范偉成，王 豐2，李勇杰，黃興東

(1.上海齊耀動力技術有限公司，上海 201203; 2.中國船舶重工集團公司 第七一一研究所，上海 201203 )

0 引言

自由活塞斯特林制冷機采用直線電機、純氣動膨脹等先進技術，具有結構緊湊、低振動噪音、壽命長、制冷量方便可調等優(yōu)點。近年來，傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)由于臭氧層破壞、溫室效應等原因而受到越來越嚴格的限制，這為自由活塞斯特林制冷機的發(fā)展提供了難得的歷史機遇。與傳統(tǒng)的蒸汽壓縮節(jié)流制冷有極大不同，自由活塞斯特林制冷機采用氦氣膨脹制冷，無節(jié)流系統(tǒng)和蒸發(fā)器，具有高效率、“綠色”制冷劑、制冷溫區(qū)廣等特點，在環(huán)保和節(jié)能方面具有重要優(yōu)勢[1]。

由于自由活塞斯特林與直線電機緊密融合為一體，因此自由活塞式斯特林制冷機性能調節(jié)與控制技術是制冷機穩(wěn)定運行的關鍵技術之一，測控系統(tǒng)擔負著制冷機運行狀態(tài)監(jiān)測和對其進行控制保護的重要任務。測控系統(tǒng)性能的優(yōu)劣對制冷功能任務的完成與否以及設備運行性能表現(xiàn)影響很大，因此，測控系統(tǒng)的研制開發(fā)工作在制冷機項目研制過程中顯得尤為重要。

為了實現(xiàn)對自由活塞斯特林制冷機相關參數(shù)的測量與控制，設計了一套基于單片機的測控系統(tǒng)，采用HCS12單片機作為核心微處理器，以完成制冷機狀態(tài)檢測和控制任務，測量相關數(shù)據(jù)以研究自由活塞斯特林制冷機的特性。

1 測控系統(tǒng)設計及硬件組成

根據(jù)自由活塞斯特林制冷機要求，測控系統(tǒng)總體設計如圖1所示。本測控系統(tǒng)基于MC9S12DG256[2]單片機，屬于HCS12系列。大多數(shù)單片機均采用JTAG仿真調試方式，MC9S12DG256單片機采用BDM單線背景調試模式為開發(fā)者提供了便利，其能在單片機運行時對單片機進行動態(tài)調試，該單片機一大特色就是單線背景調試模式和時鐘監(jiān)視部分用于開發(fā)支持和運行安全。大多數(shù)引腳具有復用功能，即通用I/O功能和特殊接口功能，這些具有復用功能的端口和控制邏輯全部集成在單片機的內部，因此具有體積小、功耗低、可靠性高和應用簡單的特點。該單片機內部程序存儲器Flash可以用作保存軟件代碼和測控原始數(shù)據(jù)其容量達256 KB；12 KB的RAM存儲器可以用于堆棧設置、保存中間零時變量以及動態(tài)運行數(shù)據(jù)信息，甚至在軟件調試時存放程序； EEPROM存儲器容量為4 KB，可以用于設置運行參數(shù)、保存組態(tài)等需要長期保存信息數(shù)據(jù)；特有的BDM調試方式在沒有仿真器條件下就可以實現(xiàn)硬件斷點、條件斷點和在線調試等全部功能；內置的看門狗可以保證軟件跑飛后快速恢復，當系統(tǒng)的始終運行異常時，可以用過時鐘監(jiān)視系統(tǒng)功能進行查看。此外，該單片機內部集成了A/D、PWM、SRAM、EEPROM、 CAN、Watchdog等，大幅度簡化外圍電路，支持在線仿真、調試和編程，內部總線速率高達25 MHz，有工業(yè)控制專用的通信模塊，用作數(shù)據(jù)運算處理和通信可以取得較好的效果。

圖1 測控系統(tǒng)框圖

測控系統(tǒng)硬件組成有：以MC9S12DG256單片機為核心的控制器、壓力測量變送器、溫度測量傳感器Pt100、角度測量變送器、直線電機電壓電流測量變送器、散熱風扇、聲光報警和上位機PC等。

