的稳定性是可改善其加工效果的有效手段。环境气体作为超精密加工机床的外部热源之一，一般可通过热传递、热对流的方式影响加工材料及超精密机床结构件的温度，同时绝对零度以上的物体之间如环境对材料表面，均存在相互的热辐射作用，这些系统以外的扰动量对超精密加工精度的影响不可预知；而对于超精密切削机床，驱动电机及液压装置带来的耗散热，切削过程中刀尖及工件材料之间、机床结构件之间的相对运动产生的摩擦热等内部热源也是影响环境温度的部分因素，同样为环境温度控制带来一定挑战。不同空间大小、温度区间、精度要求及控制时间要求，温控载体和控制方法则不尽相同。温控系统的控制中，温度反馈量的变化延迟性较大，组件控制产生的加热或制冷效果的延迟也较大。

发明内容

为解决对环境局部区域的温度场的温度及温度梯度实现高精度控制的问题，温控系统的控制中，温度反馈量的变化延迟性较大，组件控制产生的加热或制冷效果的延迟也较大，本发明采用PID控制，研制一种可满足高精度、快速的温度反馈控制系统。

图1为本发明所设计的一种由控制器、半导体致冷器、风扇的驱动电路、铂电阻测温电路、风扇、铂电阻及除湿隔热的被控腔体等共同组成精密温控系统的架构。系统架构由控制系统及电学系统组成，控制系统通过风扇、半导体的驱动电路，通过自然对流及强制对流为系统被控腔体供给冷量和热量，腔体的测温点通过铂电阻感知其温度，并由测温电路反馈具有温度信息的信号至控制器，控制器则不断计算系统控制量的偏差给出不同的信号以完成控制系统中的反馈控制。

为解决上述难题，设计了一种铂电阻测温系统，图2所示，该系统共由6部分组成：上位机发送通断指令信号至供电系统决定其工作状态；稳压电路将U_s转化为铂电阻电桥的直流电压U_i；温度变化将导致电桥不平衡，因此产生的压差U₀进入同样由直流电源供电的信号放大电路；输出电压U₀′传输至dSPACE控制器，并通过相应的算法将其换算为温度值，由上位机程序界面显示记录。

为解决以上铂电阻测温的技术难题，根据上述铂电阻测温系统架构，设计了实现电源稳压功能，削弱引线电阻分压引入的系统误差的电桥电路，以及实现电桥输出信号放大并减小电路布线引入的纹波的信号采集放大功能的电路。测温系统电路通过输出信号U₀′与dSPACE 控制器通过BNC接口进行信号传输，dSPACE将信号传输至上位机，通过程算法进行数据的处理及补偿，最终得到给定采样周期内的温度平均值T_x。

半导体制冷片的驱动电路将主要包含集成运放芯片、场效应管、部分用于改变放大倍数的电阻及可变电阻。图4为所设计的一种可满足TEC得到不同输入电压的TEC驱动电路，该电路设计的目的是使dSPACE给出的输入电压V_input被转化为通过半导体制冷片的电流i_D，并且电流i_D的大小不受负载电阻的变化而变化，即电路除负载以外的电路可等效为一可驱动高负载的恒流源。