黃鶯，陶漢卿

(柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545007)

0 引言

隨著我國(guó)城市居民生活水平的不斷提高，人們對(duì)風(fēng)扇的消費(fèi)需求也發(fā)生了明顯的變化。無(wú)葉風(fēng)扇也叫空氣增倍機(jī)，它能產(chǎn)生自然持續(xù)的涼風(fēng)，無(wú)葉片，不會(huì)覆蓋塵土或傷到好奇兒童手指。在無(wú)葉風(fēng)扇的基座中帶有一個(gè)40 W直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的渦輪風(fēng)扇，每秒鐘可以將33 L的空氣吸入風(fēng)扇基座內(nèi)部，經(jīng)渦輪風(fēng)扇增壓后進(jìn)入風(fēng)扇上部的環(huán)形流道，從1.3 mm寬的切口吹出。由于環(huán)形流道獨(dú)特的弧度設(shè)計(jì)，風(fēng)量被放大15倍左右，無(wú)葉風(fēng)扇可以向前送出大約500 L/s的風(fēng)量。無(wú)葉風(fēng)扇在多項(xiàng)方面都優(yōu)于傳統(tǒng)的葉片風(fēng)扇，而價(jià)格卻幾乎與傳統(tǒng)風(fēng)扇相近，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于空調(diào)的費(fèi)用，并且以安全、環(huán)保、健康、創(chuàng)意、省電、方便、理想、舒適和價(jià)廉等優(yōu)點(diǎn)，占領(lǐng)了市場(chǎng)，成為了人們的首選。

1 電路總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)可以通過(guò)無(wú)葉風(fēng)扇控制器前面板的按鍵，實(shí)現(xiàn)無(wú)葉風(fēng)扇的氣壓(風(fēng)量)大小設(shè)定和起動(dòng)停止控制功能，按“上升鍵”或“下降鍵”可以設(shè)定無(wú)葉風(fēng)扇氣壓的大小，設(shè)定值在數(shù)碼管上顯示，每按一次按鍵，增加或減小10 Pa氣壓值，設(shè)定范圍從0 Pa到400 Pa;按“啟動(dòng)鍵”可實(shí)現(xiàn)無(wú)葉風(fēng)扇的起動(dòng)功能，“停止鍵”可實(shí)現(xiàn)無(wú)葉風(fēng)扇的停止功能。無(wú)葉風(fēng)扇運(yùn)行時(shí)實(shí)際輸出的氣壓實(shí)行閉環(huán)控制，跟隨設(shè)定的氣壓。實(shí)際的氣壓值在數(shù)碼管上顯示。按停止鍵后無(wú)葉風(fēng)扇停止運(yùn)行，氣壓設(shè)定值保持不變。

根據(jù)系統(tǒng)任務(wù)的要求，無(wú)葉風(fēng)扇控制器由氣壓傳感器、信號(hào)放大電路、AD轉(zhuǎn)換電路、FPGA控制電路、數(shù)碼顯示與鍵盤電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等組成。氣壓檢測(cè)采用MPXV7002集成硅壓傳感器、FPGA控制部分采用Xinlinx公司的XC6SLX9－TQG144為主控芯片，AD轉(zhuǎn)換采用I2C通訊接口的4路12位轉(zhuǎn)換芯片AD7991，數(shù)碼管顯示和鍵盤由FPGA直接控制，電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用脈寬調(diào)制控制。具體的電路框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 處理器

系統(tǒng)中的FPGA控制部分采用Xinlinx公司的XC6SLX9－TQG144。該芯片是Xilinx(賽靈思)Spartan系列產(chǎn)品之一，具有低成本、低風(fēng)險(xiǎn)、低功耗以及高性能的特點(diǎn)。Spartan－6 FPGA系列的高效雙寄存器6輸入LUT(查找表)邏輯結(jié)構(gòu)利用了可靠成熟的Virtex架構(gòu)，支持跨平臺(tái)兼容性以及優(yōu)化系統(tǒng)性能，具有豐富的內(nèi)建系統(tǒng)級(jí)模塊，包括DSP邏輯片、高速收發(fā)器以及PCI Express?接口內(nèi)核，提供更高程度的系統(tǒng)級(jí)集成，使得設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單和直接。

2.2 顯示電路

雖然由于單片機(jī)等CPU的數(shù)據(jù)/地址/控制總線端口都有一定的負(fù)載能力，如果負(fù)載超過(guò)其負(fù)載能力，一般應(yīng)加驅(qū)動(dòng)器。74HC245是一款高速CMOS器件，可充當(dāng)一個(gè)8輸出多路分配器，可應(yīng)用于要求傳輸延遲時(shí)間短的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和高性能存貯器系統(tǒng)中，提高譯碼系統(tǒng)的效率。具體顯示電路如圖2所示。

