0 引言

　　隨著我國航天事業蓬勃發展，載人航天工程已經進入空間站階段，計劃2018-2022年陸續發射空間站的核心艙和兩個實驗艙，空間站上將開展一批前沿科學與應用任務，其中包括兩相流體實驗。該實驗重點研究微重力下液體的蒸發冷凝相變動力學以及兩相流體輸運等基礎問題。由于目前對在軌微重力情況下的相變換熱機理以及相關關鍵技術的研究還不成熟[1]，因此有必要在進行空間搭載實驗前開展地面驗證實驗，通過地面實驗驗證兩相流體回路平臺的可行性和可靠性，建立兩相流體回路的空間運行特征庫和可靠的空間兩相流體回路數學模型，為進行空間科學實驗積累經驗。

　　本文根據實驗電控需求，設計了一種用于空間兩相流體回路實驗的電子控制系統，該電控方案完成了地面驗證，目前已用于空間實驗的電控實現。

1 總體方案與設計原理

　　兩相回路流體裝置工作原理如圖1所示，存儲于儲液器中的R134a（1，1，1，2-四氟乙烷）工質在液泵動力作用下，流經氣液分離器和冷凝臺，帶走制冷片熱面的熱量，之后流過冷排出口處，通過散熱風扇排出所攜帶熱量，從而實現兩相流體循環。

圖1  兩相流體裝置工作原理圖

　　本文設計的電子控制系統由傳感器采集系統、執行器控制系統等組成，系統組成如圖2所示。傳感器采集系統由熱電偶、PT1000、DS18B20、APS、DPS和流量計數據采集模塊組成；執行器控制系統由熱電制冷片（Thermal Electronic Cooler，TEC）、加熱器、氣泵、液泵、電磁閥和風扇控制模塊組成。

圖2  電控系統結構圖

　　1.1 熱電偶測溫設計

　　熱電偶是一種基于塞貝克效應[2]的溫度傳感器，本文采用銅-康銅型（T型）熱電偶。圖3(a)為測溫原理示意圖，由于測量導線為純銅材質，與熱電偶康銅極接觸會引入新的熱電偶結，所以必須在康銅電極和測量電路之間進行溫度補償。為了保證足夠高精度的冷端補償溫度，設計選擇PT1000進行測溫補償。T1為熱電偶測溫結點溫度，T2為熱電偶補償點溫度，所測回路電動勢U0為：

(a)T型熱電偶                           (b)差分熱電偶

圖3  熱電偶測溫原理示意圖

　　另一方面，對于兩個目標溫度點之間溫度差測量，如果也采用傳統熱電偶測溫結構，則需要分別測量兩個點溫度再進行作差得到溫度差，而測量時冷端溫度補償往往難以保證高精度，并且產生更大溫度誤差，降低測溫精度。因此，本文提出一種新型的熱電偶測溫結構，通過兩個傳統T型熱電偶康銅極相接形成差分熱電偶，該結構無需冷端補償，可直接測量T3、T4兩點溫度差，如圖3(b)所示?；芈冯妱觿軺p為U3、U4、U5、U6代數和，其中U5、U6為差分熱電偶接頭可能的其他金屬材質所產生的熱電偶結電動勢，由于金屬導熱、接頭較小，所以T5、T6幾乎相等，U5、U6相互抵消，實際Up只與T3、T4溫差線性相關。相對于傳統熱電偶，此結構避免了復雜的冷端溫度補償，直接得到兩點溫度差，不僅簡化了測溫過程，而且有效提高了測溫精度。

　　1.2 TEC驅動設計

　　TEC是一種利用特殊半導體材料的珀爾帖效應實現對目標制冷或制熱的半導體制冷器[3-8]。與壓縮制冷和吸收制冷相比，熱電制冷不僅結構簡單、噪音小、無需制冷劑及足夠環保，而且制冷功率線性可控，被廣泛應用于精密控溫場合。

　　本文提出一種改進型恒流大功率H橋電路以驅動TEC工作，電路結構如圖4所示。

圖4  H橋驅動電路示意圖

　　該結構在上橋臂用功率調節模塊取代傳統H橋MOS管，解決TEC驅動電流不穩定和MOS管無法完全導通問題，D1與T1形成正向導通回路，D2與T2形成反向導通回路，通過比例積分微分（Proportion Integration Differentiation，PID）算法[9-11]控制上橋臂功率調節模塊從而控制TEC制冷或制熱功率，實現高精度恒溫控制。

2 電控系統硬件設計

　　2.1 主控器模塊設計

　　本文主控芯片基于STM32F4系列，該芯片外接8 MHz無源晶振，CPU頻率可達168 MHz，執行速度為1.25 DMIPS/MHz，內置1 MB閃存和196 KB SRAM，集成3個12 bit、采樣率為2.4 MS/s的24通道ADC，具有136個快速IO口以及多種外設，包括：3個I2C、4個USART，3個SPI和2個CAN接口等，完全滿足本電子控制系統設計需求。

