基于微控制器的數(shù)字式溫度伺服控制系統(tǒng)

　　摘要：溫度伺服控制系統(tǒng)是數(shù)碼變溫空調的一個重要的子系統(tǒng),是數(shù)碼變溫空調的執(zhí)行機構。本文根據(jù)數(shù)碼變溫空調的工作原理,提出了一種基于ARM微控制器的全數(shù)字式溫度伺服控制系統(tǒng)。溫度伺服系統(tǒng)硬件電路是以基于ARM的數(shù)字溫度控制器為核心,通過單線總線數(shù)字溫度傳感器DS1820對室內外溫度進行采樣,并使用液晶模塊對溫度伺服系統(tǒng)的各個運行參數(shù)進行實時顯示和分析。采用通用的模塊化設計方式,編寫了溫度伺服系統(tǒng)調速程序, 并且使用C語言對程序進行了實現(xiàn)。

　　1 引言

　　居室氣候是一種與人體健康最密切的人造氣候。隨著人們物質生活水平的日益提高,各種調節(jié)居室氣候的電器產(chǎn)品已越來越多地進入尋常百姓家,居室氣候已變得越來越舒適,越來越不受自然氣候的制約?？照{控制室內溫度隨室外溫度改變而連續(xù)緩慢變化,更貼近人的生理感受,使人感覺更加舒適,健康。本文以數(shù)碼變溫空調的研究為背景,以其中伺服系統(tǒng)的設計為核心,研究內容涉及溫度控制器的設計、電機驅動電路設計、電機調速方案確定以及程序實現(xiàn)等方面。

　　2 伺服系統(tǒng)硬件結構框圖設計

　　以lpc2214 為核心的溫度控制器硬件框圖如圖1 所示,它由嵌入式微控制器lpc2214,電源模塊,時鐘系統(tǒng),JTAG 調試接口,復位電路,數(shù)字溫度采集部分,LCD 液晶顯示器,獨立鍵盤,電機控制模塊等部分組成。

　　3 硬件部分詳細電路設計

　　3.1 基于ARM 的最小系統(tǒng)設計

　　基于lpc2214 的最小系統(tǒng)主要由電源模塊、時鐘模塊、JTAG 調試模塊、復位配置模塊構成,lpc2214 自帶16K 靜態(tài)SRAM 和128K FLASH,可以下載用戶程序,所以不需要外擴存儲器模塊。

　　1、電源系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)使用的lpc2214 芯片,需要4 組電源輸入:數(shù)字3.3V、數(shù)字1.8V,模擬3.3V、模擬1.8V。理想情況下,電源系統(tǒng)需要提供4 組獨立的電源:兩組3.3 V 電源和兩組1.8V 電源,它們需要單點接地或者大面積接地。本系統(tǒng)中使用的A/D 功能對電流進行采樣,要求不高,所以模擬電源和數(shù)字電源可以不分開供電。數(shù)字溫度傳感器DS1820 可以使用單線寄生電源,可以直接掛入lpc2214 的I/O 口進行溫度采集,所以不需要單獨供電。這樣,末級只需要提供兩組電源。電源的前級設計和末級設計與供給系統(tǒng)的電源的輸入有關,前級電源使用9-15V 直流電壓輸入。

[!--empirenews.page--]

　　2、時鐘系統(tǒng)與復位電路。系統(tǒng)使用外部晶振或外部時鐘源,內部PLL(鎖相環(huán))電路可以調整系統(tǒng)時鐘,使系統(tǒng)的運行速度更快(CPU 的最大操作時鐘為60MHz)。倘若不使用片內的PLL 功能及ISP(在系統(tǒng)編程)功能,則外部晶振頻率范圍是1~30MHz,外部時鐘頻率的范圍是1~50MHz;若使用外部PLL 功能或ISP 功能,則外部晶振頻率范圍是10~25MHz,外部時鐘頻率范圍是10~25MHz。lpc2214 有兩個復位源,RESET 引腳和看門狗(WDT)復位。RESET 復位屬于硬件復位,看門狗復位屬于軟件復位。

