PWM調(diào)速在恒溫控制中的應(yīng)用 - 全文

　　1 引言

　　眾所周知, 要實現(xiàn)直流電機的遠(yuǎn)程調(diào)速控制及溫度檢測, 信號傳輸問題無疑是重要的, 傳統(tǒng)的模擬控制法,不僅難以滿足遠(yuǎn)程傳輸需求, 而且電路過于復(fù)雜。采用計算機技術(shù)、總線技術(shù)和通訊技術(shù), 不僅可以使整個系統(tǒng)變得簡單,而且有利于實現(xiàn)分布式集散控制,提高智能化控制水平。本文介紹一種以8051 系統(tǒng)為主控制器的遠(yuǎn)程恒溫控制解決方案,它采用RS-485 總線解決直流電機PWM調(diào)速(制冷)、溫度檢測和PC 通訊等環(huán)節(jié)的信號傳輸問題。系統(tǒng)采用全數(shù)字設(shè)計方案, 結(jié)構(gòu)簡單。當(dāng)該系統(tǒng)以單片機為主控制器單獨工作時監(jiān)控距離可以達到1.2km,如果與微機聯(lián)網(wǎng)使用,則監(jiān)控距離可以增加到2.4km。

　　2 控制原理及硬件結(jié)構(gòu)

　　該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示,它是一個8051 單片機控制系統(tǒng),控制“對象”為直流電機,工作時根據(jù)現(xiàn)場溫度調(diào)節(jié)直流電機轉(zhuǎn)速, 直流電機轉(zhuǎn)速影響制冷系統(tǒng)制冷量,從而達到溫度自動調(diào)節(jié)目的。溫度檢測采用DB18B20數(shù)字溫度傳感器,直流電機采用PWM 調(diào)速。直流電機和溫度傳感器通過RS-485 總線與單片機系統(tǒng)實現(xiàn)信息交換,單片機系統(tǒng)通過RS-485 總線經(jīng)USB 接口與PC 實現(xiàn)信息交換, 從而達到遠(yuǎn)程監(jiān)控目的。

　　單片機系統(tǒng)是以8051 為核心的交互式測控系統(tǒng),系統(tǒng)所有接口電路地址及數(shù)據(jù)總線由74LS373 和74LS138提供。單片機系統(tǒng)任務(wù)包括以下幾個方面:

　　第一, 通過RS - 4 8 5 總線向直流電機驅(qū)動器輸出PWM 調(diào)速信號;第二,通過RS-485 總線對數(shù)字溫度傳感器DB18B20寫入初始化命令;第三,溫度傳感器所檢測的現(xiàn)場溫度經(jīng)RS-485 總線反饋給單片機,并據(jù)此調(diào)節(jié)PWM 信號輸出;第四, 實時顯示現(xiàn)場溫度;第五, 通過人機接口設(shè)置給定溫度、電機調(diào)速范圍等參數(shù);第六,通過RS-485 總線向PC 機反饋溫度等信息;第七,接受PC 系統(tǒng)控制指令,根據(jù)控制指令完成相應(yīng)的處理。

　　下面對圖1 所示系統(tǒng)各主要電路作如下說明:

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圖1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　2.1 人機界面與人機系統(tǒng)

　　人機界面為矩陣式鍵盤和數(shù)碼管,它以8279 為主要接口芯片(其它芯片如圖所示),占用8051 一個外部中斷源(INT0),人機系統(tǒng)的基本任務(wù)包括溫度設(shè)置、電機調(diào)速范圍設(shè)置、啟?？刂坪蜏囟蕊@示等。根據(jù)圖1 所示硬件,通過8051 外部中斷(INT0)處理程序和定時器(T0)中斷處理程序相互配合完成人機系統(tǒng)的基本功能。

　　2.2 輸入輸出(IO)通道

　　輸入輸出通道是以8255 為主要接口芯片的控制信號或反饋信息傳輸通道,PWM 調(diào)速信號輸出、溫度傳感器初始化命令輸出和現(xiàn)場溫度讀取等均通過8255 進行。