　　2.2 信號調理電路設計

　　2.2.1 電壓信號調理電路

　　由于熱電偶輸入信號約為40.6 屬于極其微弱的電壓型信號[12]，因此要求運放電路具有非常高的增益，同時對共模抑制比、電源抑制比、輸入阻抗等性能參數要求也很高。一般的運放輸入失調電壓為毫伏級，失調電壓溫漂在10 左右，雖然可以通過額外電路補償降低失調電壓，但仍無法解決失調電壓溫漂帶來的測溫誤差，這會嚴重影響熱電偶的測溫精度。所以本文選用德州儀器的一款精密運放作為前級運放，其輸入失調電壓1.8 失調電壓溫漂只有0.05 ，設計采用精密儀表運放電路作為信號前級，最終熱電偶測溫分辨率達到0.01 ℃。

　　2.2.2 電流信號調理電路

　　設計電流信號調理電路如圖5所示，選擇精密運放以及匹配的電容電阻組成二階濾波電路，實現信號調理。

圖5  電流信號調理電路示意圖

　　由于電流信號無法直接進行AD轉換，所以設計通過電阻R1將4~20 mA電流信號轉換成0.6~3 V電壓，D1為鉗位二極管組，防止瞬間過壓進行電壓鉗位，以保護電路正常工作。

　　2.3 控制電路設計

　　控制電路的設計方案分為開關控制和脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）控制。開關控制即使能控制，可簡單滿足執行器開和關狀態切換；PWM控制即功率控制，通過不同占空比PWM控制輸出不同電壓，進而控制輸出功率。

3 電控系統軟件設計

　　電控系統的軟件控制流程框圖如圖 6所示。

圖6  軟件控制流程圖

　　通過LabVIEW實現數據實時采集、處理、顯示和存儲，并對執行器進行精確、有效控制。

4 電控系統驗證

　　圖7為電控系統實物圖，測試實驗在室溫下進行。為了保證實驗過程中測溫數據可靠，避免系統自然散熱產生的溫度誤差，測溫點附近全部采用發泡EVA材質的保溫棉進行保溫，提高數據可靠性。測試實驗包括加熱穩定性測試和溫控準確性測試。測試過程溫度采集數據如圖 8、圖9所示。

圖7  電控系統實物圖

　　從圖8可以看出，初始階段系統加熱較慢，導致溫升曲線線性度較差，這主要是由于傳熱作用具有滯后性，200 s后系統加熱趨于穩定，說明系統整體加熱穩定性較好。圖9表明，在各個控溫點，系統能夠實現對溫度的控制，達到穩定后能將溫度控制在控溫目標范圍0.5 ℃內，控溫波動整體較小。

　　(a)8%占空比加熱升溫曲線

(b)2%占空比加熱升溫曲線

圖8  加熱穩定性測試

圖9  控溫準確性測試

5 結語

　　針對空間兩相流體回路實驗，通過總體設計、硬件設計、軟件設計和系統聯調，完成了基于LabVIEW的地面驗證電控系統的設計和開發。該系統有效完成了對兩相流體回路系統實驗數據的實時測量、分析、記錄、保存以及對回路系統溫度的精確快速控制。在實際平臺聯調過程中，電控系統運行正常，控制測量精度高。

　　參考文獻

　　[1] 于新剛，范宇峰，黃家榮，等.單相流體回路地面試驗研究[J].航天器工程，2012(1)：110-115.

　　[2] 張明春，肖燕紅.熱電偶測溫原理及應用[J].攀枝花科技與信息，2009(3)：58-62.

　　[3] 童漢維.半導體制冷器溫度控制系統的設計與實現[D].武漢：華中科技大學，2010.

　　[4] 鄭智文.基于半導體制冷的高精度循環冷水機研制[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2015.

　　[5] 王懷光，范紅波，任國全，等.基于增量式PID控制的半導體制冷溫控系統[J].現代制造工程，2013(11)：110-113.

　　[6] 盧菡涵.半導體制冷性能及恒溫控制的研究[D].太原：太原科技大學，2013.

　　[7] Zhang Hui，Fan Kuangchao，Wang Jun.System design and simulation of constant temperature box using semiconductor refrigeration device[J].International Journal of Computer Applications in Technology，2010，37(2)：146. 

  　[8] 李江瀾，石云波，趙鵬飛，等.TEC的高精度半導體激光器溫控設計[J].紅外與激光工程，2014(6)：1745-1749.

　　[9] 郝少杰，方康玲.基于模糊PID參數自整定的溫度控制系統的研究[J].現代電子技術，2011(7)：196-198，204.

　　[10] 賈誠安，葉林，葛俊鋒，等.一種基于STM32和ADS1248的數字PID溫度控制系統[J].傳感器與微系統，2015，34(11)：103-105.

　　[11] 郭向蕾，楊本金，陳洪民.基于C8051F020的密閉環境溫度恒溫控制系統設計[J].現代電子技術，2012(9)：159-160，163.

　　[12] 楊寧，惠曉強.微弱信號高精度數據采集技術研究[J].現代電子技術，2013(9)：71-73.