圖2 數(shù)碼管顯示電路圖

2.3 按鍵電路

根據(jù)題目的需要，需要設(shè)置四個(gè)按鍵，其作用分別為“上升鍵”、“下降鍵”、“啟動(dòng)鍵”和“停止鍵”。按鍵采用的是獨(dú)立式的按鍵輸入，電路簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便。具體電路如圖3所示。

2.4 氣壓電路

傳感器采用摩托羅拉公司的高性能擴(kuò)散硅壓力傳感器MPXV7200DP，并通過(guò)專門的保護(hù)支座安裝在線路板上。處理電路采用由運(yùn)算放大器構(gòu)成的兩級(jí)放大電路實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的調(diào)整、放大。該模塊可用DC 12 V供電，輸出為模擬量信號(hào)，然后接入AD轉(zhuǎn)換進(jìn)行轉(zhuǎn)換。具體電路如圖4所示。

圖3 按鍵電路圖

圖4 氣壓傳感器電路處理圖

2.5 AD轉(zhuǎn)換電路

AD7991是12位、低功耗、轉(zhuǎn)換速度快、4個(gè)模擬輸入通道的AD轉(zhuǎn)換器，工作電壓2.7 V～5.5 V，提供2線串行接口，兼容I2C接口。AD7991芯片的I2C必須接上位電阻，每通道輸入電壓范圍0～VDD。具體電路如圖5所示。

2.6 電機(jī)電路

TLP521是可控制的光電藕合器件，主要是應(yīng)用電路之間的信號(hào)傳輸，使之前端與負(fù)載完全隔離，增加安全性，減小電路干擾，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。D3和D5主要是起到保護(hù)的作用。具體電路如圖6所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制策略算法

無(wú)葉風(fēng)扇運(yùn)行時(shí)實(shí)際輸出的氣壓應(yīng)閉環(huán)控制，能隨設(shè)定的氣壓變化而變化。采用DMC算法能更好實(shí)現(xiàn)氣壓的控制，此算法具有良好的跟蹤性能和較強(qiáng)的魯棒性［1］，近年來(lái)在工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域中得到廣泛重視和應(yīng)用的一類預(yù)測(cè)控制算法［2－3］。DMC算法是基于被控對(duì)象單位階躍響應(yīng)非參數(shù)模型的預(yù)測(cè)控制算法。通過(guò)反饋校正和滾動(dòng)優(yōu)化當(dāng)前和未來(lái)時(shí)刻的控制量，使得輸出響應(yīng)符合預(yù)先設(shè)定的軌跡。DMC算法包括3個(gè)部分:預(yù)測(cè)模型、滾動(dòng)優(yōu)化、反饋校正［4］。在實(shí)際過(guò)程中，根據(jù)控制要求的側(cè)重點(diǎn)，選擇合適參數(shù)向量，兼顧魯棒性和抗干擾性的要求［5］。DMC算法容易由高級(jí)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)［6］。DMC算法的FPGA實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下:

第一步:初始化參數(shù)，比如采樣時(shí)間周期Ts，預(yù)測(cè)步長(zhǎng)P，控制步長(zhǎng)M，截?cái)嗖介L(zhǎng)N，控制量最大值umax，參考軌跡參數(shù)a，誤差加權(quán)矩陣Q，調(diào)整控制加權(quán)矩陣系數(shù)、輸出預(yù)測(cè)值Yr。

第二步:對(duì)被測(cè)的電壓進(jìn)行測(cè)定，將采樣的電壓送入預(yù)測(cè)模型參數(shù)Yr，計(jì)算期望的輸出值。

第三步:計(jì)算偏移控制量Δu(k)，不斷地疊加到系統(tǒng)中，用于校正輸出值，使系統(tǒng)在未來(lái)P個(gè)時(shí)刻的輸出值盡可能接近期望值。

第四步:把檢測(cè)氣壓的實(shí)際值與模型預(yù)測(cè)輸出值進(jìn)行比較，計(jì)算誤差值e(k+1)，使用對(duì)e(k+1)加偏移的方式進(jìn)行修正，構(gòu)成了閉環(huán)優(yōu)化。

第五步:輸出期望值。然后跳轉(zhuǎn)第二步，依次循環(huán)，直到符合要求。

3.2 氣壓與電壓關(guān)系

本設(shè)計(jì)中采用的是無(wú)葉風(fēng)扇的套件。由于風(fēng)速與氣壓存在一定關(guān)系，風(fēng)速大，氣壓就大，反之，風(fēng)速小，氣壓就小。在無(wú)葉風(fēng)扇的環(huán)形流道上增加了氣壓監(jiān)測(cè)孔，連接氣壓傳感器和U型壓力計(jì)，氣壓傳感器用于氣壓反饋，在使用過(guò)程中使用U型壓力計(jì)用于氣壓標(biāo)定。氣壓傳感器輸出的是電壓信號(hào)。因此，檢測(cè)出電壓值就可根據(jù)關(guān)系曲線求出氣壓。使用氣壓傳感器檢測(cè)氣壓，通過(guò)由運(yùn)放構(gòu)成的兩級(jí)放大電路實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的放大、調(diào)理，送入FPGA進(jìn)行處理。通過(guò)測(cè)定氣壓與電壓關(guān)系如公式(1)所示:

