基于STM32的半導體制冷片控制系統(tǒng)設計

摘要：一些醫(yī)療檢測儀器在檢測時需要模擬人體溫度環(huán)境以確保檢測的精確性，本文以STM32為主控制器，電機驅動芯片DRV8834 為驅動器，驅動半導體致冷器(帕爾貼)給散熱片加熱或者制冷。但由于常規(guī)的溫度控制存在慣性溫度誤差的問題，無法兼顧高精度和高速性的嚴格要求，所以采用模糊自適應PID控制方法在線實時調整PID參數(shù)，計算PID參數(shù)Kp、Ki、Kd調整控制脈沖來控制驅動器的使能。從simulink仿真的和實驗結果來看模糊PID控制系統(tǒng)精度高、響應速度快，能達到預期效果。

溫度參數(shù)是工業(yè)生產中常用的被控對象之一，在化工生產、冶金工業(yè)、電力工程和食品加工等領域廣泛應用，在醫(yī)療檢測設備中時常需要模擬人體溫度進行成分檢測。采用直流電機驅動芯片DRV8834驅動帕爾貼的制冷和加熱過程。溫度隨時間的變化率和變化的方向不確定且可能大幅度的變化，要求系統(tǒng)的實際溫度快速和精確地跟蹤設定溫度以滿足加工工藝的要求。時間程序溫度控制系統(tǒng)具有強烈的非線性、強耦合、大時滯和時變等特點，傳統(tǒng)PID控制雖然算法簡單易于實現(xiàn)且調整時間較快、精度較高，但是抗干擾能力不強，容易產生振蕩;模糊PID不需要精確的數(shù)學模型，能較好的處理時變、非線性、滯后等問題，有很好的魯棒性，響應速度快。

1 過程分析及常規(guī)控制方法

恒溫控制系統(tǒng)具有制冷、加熱等功能，箱體內的溫度傳感器DS18B20通過不斷地檢測溫度，與設置的很定溫度作比較，當室內溫度低于設置溫度值時，加熱模塊工作，使DRV 8834輸出正向直流，驅動帕爾貼元器件，使其加熱;當溫度高于設置溫度值時，使DRV8834輸出反向直流，驅動帕爾貼元器件，使其工作在制冷功能。使室內溫度在設定值范圍內震蕩，最終趨向于穩(wěn)定。同時，控制系統(tǒng)將協(xié)調控制制冷和加熱系統(tǒng)，以達到箱溫波動值最小、高精度控溫的目標。所以溫度控制成為恒溫控制系統(tǒng)的核心問題。

2 模糊PID溫度控制系統(tǒng)的硬件電路設計

如圖1，系統(tǒng)主要包括以下幾個部分：

1)數(shù)字溫度傳感器：DS18B20是一種“一線總線”接口的溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件相比，它是一種新型的體積小、適用電壓寬、與微處理器接口簡單的數(shù)字化溫度傳感器，實現(xiàn)溫度的采集。

2)控制器：采用STM32模塊和存儲器構成，以其豐富的外部資源和高達72 MHz的主頻完成大量的PID運算。

3)加熱模塊：采用驅動芯片DRV8834，是一款雙路橋式步進器或者直流電機驅動器。由于加熱器帕爾貼是由直流控制發(fā)熱或者制冷，所以用DRV8834用作直流電機驅動器來驅動帕爾貼。

DRV8834能夠驅動兩個直流電機或者一個步進電機，每個H橋的電流輸出為1.5 A，2.2 A峰值電流，所以用1.5 A電流驅動帕爾貼加熱元器件。該器件提供了帶有一個故障輸出引腳的內部關斷功能，此功能用于過流保護、短路保護、欠壓閉鎖和過熱。另外，還提供了一種低功耗睡眠模式以節(jié)約電能和增加元器件使用壽命。

如圖2，nSLEEP引腳控制驅動芯片的睡眠模式，低電平進入睡眠模式，由STM32的I/O控制;AOUT1和AOUT2為橋A的兩個輸出端，(這里接帕爾貼的兩個輸入端)，并且在AOUT端串聯(lián)一個0.1歐姆的電阻和1uH的電感來模擬直流電機負載;VREFO為參考電壓的輸出;AVREF和 BVREF通過滑動變阻器改變輸入的電壓，結合AISEN端的電阻設置斬波電流的輸出，斬波電流計算公式：