測控系統(tǒng)工作原理：圖1中上位機PC主要用于顯示自由活塞斯特林制冷機的參數(shù)數(shù)據(jù)狀態(tài)，是人機對話窗口，通過點擊上位機PC的操作按鈕，向單片機控制器下發(fā)例如“開機”、“停機”和“復位”等控制操作，在上位機PC也可設置制冷機的運行參數(shù)。單片機控制器用作下位機，主要用于采集和處理各個傳感器信號，當傳感器信號出現(xiàn)異常之時能夠提供報警信息；為了保證制冷機安全可靠運行，采用反電動勢控制策略實現(xiàn)制冷機直線電機行程控制，采用快速制冷與溫度PID控制相結合的控制策略實現(xiàn)制冷機冷端溫度的控制；調節(jié)和控制直線電機的正常運轉，當直線電機出現(xiàn)異常時能夠提供報警信息或者直接發(fā)送停機指令；控制風扇進行散熱或驅動報警器進行聲光報警；單片機控制器將制冷機的各個傳感器數(shù)據(jù)信息或報警信息通過串口通訊傳送給上位機PC，并根據(jù)上位機PC的控制指令執(zhí)行相應的控制指令。

1.1 壓力測量

壓力測量用于測量自由活塞斯特林內部的工質壓力，采用工業(yè)控制上常用的電流型兩線制壓力變送器，型號為：CS20FUF-5MPa，該傳感器工作電壓為24 VDC，測量精度為全量程±0.2%，輸出信號為4～20 mA。該電流信號通過249歐姆精密電阻對地產生最高4.98 V的電壓信號，再經過信號調理后進入MC9S12DG256單片機的內部AD模塊進行模數(shù)轉換。

1.2 溫度測量

需要對制冷機的冷端、熱端溫度以及直線電機溫度的實時采集，這里采用熱電阻Pt100完成。為了保證測量精度，Pt100測溫使用三線制接法，如圖2所示，Pt100信號采集采用電橋測量方式完成，Pt100和精密電阻R1、R2、R組成測量電橋電路，其中R1=R2且R3為可調電阻，連接Pt100的三根導線a、b和c等長，則其導線電阻也基本一致，可以互為抵消導線電阻引起的測量誤差，進而提高了Pt100信號測量準確度。Pt100在溫度變化時其電阻值變化是線性的，因此圖2所示的測量電路的輸出V=V+-V-也是線性的，MC9S12DG256單片機的內部AD采集這個電壓就能獲得當前制冷機相關測點的溫度。

圖2 熱電阻三線制測量

1.3 傾角測量

自由活塞斯特林制冷機整體結構較為精密，運行中如果發(fā)生移位而形成一定傾角則可能給制冷機帶來損壞，因此設置了傾角傳感器，當制冷機達到一定的傾角數(shù)值，則報警并停止運行。 傾角傳感器型號為：HCA526T，信號輸出為4～20 mA，同樣采用249歐姆精密電阻對地產生最高4.98 V的電壓信號后再經過調理后送給MC9S12DG256單片機處理。

1.4 直線電機電壓電流測量

直線電機驅動斯特林活塞工作，形成穩(wěn)定的工作循環(huán)，達到制冷目的。為了控制斯特林活塞的行程和計算系統(tǒng)的效率需要測量直線電機的電壓和電流，使用的變送器型號分別為CHZ-50VT/A1和 CHZ-50G/A1，為了提高系統(tǒng)的抗干擾性能，其信號輸出均采用4～20 mA。

1.5 執(zhí)行器控制

自由活塞斯特林制冷機工作過程中，需要用散熱風扇及時把熱端產生的熱量帶走；當有異常產生時需要進行聲光報警，在本系統(tǒng)中，散熱風扇和報警器屬于執(zhí)行器，其控制相對簡單，結合散熱風扇和報警器的自身特性和成本考慮，MC9S12DG256單片機輸出指令經過三極管放大后對二者進行驅動控制，可靠性較高且降低了系統(tǒng)成本。