公式中，取Vs=5 V，取放大倍數(shù)為8，經(jīng)過(guò)差分放大后，輸出電壓與壓強(qiáng)關(guān)系:當(dāng)Kpa=500 Pa時(shí)，Vout=4 V。

4 系統(tǒng)程序流程

系統(tǒng)軟件采用結(jié)構(gòu)化模塊設(shè)計(jì)。主程序包括初始化、按鍵輸入檢測(cè)程序、數(shù)碼管顯示程序和電壓的采集和處理程序等。具體流程如圖7所示。

5 產(chǎn)品調(diào)試

5.1 算法仿真測(cè)試

使用MATLAB軟件對(duì)算法的效果進(jìn)行仿真。MATLAB軟件提供了一系列的函數(shù)，比如模型預(yù)測(cè)控制器設(shè)計(jì)仿真工具、模型建立和轉(zhuǎn)換等，可以很容易對(duì)已知被控參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析和研究。本系統(tǒng)中，經(jīng)反復(fù)驗(yàn)證修改，取采樣時(shí)間周期Ts=1 s，預(yù)測(cè)步長(zhǎng)P=20，控制步長(zhǎng)M=4，截?cái)嗖介L(zhǎng)N=100，控制量最大值umax=400，參考軌跡參數(shù)a=0.4，誤差加權(quán)矩陣為單位矩陣，調(diào)整控制加權(quán)矩陣系數(shù)。

具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)波形如圖8和圖9所示。圖8是設(shè)置輸入氣壓為300 Pa時(shí)輸出氣壓與時(shí)間關(guān)系曲線，圖9是設(shè)置輸入氣壓為100 Pa時(shí)輸出氣壓與時(shí)間關(guān)系曲線。氣壓跟蹤過(guò)程迅速穩(wěn)定，定點(diǎn)量準(zhǔn)確，說(shuō)明DMC算法對(duì)快速跟蹤設(shè)置的氣壓，可獲得良好的控制效果和性能。

圖7 控制系統(tǒng)軟件流程圖

圖8 輸入氣壓=300 Pa，輸出氣壓與時(shí)間關(guān)系曲線

圖9 輸入氣壓=100 Pa，輸出氣壓與時(shí)間關(guān)系曲線

5.2 無(wú)葉風(fēng)扇成品的測(cè)試

產(chǎn)品焊接調(diào)試好后，檢查連線無(wú)誤，接上電源，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。按下“啟動(dòng)鍵”可以啟動(dòng)無(wú)葉風(fēng)扇，按下“停止鍵”可以實(shí)現(xiàn)無(wú)葉風(fēng)扇的停止。通過(guò)“上升鍵”和“下降鍵”可以調(diào)整輸出無(wú)葉風(fēng)扇的氣壓，同時(shí)在數(shù)碼管上可以正常顯示調(diào)整的氣壓。通過(guò)“上升鍵”把設(shè)定值設(shè)置為100 Pa和300 Pa，通過(guò)觀察數(shù)碼管可以顯示實(shí)際的氣壓值，記下從開始到輸出設(shè)定值所需要的時(shí)間大概是6～7 s，然后數(shù)值一直保持在設(shè)置值，直到新的設(shè)定值被重新設(shè)置。通過(guò)“上升鍵”和“下降鍵”把氣壓設(shè)置為0～400 Pa范圍，輸出氣壓都能跟隨設(shè)定的氣壓變化，所需時(shí)間都在8 s以內(nèi)。測(cè)試結(jié)果說(shuō)明，氣壓跟蹤過(guò)程迅速穩(wěn)定，定點(diǎn)準(zhǔn)確快速，使用DMC算法可獲得良好的控制效果和性能。

6 總結(jié)

針對(duì)現(xiàn)在市場(chǎng)上流行的無(wú)葉風(fēng)扇，本文介紹了無(wú)葉風(fēng)扇的硬件和軟件設(shè)計(jì)，并闡述DMC算法在無(wú)葉風(fēng)扇中對(duì)風(fēng)速的控制。風(fēng)扇風(fēng)速能快速跟蹤設(shè)置的風(fēng)速，具有較好的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。此方法也可以加以修改應(yīng)用于其它類似的產(chǎn)品中去。今后的工作，要對(duì)DMC算法進(jìn)一步改進(jìn)，或者編寫自己的算法，通過(guò)對(duì)多參數(shù)的共同控制，達(dá)到快速控制輸出氣壓的效果。

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