　　8255PA 口作為控制信號輸出通道,PB 口作為反饋信息輸入通道,PC 口作為輸出/ 輸入使能控制。三個端口每一位定義詳情見后續(xù)軟件部分。

　　為了實現(xiàn)IO 信號的遠(yuǎn)距離傳輸, 采用RS-4 8 5 總線,圖2 所示是專門為此設(shè)計的電路原理圖(僅畫出其中一路,下同),其中,圖2(a)是PWM 信號輸出接口,由圖可見, 計算機一側(cè)和終端設(shè)備( 伺服驅(qū)動器) 各使用一片MAX488,計算機一側(cè)MAX488 為發(fā)送器,終端設(shè)備一側(cè)MAX488 為接收器。圖中TLP-521 是計算機系統(tǒng)與外設(shè)進行電氣隔離所必需的環(huán)節(jié)。圖2(b)是專為溫度傳感器DS18B20 設(shè)計的遠(yuǎn)程傳輸接口,由于DS18B20 是一款單總線、可編程數(shù)字溫度傳感器,該傳感器涉及初始化命令或參數(shù)寫入和工作之中的溫度讀取問題, 因此,遠(yuǎn)程傳輸接口必須被設(shè)計成雙向I O 口, 通過兩片MAX485 和兩片MAX488 實現(xiàn)信息的半雙工傳輸要求,這里兩片MAX488 用于終端MAX485(右側(cè))使能控制。

　　對DS18B20 的讀寫操作由8255PC 口相應(yīng)的控制位作使能控制,即,當(dāng)8051 執(zhí)行對DS18B20 的寫入操作時,首先使PC0=1、PC1=0,然后使數(shù)據(jù)從PA 口輸出;當(dāng)8051執(zhí)行對DS18B20 的讀操作時,首先使PC0=0、PC1=1,然后使數(shù)據(jù)從PB 口輸入。

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圖2 遠(yuǎn)距離傳輸接口電路原理圖

　　需要指出的是, 圖2 所示的電路結(jié)構(gòu), 實現(xiàn)了信號的全硬件、遠(yuǎn)程、無條件傳輸目的,避免了終端使用微處理器,具有硬件軟件簡單、實時性好、系統(tǒng)擴展容易等特點。特別是溫度檢測通道,由于采用的是單總線溫度傳感器DS18B20,僅使用一條4 芯雙絞線屏蔽電纜,就可以很好地滿足在1.2km 范圍之內(nèi)的多點分布式溫度測控需求。對于PWM 信號傳輸通道,可以根據(jù)實際需要選擇屏蔽電纜,如4 臺直流電機只需使用一條8 芯雙絞線屏蔽電纜。對于控制對象數(shù)量較多時,可以通過擴展8255 芯片,解決IO 通道不足問題。

　　2.3 PC 機通訊接口

　　8051 系統(tǒng)與PC 機通訊,采用“RS-485+USB”接口信息傳輸方案,如圖1 所示。這里,用8051 串口線TxD、RxD 通過“TTL/RS-485 → RS-485/TTL → USB 接口”等環(huán)節(jié),實現(xiàn)了8051 系統(tǒng)與PC 之間的遠(yuǎn)程通訊需求,從而擴大了控制范圍。

　　在進行電路設(shè)計時,“T T L/ RS - 4 8 5 → RS - 4 8 5 /TTL”變換可以采用兩片MAX488,并將其連接成全雙工模式,限于篇幅這里不再畫出;USB 接口選用PL2303,如圖3 所示,直接將來自“RS-485/TTL”電路的TTL電平(TxD、RxD)變?yōu)閁SB 信號,優(yōu)點是占用8051 資源少、編程簡單。

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圖3 USB 通訊接口電路原理圖

　　3 應(yīng)用程序設(shè)計

　　應(yīng)用程序包括8051 對目標(biāo)系統(tǒng)(電機與溫度檢測)的監(jiān)控程序和8051 與微機的通訊控制,現(xiàn)分別說明如下:

