基于TEC的恒温电路控制系统.pdf

第4期机电技术机电技术基于基于TEC的恒温电路控制系统的恒温电路控制系统沈露萍（福建船政交通职业学院，福建 福州 350007）摘要为了适应不同功率，在对自动控制理论进行深入研究基础上，设计了一种高精度，并且适用于多种功率半导体制冷器（TEC）的恒温控制系统，以STM32单片机作为控制核心，运用自适应算法PID对目标温度进行差别矫正，温控精度可达0.1，功率涵盖范围广，具有体积小、效率高、可靠性高、驱动能力强等特点，能为各类应用场合提供恒定的温度条件。关键词恒温控制；TEC；电路；PID中图分类号：TP272文献标识码：A文章编号：1672-4801（2023）04-017-03DOI：10.19508/ki.1672-4801.2023.04.006作者简介：沈露萍（1989），女，助理工程师，主要从事机电技术研究。随着工业发展，越来越多的应用场合需要进行恒温控制，比如 TEC（Thermoelectric Cooler）即半导体制冷器1就是其中比较常用的一种，它是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的。所谓珀尔帖效应2，是指当直流电流通过两种半导体材料组成的电偶时，其一端吸热，一端放热的现象。常用于民用消费、工业通信、医疗美容及汽车等。一个好的恒温控制系统不仅能带来稳定的应用环境，同时也会提高整个系统的性能和可靠性。因此，温度控制是 TEC 恒温控制系统设计的一项重要任务，其性能和精度需满足系统对温度控制的要求，兼顾加热和制冷两种功能，才能应对不同的复杂温度环境，同时拥有适应负载功率的能力，在变更TEC时，电控系统仍可保持不变，避免系统时常变动。1总体设计TEC恒温控制系统主要包含微处理器MCU、可调降压模块DCDC、驱动TEC 的H桥电路、温度采集电路、通信接口等模块。当系统接上TEC负载及NTC探头时，可以使用上位机通过RS485通信接口对电路发出指令，比如设置电压、温度、开关或者读取当前信息。当电路开始运作时，通过NTC获取当前温度，根据温度信息运用PID算法计算对应脉冲宽度调制PWM的信号输出占空比，并将该信号输出至H桥的控制端。系统集成了大功率可调降压模块 DCDC，可以通过设置数模转换器DAC对其输出电压进行调节，电压最高可达40 V，极大增强了多种负载应用，同时系统持续读取被控物体的温度、降压模块的电压与H桥的电流信号，当NTC探头或者降压模块出现异常短路或断路，则汇报异常记录并关断输出，用户可以通过访问通信接口对系统参数进行查询和设置。系统框图如图1所示。MCU$GL+DHP+DBDCDC16bit DACTECNTCRS485FSPIBE+PPWMO+#O+图1系统框图2硬件设计微处理器MCU选用的是STM32F103C8T6，选取该芯片主要是由于其采用Cortex-M3内核，CPU最高速度达 72 MHz，选用较高的主频可以使得PWM占空比输出更加精细，从而达到更高的控制精度。该MCU具有64 kB Flash，除去程序占用的FLASH空间还可以将设置参数存储在片内空间，可以节省外接FLASH或EEPROM的成本，拥有丰富的外设接口，比如 SPI、UART 等，可以驱动RS485接口芯片和DAC等外设器件。通信接口选用 RS485 接口协议，使用芯片SP34853进行设计，差分传输具有更高的可靠性，如图2所示。芯片电源脚处增加了磁珠以增强其抗干扰强度或对外传导干扰。RS485接口处增加串联电阻R26、R28，减少信号传输的回波反射及信号传输失真度，提高通信质量。在靠近芯片输出地方设计了放电管D4，减少热插拔及静电对芯172023年8月机电技术机电技术片的损害，使得整个接口电路更加完善。525(,*1$%9&863(1/75/%/03*6 19&B9B183/7*1B55)55)*1B56 B$56 B%55)5.5)5.5)5.5)86$5 7B7;86$5 7B5;56 B5(56 FA&QI9*1B图2RS485接口电路降压模块 DCDC 采用 TI 的 LM25145，如图 3所示，其输入电压范围为642 V，可调节输出电压范围为0.840 V，配上外围电感与MOS管，电流设计可达10 A，最大支持负载功率达400 W，可以兼容绝大部分的TEC负载。