　　3、JTAG 調試接口。調試與測試接口不是系統(tǒng)運行必需的,但現(xiàn)代系統(tǒng)越來越強調可測性,調試、測試接口的設計也越來越受到重視。

　　圖3 是復位和JTAG 接口電路,它在復位信號和CPU 之間插入三態(tài)門74HC125。使用三態(tài)門主要是為了復位芯片和JTAG 仿真器都可復位。如果沒有74HC125,當復位芯片輸出高電平,JTAG 仿真器就不能把它拉低,這不但不能實現(xiàn)所需要的功能,還可能損壞復位芯片或JTAG 仿真器。因為這種電路JTAG 仿真器對lpc2214 有完全的控制,仿真性能最好。

　　3.2 溫度采集與液晶接口模塊

　　溫度采集部分是本系統(tǒng)中的關鍵模塊之一,負責實時采集室內、室外的溫度信息,并以溫度的變化作為控制電機運行的參數(shù),系統(tǒng)對溫度采集的基本要求是:溫度采集的準確度高,抗干擾性強,容易實現(xiàn)長距離溫度的采集以及多點采集,并且硬件實現(xiàn)簡單?；谝陨系脑瓌t,本設計選擇單線總線數(shù)字溫度傳感器DS1820 來實現(xiàn)。其框圖如圖3 所示。

　　DS1820 可以程序設定9~12 位分辨率,精度為±0.5℃;數(shù)字溫度傳感器DS1820,和傳統(tǒng)的模擬傳感器相比,不需要進行A/D 轉換,所以抗干擾性有了很大的提高;所謂一線總線的特性,即是指電源和信號復合在一起,僅使用一根口線,就可以實現(xiàn)溫度的采集。這點更適合本系統(tǒng)中的長距離、多點采集的要求,且實現(xiàn)簡單。

　　液晶模塊是本系統(tǒng)的人機交互模塊,負責實時顯示系統(tǒng)運行時的各種參數(shù),包括室內、室外溫度,電機轉速、參考電流等模擬量。本系統(tǒng)使用的是SMG240128A 點陣圖形液晶模塊。

　　SMG240128A 點陣液晶模塊的點像素為240×128 點,黑色字/白色底,STN 液晶屏,視角為6:00,內嵌控制器為TOSHIBA 公司的T6963C,外部顯示存儲器為32KB。對于lpc2214 微控制器來說,可以采用外部存儲器接口與液晶模塊進行連接,LCD 內部集成了負壓DC-DC 電路(LCD驅動電壓),使用時只需要提供單5V 電源即可。

　　3.3 功率驅動電路

　　無刷直流電機驅動電路由驅動芯片IR2130 和三相全橋逆變電路構成。集成驅動芯片IR2130 內部自舉技術形成懸浮的高壓側電源,因而只用一路電源即可驅動三相橋式逆變電路中母線電壓不超過600V 的六個MOSFET,降低了電路設計復雜度,提高了系統(tǒng)的可靠性。

　　前級控制單元輸出的六路脈寬調制信號經(jīng)過光電隔離輸入到柵極功率驅動芯片IR2130,經(jīng)過驅動放大后控制六只功率MOSFET 進行開關動作,實現(xiàn)對電機的控制。同時,電流檢測電路實時檢測主回路電流,經(jīng)過信號調理,一方面作為IR2130 自身過流檢測單元的輸入信號,另一方面作為電機電流反饋信號輸入到lpc2214 的A/D 轉換單元,實現(xiàn)電機電流的閉環(huán)控制;當電路產(chǎn)生過流、過壓和欠壓故障時,產(chǎn)生報警信號,反饋給前級控制電路,以切斷輸入到功率驅動電路的脈寬調制信號。[!--empirenews.page--]

　　4 伺服系統(tǒng)軟件設計

　　本系統(tǒng)的軟件設計也主要是基于ARM 芯片進行的,C 語言的可讀性和可移植性都非常好,這樣就能極大地縮短嵌入式軟件開發(fā)的周期,對于實時性要求不是很高的場合,應用C 語言來編寫ARM 程序,將是未來的主流之一。系統(tǒng)程序開發(fā)總體結構如圖4。電機伺服調速系統(tǒng)軟件總體結構分為初始化設定模塊、轉速調節(jié)模塊、電流調節(jié)模塊、PWM 更新模塊等4大部分組成。主程序只要調用每個模塊即可。