　　3.1 監(jiān)控程序

　　該部分程序是應(yīng)用軟件的核心部分,包括一個主程序和兩個中斷處理程序。為了使整個程序結(jié)構(gòu)清晰和易于功能擴展, 采用“存儲管理”的編程思想, 對于程序中使用最頻繁、實時性要求最高的變量定義在8051內(nèi)部RAM,對于需要占用大量存貯空間或訪問頻度較低的變量, 盡可能放在外擴的數(shù)據(jù)存貯器上( 圖1 未畫出),對于信息處理過程所使用的臨時變量,盡可能使用通用寄存。

　　監(jiān)控程序必須具有溫度設(shè)置、基于溫度的PWM 調(diào)速和溫度顯示等基本功能,這實際上涉及的是人機交互處理和基于溫度的PWM 信號處理。根據(jù)圖1 所示電路結(jié)構(gòu)和基本功能要求,可以認(rèn)為,它是一個基于8051 中斷源INT0 和T0 的中斷處理系統(tǒng), 即,需要設(shè)計兩個中斷處理程序INT0 和T0,其中,INT0 中斷處理任務(wù)是按鍵識別與處理,完成溫度設(shè)置、系統(tǒng)啟停、顯示切換等工作;T0 中斷處理主要任務(wù)是調(diào)節(jié)直流電機轉(zhuǎn)速, 它是根據(jù)傳感器所測得溫度與給定溫度的比較情況,通過調(diào)整有關(guān)參數(shù),使輸出PWM 波形占空比發(fā)生變化達到調(diào)速目的,具體方法詳見后述。主程序主要完成系統(tǒng)初始化和顯示等任務(wù), 包括以下幾個方面:

　　(1) 監(jiān)控程序使用的所有變量的定義及初始化;(2) 8279 和8255 初始化;(3) 8051 中斷系統(tǒng)初始化;(4) DS18B20 初始化、溫度讀取、溫度顯示;(5) 控制變量的判斷及處理。

　　這里, ( 4 ) - ( 5 ) 應(yīng)該被設(shè)計成一個循環(huán)執(zhí)行的程序結(jié)構(gòu)。

　　3.2 通訊程序

　　通訊程序主要功能是實現(xiàn)8051 與PC 的數(shù)據(jù)交換。

　　8051 利用其串口線RxD 和TxD 實現(xiàn)與PC 的數(shù)據(jù)收發(fā)工作, 這些交換數(shù)據(jù)包括:

　　(1) 8051 向PC 發(fā)送的溫度信息;(2) 8051 接收來自PC 的控制指令,這些控制指令通過8051 串口中斷處理程序處理。

　　在PC 方面,需要編寫基于PL2303 的USB 驅(qū)動程序和面向8051 的人機界面,限于篇幅在此不作細(xì)述。

　　4 PWM 導(dǎo)通率調(diào)整及溫控軟件算法

　　根據(jù)上面所述可以知道,調(diào)節(jié)8051 輸出PWM 波占空比大小是實現(xiàn)直流調(diào)速的前提,而直流調(diào)速主電路使得受控于PWM 波的功率開關(guān)導(dǎo)通率發(fā)生變化,從而實現(xiàn)了直流電機的PWM 調(diào)速?，F(xiàn)在假設(shè)功率開關(guān)一個通斷周期時間為T _ timer , 在一個周期內(nèi)的導(dǎo)通時間為t _ on ,則導(dǎo)通率?,因此, PWM 調(diào)速實際上就是用軟件方法對變量t _ on 或T _ timer進行調(diào)節(jié),而調(diào)節(jié)依據(jù)則是被測點的實際溫度與設(shè)定溫度的比較情況。

　　下面首先介紹基于8051 定時中斷的導(dǎo)通率調(diào)節(jié)方法,然后進一步介紹如何根據(jù)溫度比較情況調(diào)節(jié)導(dǎo)通率。

　　在導(dǎo)通率公式中, T _ timer 所允許的最小值取決于功率開關(guān)元件的最高工作頻率、直流電機調(diào)速范圍和執(zhí)行定時中斷處理程序所需時間等因素,而T _ timer所允許的最大值則取決于直流電機電樞電流連續(xù)性和轉(zhuǎn)速脈動量。