开关器件MOSFET选用的是TI的CSD18543Q3A，其持续漏极电流最大可达60 A，漏源电压高达60 V，并具有超低的Qg和导通电阻Rds（on），而控制器具有 2.3 A 拉电流和3.5 A 灌电流能力，可以自适应定时栅极驱动器，在开关切换期间最大限度地减少体二极管导通，从而降低在以高输入电压和高频率驱动 MOSFET时的开关损耗并提高热性能，提高整个降压模块的输出效率。降压模块的频率选择在400 kHz下工作，此时电感感值和开关效率取舍表现最佳，既能让MOSFET的热量在良好的范围内，也能最大程度地减小电感的体积。该控制器的功能还包括可配置软启动、用于故障报告和输出监控的漏极开路电源正常监控、单调启动至预偏置负载、集成 VCC 偏置电源稳压器和自举二极管、外部电源跟踪、针对可调线路欠压锁定（UVLO）且具有迟滞的精密使能端输入、间断模式过载保护和带自动恢复的热关断保护，一旦出现异常，控制器也能及时切断输出以保护负载的安全。9,1(19,192879,1 (189/261&,Q61&2XW&/)9287&)%/0/2&,1&2875)%&9&$*13*22,/,05,/,04 4 61&,160B8EE图5PID组成框图18第4期在连续控制系统中，最常用的调节器控制规律就是PID4，其公式如下：u(t)=Kp e(t)+1Tit0e(t)dt+Tdde(t)dt（1）式中：u（t）为控制器输出的控制量；e（t）为偏差信号，等于给定量与输出量之差；Kp为比例系数（对应参数 P）；Ti为积分时间常数（对应参数I）；Td为微分时间常数（对应参数D）。数字 PID 主要有两种：位置式 PID 和增量式PID，本系统采用的是增量式 PID，其简化后计算公式如下：u(k)=u(k)-u(k-1)=kPe(k)-e(k-1)+kIe(k)+kDe(k)-2e(k-1)+e(k-2)（2）式中：P 为e(k)-e(k-1)；I 为e(k)；D 为e(k)-2e(k-1)+e(k-2)。其中，e（k）为本次误差，e（k-1）为上次误差，e（k-2）为上上次误差。软件主要将采集到的温度值通过一定的比例运算代入PID公式即可得出控制变量结果，再将结果输出到H桥驱动上即可实现快速高精度的控温效果。软件控温部分流程图如图6所示。GL$E3,A1E3:0EPV图6控温流程图4测试过程测试控温精度，安装一个测试工装，包含一个发热体和一套 TEC 安装载体，在环境温度 25 下，对该系统的温度控制能力进行检验，设定工作温度为 27.3 和 50，运行 18小时数据，从图 7和图8可以看出设定温度为27.3 和50 时温度最大波动分别为0.01675 和0.05。该精度已经能满足大部分的应用需求。测试电路采集温漂特性，将电路板放置在恒 ooooooooooooooooooooooooooo ooooooooooooooooooooooooooooooo*=-oooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooo图7设定温度为27.3 控温数据图8设定温度为50 控温数据温箱内，高低温050 循环测试，将10 K标准电阻放置在 25 中，采集 10 K 标准电阻的波动值（10 K对应采集温度为25），数据如图9所示。.+L#$图9温度循环10 K标准阻值采集数据可以看出换算温度最高为25.0206，最低为25.0021，温度循环温差为50，即温漂系数为（25.0206-25.0021）/25.0021/50=14.799 PPM。说明该系统采集温漂系数的性能是很好的，对环境变化剧烈的应用环境也能有很好的兼容度。5结论从试验结果来看，该系统设计具有高兼容性、高温度分辨率、温漂性能良好等特性，可以更好地适应各种复杂的应用环境。温控应用在现代工业生产过程中扮演着重要角色，本文采用降压模块DCDC与H桥驱动模块结合的硬件设计和独有的PID软件算法，基本实现了一个高精度的，可适应多种负载的通用型控温系统，在实际应用中大幅提升了生产和试验效率，具有一定的参考意义。参考文献：1 曾华林，江鹏飞，谢福增.半导体激光器温度控制研究J.激光与红外，2004（5）：339-340，346.2 李福刚，沈彪，泰勒HR.珀尔帖效应热泵及其在温度测量中的应用J.沈阳工业大学学报，1997（1）：91-95.3 程小琰.基于RS485总线的语音数字化通信系统J.电子质量，2017（7）：88-92.4 王树青.先进控制技术及应用M.北京：化学工业出版社，2001.沈露萍：基于TEC的恒温电路控制系统19