1.6 直線電機控制

自由活塞斯特林制冷機依靠直線電機的周期性往復運動驅動斯特林機的自由活塞壓縮工質，從而實現(xiàn)熱量從冷端向熱端的傳輸，達到制冷的目的。因直線電機的周期性往復運動則驅動電源必須以周期性方波形式。本系統(tǒng)采用基于IR2181S的MOSFET全橋結構[3]，IR2181S芯片電路內部集成了CMOS控制電路和由MOS 管組成的驅動橋，它能為負載提供2.3 A的連續(xù)電流。該電路能在600 V 的供電電源范圍內安全工作，用戶只需提供與TTL 電平兼容的PWM 信號就可進行4 象限模式的幅值和方向同時控制,而且與數(shù)字控制器的接口非常簡單。直線電機往復運動控制原理如圖3所示，4 個MOS 管(M1～M4 ) 和一個直線電機(M) 組成的H 全橋。在圖3(a)中，當M1 和M4 導通時，電流從電源正極經M1 從左至右穿過直線電機，然后再經M4 回到電源負極，電機沿順時針轉動。在圖3(b)中，當M3 和M2 導通時，電流從右至左流過直線電機，直線電機沿逆時針轉動。因此，通過調整MOS 管的導通與截止時序可以控制直線電機的轉向，通過調整流經電機電流的大小可以控制直線電機的轉速。本測控系統(tǒng)通過MC9S12DG256單片機的PWM通道輸出方波激勵，驅動IR2181S工作，周期性地開啟與關閉M1-M4 、M2-M4可以達到直線發(fā)電機驅動功率可控且可靠的要求。

圖3 直線電機控制電路示意圖

1.7 上位機PC

上位機PC是人機對話的窗口，采用國產組態(tài)王軟件設計完成。由參數(shù)數(shù)據(jù)、控制操作、歷史曲線和報警信息等4個部分組成，如在參數(shù)數(shù)據(jù)窗口顯示制冷機的溫度、功率，電流和壓力；報警信息記錄主要記錄制冷機警報類型，方便分析故障；歷史曲線趨勢可以查看制冷機各個參數(shù)的運行趨勢，也可用作壽命統(tǒng)計分析。

2 測控策略

自由活塞斯特林制冷機測控策略核心之一是直線電機的行程控制，要保證行程最大化而避免撞缸并使斯特林機達到最佳效率；另一個核心策略是溫度控制，是自由活塞斯特林制冷機的核心需求，其控制精度直接體現(xiàn)制冷機的質量。

2.1 直線電機行程控制策略

自由活塞斯特林制冷機結構非常緊湊，導致無法直接測量直線電機的行程，根據(jù)有關資料[4-5]，直線電機的反電動勢(BEMF)與直線電機的有效行程存在確定的近似線性關系。反電動勢的本質是通電線圈在磁場中的運動，即:

BEMF=B·l·v

(1)

在一定的驅動電壓Vdrive下，反電動勢BEMF阻礙線圈中電流的增加，即：

社會認知論是社會心理學的重要理論之一，與讀心術有著或多或少的關系。實用性利潤重視商品的效用、價值。感知性利潤重視購買者的自我體驗。例如，在兒童節(jié)節(jié)日時，某廠家品牌的兒童奶粉價格進行8.5折促銷活動。當那些需求奶粉的購買者看見此品牌價格促銷進行時，他們通常會觀察期商品的保質期、成分等，并核實在8.5折之后的奶粉具體價格，能夠優(yōu)惠多少金錢。倘若此奶粉品牌在贈品促銷時，對買一罐奶粉的購買者都贈與兒童玩具，購買者看到可以獲得贈品，會感到非常合適，就會增加對廠家品牌的認可。價格促銷能提升產品質量和價值本質，贈品促銷能夠提升額外和驚喜感知。

Vdrive=BEMF+l·R

(2)

其中:I為線圈中的電流，R為直線電機線圈的有效電阻。

由式(1)、(2)分析可知，通過實時測量直線電機輸入端電流和電壓，則可以推導出在給定負載條件下的反電動勢，進而得到直線電機的最大行程。

直線電機驅動電壓決定了制冷機的效率同時也決定了制冷機的安全，增加直線電機驅動電壓以使電機驅動斯特林發(fā)動機活塞盡可能地壓縮工質做功，但是過大的驅動電壓會使活塞行程過大而發(fā)生撞缸事故，因此，需要避免撞缸事故并使斯特林機達到最佳效率。本系統(tǒng)采用基于直線電機最大行程的閉環(huán)反饋式驅動電壓調節(jié)方法：實時檢測直線電機的最大行程，對比希望達到的最大行程Smax，確定MC9S12DG256單片機PWM波的占空比。