　　導(dǎo)通時間t _ on 由程序控制, 其值在0 ~ T _ timer之間變化。在進行導(dǎo)通率δ 調(diào)節(jié)的算法設(shè)計時, 既可以使T _ timer為常量, t _ on 為變量,也可以使T _ timer為變量, t _ on 為常量,或者使T _ timer 和t _ on 均為變量。實際上,由于T _ timer所允許的最小值和最大值分別受上述因素限制, 設(shè)計時在綜合考慮上述因素后取常量,此時t _ on 則成為導(dǎo)通率d 調(diào)節(jié)的唯一手段了。

　　下面以工作于6MHz 的8051 為例,說明導(dǎo)通率δ調(diào)節(jié)及計算方法。

　　根據(jù)8051 定時計算公式,當(dāng)定時器/ 計數(shù)器工作于“定時、方式1”時, 我們不難推導(dǎo)出定時中斷周期為:

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　　其中, c T 為8051 定時器/ 計數(shù)器在編程時的定時常數(shù),如果功率開關(guān)元件的開關(guān)頻率f Hz vt = 4000 ,則定時中斷周期T _timer = 250ms ,此時= *11 c T 。

　　t _ on 的確定,可以采用軟件延時方法實現(xiàn),假設(shè)控制功率開關(guān)元件通斷的驅(qū)動電路采用負(fù)邏輯驅(qū)動,cyc _ times為延時程序控制循環(huán)次數(shù)的一個參數(shù),則定時中斷處理程序進行一次通斷操作的流程如圖4(a )所示,此時t _ n = 4 * cyc _ times 。

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圖4 程序流程圖

　　據(jù)此,可以推導(dǎo)出在開關(guān)頻率f Hz vt = 4000 條件下,導(dǎo)通率

,其中cyc _ times = 1 ~ 62整數(shù)。

　　下面進一步討論如何根據(jù)溫度比較情況調(diào)節(jié)導(dǎo)通率的問題。眾所周知,在控制論中一種所謂的“PID”調(diào)節(jié)算法被人們廣泛使用,這種方法是建立在輸出量的高精度檢測和精確比較基礎(chǔ)上的差值控制理論,由于算法繁雜往往計算工作量大, 對于低速CPU 往往應(yīng)用受限。本文介紹的溫度調(diào)節(jié)不采用PID 算法,它采用的是一種所謂的“直接比較”控制方法(稱之為“DC”法),它是以一定的周期比較兩個變量的大小關(guān)系(而非實際差值),來決定輸出量調(diào)整方向(增加或減小或保持),而且當(dāng)比較結(jié)果不等于零時, 對輸出量的調(diào)整不是一次到位,而是逐次增加或減小(如固定“加1”或“減1”),從而極大地簡化了控制算法。采用“DC”算法的溫控處理程序流程圖(一個基于8051T0 中斷處理程序)如圖4(b)所示,在該流程圖中, T 和g T 分別為實際溫度和給定溫度,我們只要將T 和g T 進行簡單的比較,就能夠?qū)崿F(xiàn)直流電機PWM 調(diào)速導(dǎo)通率δ的調(diào)整,算法如下:

　　當(dāng)Tg - T > 0 g 時,將變量“cyc _ times ”加1(在還沒有達到最大值時);當(dāng)Tg - T < 0 g 時,將變量“cyc _ times ”減(在還沒有達到最小值時);當(dāng)T g- T = 0 g 時,保持變量“cyc _ times ”值不變顯然, 根據(jù)上述導(dǎo)通率公式

:,只要變量cyc _ times 發(fā)生了變化,導(dǎo)通率d 必定也隨之發(fā)生改變, 從而達到調(diào)速目的。

　　顯而易見,上述調(diào)整方法并不是根據(jù)Tg - T 的實際差值(偏差)來計算應(yīng)有的cyc _ times 調(diào)整量,而是僅僅比較兩者的大小關(guān)系來決定cyc _ times 調(diào)整方向,而且每個T _ timer周期cyc _ times 調(diào)整量僅為1。由此可見,只要T T g - 有偏差, 特別是, 當(dāng)偏差較大時, 往往需要經(jīng)過多個T _ timer 周期之后才能消除這種偏差。

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