　　1、系統(tǒng)初始化。由于本系統(tǒng)使用C 語言進行軟件系統(tǒng)設計,所以必須首先建立C 語言運行環(huán)境,這項任務由Startups 這個函數(shù)來完成,運行這個函數(shù)的方法是可以在程序開始調用這個函數(shù)。采用的方法是加載工程模板ARM Executable LPC2200,其中已經(jīng)包含了Startup.s函數(shù)。主要包括時鐘初始化、中斷向量初始化、I/O 口初始化、通用定時器初始化、捕獲單元初始化和A/D 轉換單元初始化幾部分。

　　2、轉速調節(jié)模塊。轉速調節(jié)模塊由轉速計算、換相控制、轉速PI 調節(jié)3 部分組成。電機轉速的計算放在捕獲中斷服務子程序中進行。我們知道霍爾位置傳感器的信號在電機轉子旋轉一周周期中有6 次換相,就是說每轉過60°機械角都有一次換相,這樣,只要檢測兩次換相的時間間隔△t,計算出兩次換相期間的平均角速度。為了保證得到最大的轉矩,就必須不斷的對無刷電機進行換相。掌握恰到好處的換相時刻,可以減少轉矩波動,因而換相的檢測是十分重要的。在程序設計中,換相控制安排在換相中斷服務子程序中完成?；魻栁恢脗鞲衅鞯男盘柌ㄐ稳鐖D5-4 所示,每一個霍爾傳感器都會產(chǎn)生1800 的脈寬信號,三個霍爾傳感器的輸出信號相差1200 相位差。這樣在轉子旋轉一周,正好產(chǎn)生6 個上升、下降沿,對應了6 個換相時刻。通過將CAP0.0/CAPO.1/CAP0.2 設置成雙邊沿捕獲就可以捕獲這6 個時刻。同時,要將讀入的三個捕獲口的控制字,變換成對應的開關管控制字。

　　3、電流采樣模塊。電流采樣是通過0.5Ω 精密無感電阻R 來實現(xiàn)的。電阻值的選擇要考慮當過流發(fā)生是能輸出的最大電壓,同時起到過流檢測的作用。每一個PWM 周期對電流采樣一次。本系統(tǒng)中PWM 周期是50μs,所以電流的采樣頻率為20KHz。電流采樣中有一個問題需要特別注意,就是電流采樣時刻的選擇。由于對開關管采用單極性PWM 控制,在PWM“關”期間,電流經(jīng)過常開的開關管和另一個開關管的續(xù)流二極管形成續(xù)流回路,這個續(xù)流回路并不經(jīng)過電流檢測電阻R,因此在R 上也沒有壓降,所以在PWM 周期“關”器件不能電流采樣。

　　5 直流無刷電機調速控制算法

　　從理論上看,無刷直流電機的感應電動勢和電磁轉矩的公式如下:

　　由以上兩個公式可見,感應電動勢與轉子轉速成正比,電磁轉矩與定子電流成正比,所以我對無刷電機的調速系統(tǒng)采用了如圖5 的控制策略。

　　本系統(tǒng)中,以高性能ARNI 芯片lpc2214 為核心,采用PWM 控制方式控制電機的轉速和電流,霍耳元件檢測轉子位置,以功率MOSFET 場效應管作為功率變換器件,實現(xiàn)全數(shù)字交流溫度伺服系統(tǒng)。

　　本文作者創(chuàng)新點

　　本文針對數(shù)碼變溫空調溫度伺服系統(tǒng)的控制特點,提出了一種基于lpc2214 全數(shù)字溫度伺服控制系統(tǒng),完成了系統(tǒng)的總體方案設計,同時又系統(tǒng)的軟、硬件各部分進行了詳細的設計與實現(xiàn)。通過合理的利用ARM 的片內資源,解決了硬件系統(tǒng)冗余控制難題;根據(jù)伺服系統(tǒng)的控制要求,選用了方波無刷直流電機作為伺服系統(tǒng)的執(zhí)行機構;根據(jù)無刷電機的控制要求,設計了基于功率MOSFET 和柵極接口驅動芯片IR2130 的驅動電路。