圖4 基于閉環(huán)反饋電機驅動電壓調節(jié)方法

2.2 溫度控制策略

溫度控制是自由活塞斯特林制冷機的關鍵控制邏輯，其溫度控制原理如圖5所示?？傮w上來說，溫度控制需要實現(xiàn)兩大基本功能：

1)快速制冷。即制冷機冷端溫度以最快速度達到用戶設定的需求溫度(T_d)。該過程一般體現(xiàn)在啟動階段。在該階段，需求溫度(T_d)與實際溫度(T_c)偏差較大，當以直線電機的額定最大功率運行，直至abs(T_d-T_c)

2)溫度保持階段。該階段要求冷端溫度(T_c)在T_d小范圍內波動(<0.5℃)。在本系統(tǒng)中采用PID控溫法。以T_d與T_c之間的偏差&T及其變化趨勢來調節(jié)PWM波的占空比(Duty Cycle),從而控制直線電機的輸出功率，進而控制系統(tǒng)的制冷量。

圖5 基于PID的溫度控制策略原理圖

3 軟件設計

自由活塞斯特林制冷機測控系統(tǒng)需要處理的任務較多，要求實時響應的速度較快，因此，傳統(tǒng)的前后臺處理方式不能滿足測控系統(tǒng)的實時性和可靠性要求。所以本測控系統(tǒng)引入了嵌入式實時操作系統(tǒng)。μCOS-II是專門為嵌入式應用設計的且內核源代碼公開的多任務嵌入式操作系統(tǒng)，具有占用存儲空間小、代碼執(zhí)行效率高、可移植性好、可擴展性強和優(yōu)良的實時性能等特點。所以本系統(tǒng)選擇uC/OS-Ⅱ作為系統(tǒng)任務調度內核[5]。因此，軟件設計主要包括嵌入式操作系統(tǒng)軟件設計、基于uC/OS-Ⅱ的MC9S12DG256單片機應用軟件設計以及上位機PC軟件設計。

3.1 嵌入式操作系統(tǒng)軟件設計

1)用Typedef聲明與編譯器相關的數(shù)據(jù)類型(在OS-CPU. H文件中) ，由于不同的微處理器有不同的字長，在μC/OS-Ⅱ代碼中不能使用CodeWarrior4.7集成C編譯平臺C語言的short、int、long 等數(shù)據(jù)類型，而采用INT8U、INT16U、INT32U等直觀又可移植的數(shù)據(jù)類型來代換相應數(shù)據(jù)類型。

2) 采用#define定義一個常量OS-STK-GROWTH的值(OS-CPU.H) ，決定堆棧的填充排列方向，如果是1位則表示堆棧由上向下填充；如果是0位則表示堆棧由下向上填充；

