当今航天设备承担着更多更复杂的功能,对能够同时提供两个温区及不同冷量的制冷机有着紧迫的需求。然而,目前国内针对两级同时取冷的高频脉冲管制冷机的研究相对比较缺乏,特别是对两级冷量分配问题也未有深入研究。此外,针对制冷机实际航天应用环境,对于两级脉冲管制冷机在直流下驱动与温度主动控制的研究也有待进一步开展。鉴于此,本文开展了两级高频脉冲管制冷机级间冷量分配以及直流下驱动与控制的理论与实验研究,主要内容和结论如下:(1)对直流下高频脉冲管制冷机驱动机理与控制方法进行理论研究。建立高频脉冲管制冷机在控制过程中的数学模型,设计专家PID控制策略,并编写相应仿真程序。针对两级脉冲管制冷机两点同时温控提出控制策略,利用控制电路配合控制算法实现两级制冷温度的同时控制。(2)对直流电源下高频脉冲管制冷机驱动与控制系统开展实验研究。设计温度信号采集与放大模块PCB电路板、H桥功率放大模块PCB电路板以及信号处理模块PCB电路板,并根据SPWM波调制方法和所设计的专家PID控制方法,基于C语言设计相应控制程序。(3)从理论和实验上研究了电压波形对脉冲管制冷机性能的影响,在一定输出功范围内,梯形波和SWCTH波驱动下制冷机性能比正弦波下更佳。此外,开展直流电源下的线性驱动实验,驱动与控制系统的能量平均转换效率达到96.21%,直流驱动下可实现与交流驱动相同效果。自动温度控制实验测试结果表明:在无外界干扰情况下,温度稳定性可达±0.2 K@2 h,当外界施加干扰时,稳定性可达±0.3 K。(4)对高频脉冲管制冷机分析优化模型进行理论研究。提出新型电路类比模型,包含高频脉冲管制冷机所有主要部件,可针对每个部件或整个制冷机进行深入定量分析和优化。此外,对两级之间连接位置进行深入理论研究,分别得到对应第二级最高制冷效率及对应第二级最低无负荷温度的级间连接位置。(5)对高频脉冲管制冷机冷指与压缩机之间最优匹配进行理论和实验研究。系统分析脉冲管冷指与线性压缩机之间相互影响,并分别提出与已有线性压缩机最优匹配的脉冲管冷指设计方法以及与已有冷指最优匹配的线性压缩机设计方法。针对已有的一台线性压缩机和冷指,分别设计直线型脉冲管冷指和线性压缩机与之进行匹配,匹配后制冷机的实验结果与模拟结果均比较吻合。对于匹配后的直线型制冷机,在制冷温度为80 K时,平均电机效率值为81.5%,制冷效率为17.2%;对于匹配后的同轴型制冷机,在制冷温度为60 K时,平均电机效率值达到83%,制冷效率达到9.6%。(6)对两级同时取冷脉冲管制冷机进行优化设计和实验研究。研究关键部件及运行状态等参数对两级冷指制冷性能以及每一级冷指入口处PV功分配的影响。此外,通过匹配理论优化已有线性压缩机,与两级冷指匹配后电机效率达到82%。两级脉冲管制冷机的实验测试结果表明:在输入电功为300 W时,两级可同时获取2.5 W@85 K和0.64 W@30 K,验证了两级冷指之间PV功分配以及冷量分配分析的正确性。