AENABL引腳是DRV8834芯片的使能芯片;DIR引腳控制橋電流的輸出方向，這里可以控制帕爾貼的加熱或制冷;nFAULT引腳在芯片正常工作時輸出高電平，當輸出低電平時表示芯片過溫、過流或者欠壓以指示芯片的工作狀態(tài);VM輸入5 V電壓供電。

3 模糊PID溫度控制系統(tǒng)的軟件設計

3. 1 模糊控制基本原理

模糊控制是以模糊集合理論、模糊語言及模糊邏輯為基礎的控制，它是模糊數(shù)學在控制系統(tǒng)中的應用，是一種非線性智能控制。

本文在常規(guī)PID基礎上，以溫度反饋值與目標值的誤差e和誤差變化率ec作為輸入，一方面送入模糊控制器用模糊推理的方法計算PID參數(shù)的調整系數(shù)，進行在線自整定，以滿足不同e和ec對控制器參數(shù)的不同要求。

溫度控制的軟件設計主要包含3個部分：系統(tǒng)的初始化，模糊PID的計算，驅動電路的控制。其控制流程如圖4所示。

其中系統(tǒng)初始化包含STM32系統(tǒng)時鐘的初始化，I/O口的初始化，數(shù)字溫度傳感器DS18B20的初始化，顯示模塊的初始化等。模糊PID的計算是 e(k)和ec(k)的值輸入到模糊控制規(guī)則表然后去模糊化算出Kp、Ki、Kd的當前值。PID控制輸出的控制量是STM32定時器的計數(shù)值以控制 PWM輸出的占空比，PWM輸出連接到帕爾貼驅動器的使能引腳控制電流的輸出的通斷，從而控制帕爾貼的發(fā)熱量。

3.2 模糊劃分及模糊化

設溫度偏差e的基本論域為[-30℃，+30℃]，溫度偏差變化率ec的基本論域為[-12，+12]，輸出u的基本論域為 [-0.4，+0.4]，e、ec和u的語言變量E、EC和U，均劃分為7個變量等級(NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB)，各個變量的模糊論域范圍為：

{E)={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6};

{Ec}={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6};

{U}={-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7}。

對于模糊控制器而言，溫度偏差及其變化率都是精確輸入量，為了對確定的精確量進行模糊化，必須把它們轉換成模糊集合的隸屬函數(shù)。由于三角形函數(shù)計算較簡單、性能較好，輸入/輸出變量的隸屬度函數(shù)都采用三角形分布。

3.3 模糊控制規(guī)則

確定模糊控制規(guī)則的原則必須是系統(tǒng)輸出響應的動、靜態(tài)特性達到最佳。當誤差大或較大時，選擇控制量以盡快消除誤差為主;而當誤差較小時，選擇控制量要注意防止超調，以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主要出發(fā)點。

本研究根據實際運行經驗進行了試驗、分析、歸納，并得出一系列控制規(guī)則為：

3.4 simulink的仿真對比

采用模糊自適應PID控制與常規(guī)PID控制作對比，體現(xiàn)出模糊自適應在溫度控制方面的優(yōu)越性。帕爾貼加熱散熱片可以看成是一個具有時滯特性的一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為：

其中k取4，τ取500，延時部分在simulink中串聯(lián)一個Transport Delay模塊，延時時間取3 s。

如圖5，上半部分為模糊自適應PID控制，輸入的信號通過迷糊控制器算出Kp、Ki、Kd的修正值，然后加上Kp、Ki、Kd的經驗值來對傳遞函數(shù)起作用。下面半部分就為普通的PID控制。通過虛擬的示波器觀察兩種控制方法的控制效果。

紅色曲線為普通PID控制的輸出曲線，黃色曲線為模糊自適應PID控制的輸出曲線，通過對比可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的PID控制存在嚴重的超調，并在預期值上下震蕩，調整時間長。模糊自適應PID控制很好的解決了這個問題，以最快的時間最小的超調達到系統(tǒng)穩(wěn)定。

4 結束語

本次實驗采用了常用的直流電機驅動器通過適當調整電路運用到半導體制冷器件上，電路簡單成本也較低。軟件設計上運用PID模糊控制有效的解決了溫度控制的慣性和延遲問題，實驗基于STM32控制器充分利用其固件庫函數(shù)大大減少了開發(fā)周期，提高了效率。此系統(tǒng)可以運用在醫(yī)療設備、家用小電器等一些用到溫度控制的場合中，具有一定代表性。