3)采用#define定義說明3個宏函數(shù)(OS-CPU.H) 。

4)用C語言編寫10個與MC9S12DG25單片機相關的函數(shù)(OS-CPU-C.C)。

5)定義說明4個CodeWarrior4.7集成C編譯平臺匯編語言函數(shù)(OS-CPU-A.S)。

3.2 單片機應用軟件設計

自由活塞制冷機的主要任務是根據(jù)設置的冷端溫度，MC9S12DG256單片機輸出一定的PWM信號，驅動直線電機周期運動，帶動斯特林活塞運動，使冷端溫度快速達到設定值。本測控系統(tǒng)采用的控制流程見圖6，系統(tǒng)上電后，立即檢測系統(tǒng)的各個狀態(tài)參數(shù)，MC9S12DG256單片機讀入設定的運行參數(shù)，依據(jù)這些參數(shù)，判斷系統(tǒng)是否處于可運行狀態(tài)，若系統(tǒng)通過自檢，則立即進入啟動過程，此時，計算設定溫度與冷端當前溫度的差值，如果其差值大于設定的偏差值，則單片機輸出兩對相位相差180°的PWM波，每對PWM波的幅值相同、極性相反，驅動直線電機運行，為了避免初始啟動電流過大而燒壞直線電機，系統(tǒng)采用分步升壓的方法來起動直線電機，即驅動電壓以一定的速率上升，上升速率根據(jù)設定溫度溫度與冷端當前溫度的差值由單片機決定，期間，監(jiān)測直線電機的行程，如果直線電機的行程達到設定值，單片機維持當前直線電機運行狀態(tài)，直至設定溫度與冷端當前溫度的偏差小于0.5℃。表明制冷機已經完成目標工作，此時，單片機以設定溫度與冷端當前溫度的偏差變化趨勢確定PWM波的占空比來調節(jié)控制直線電機的工作狀態(tài)，進而控制系統(tǒng)的制冷量，維持當前的溫度。

圖6 制冷機控制流程圖

3.3 上位機軟件設計

上位機采用工控PC機，使用組態(tài)王軟件進行設計。上位機主要用于實時收集自由活塞斯特林制冷機的各運行參數(shù)，為后續(xù)對整個系統(tǒng)的優(yōu)化提供分析基礎及目標對象。因此制冷機運行完全獨立于上位機程序，僅用作數(shù)據(jù)采集、記錄、分析與匯總等功能。

圖7 上位機監(jiān)測軟件

設計完成的上位機監(jiān)控界面如圖7所示，上位機PC顯示自由活塞制冷機的工質壓力和傾斜角度，直線電機輸入端的電壓、電流、功率以及直線電機內部溫度，冷端和熱端的溫度信息；點擊控制操作可以手動調試直線電機、散熱風扇以及蜂鳴器；在參數(shù)設置則可以設置制冷機的報警項，如溫度、工質壓力、電壓和電流等上下限；歷史曲線運行記錄保存了自由活塞制冷機的參數(shù)運行信息。運行記錄的文件按年月日的格式生成,可以調查查看；報警信息部分主要顯示系統(tǒng)警報及錯誤信息，如超溫、超壓等，故障記錄主要有：故障代號、故障發(fā)生時間以及故障清除時間等；溫度參數(shù)設置可以設定制冷機目標運行溫度，點擊“寫入EEPROOM”，則把設定的溫度數(shù)值寫入MC9S12DG256單片機存儲空間且掉電仍然能保存，控制面板中“開機”“停機”鈕實現(xiàn)對制冷機的簡單開關機控制，“復位”按鈕用于清除當前發(fā)生的故障報警。

4 實驗結果與分析

研制的基于MC9S12DG256單片機的制冷機測控系統(tǒng)在某型自由活塞斯特林制冷機上獲得了應用，在上位機PC上設置制冷機的目標冷端溫度，MC9S12DG256單片機驅動直線電機做周期運動，進而帶動斯特林活塞做功，完成了一系列制冷機的性能是試驗，獲得了大量應用數(shù)據(jù)，圖8是制冷機在不同環(huán)境溫度/制冷溫度下的制冷量與制冷系數(shù)(COP)曲線圖，證明本測控系統(tǒng)達到了預期目標。

圖8 制冷機的性能曲線

5 結束語

為實現(xiàn)對自由活塞斯特林制冷機的測控，設計了一款基于MC9S12DG256單片機的測控系統(tǒng)。采用組態(tài)王軟件設計了人機對話窗口，編寫了單片機的嵌入式μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)移植軟件，設計了直線電機行程和制冷機的溫度控制策略，講述了制冷機的控制流程。運行結果表明，該測控系統(tǒng)操作簡單，界面人機對話方便，能夠實時顯示制冷機運行參數(shù)數(shù)據(jù)，能夠自動記錄壓力、溫度、電流和電壓等參數(shù)，并能夠通過反電動勢實現(xiàn)制冷機直線電機行程控制，采用快速制冷與溫度PID控制相結合的控制策略實現(xiàn)制冷機冷端溫度的控制。該測控系統(tǒng)滿足了自由活塞斯特林制冷機高性價比要求，其經驗可以用于其它類似的測控系統(tǒng)的研制工作。