劉吉名 ，白小峰，何世安

（中國電子科技集團(tuán)公司第十六研究所，安徽省熱管理技術(shù)工程實驗室，合肥 230088）

引言

液冷源是為電子設(shè)備提供高穩(wěn)定性冷卻液的設(shè)備。對于電子設(shè)備的正常散熱起到關(guān)鍵的作用。而高精度，高穩(wěn)定的控制系統(tǒng)是液冷源的核心部份，主要根據(jù)設(shè)定供液溫度的需求，控制壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、閥件等被控對象，并且實時采集系統(tǒng)的供液溫度、供液流量和供液壓力等參數(shù)，同時對設(shè)備實時調(diào)節(jié)和處理報警信息。

本文提出采用32位單片機(jī)[1]STM32F103RBT6作為主控芯片，CPU運(yùn)行主頻可達(dá)到72 MHz。芯片內(nèi)置16通道的12位逐漸逼近型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間可以達(dá)到1.17 μs。采用PT100 RTD處理電路，通過三線制補(bǔ)償測量溫度系統(tǒng)，能有效避免惡劣工業(yè)環(huán)境下常見的接地環(huán)路干擾問題。

采用的位置式PID控制算法，執(zhí)行器的動作位置與其輸入信號呈一一對應(yīng)的關(guān)系，實時跟蹤供液溫度，準(zhǔn)確快速調(diào)節(jié)電加熱功率和壓縮機(jī)的能量投入。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了滿足對溫度信號進(jìn)行同步采集的要求，使用STM32F103RBT6作為主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理[2]，信號采集系統(tǒng)主要由主控芯片，電阻電容組成的復(fù)位電路、信號采集電路，電加熱器控制電路、模擬信號產(chǎn)生電路，UART通信電路，繼電器控制電路等部分構(gòu)成，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

現(xiàn)場模擬信號溫度、壓力和流量數(shù)據(jù)，通過模擬信號隔離器進(jìn)入單片機(jī)模擬信號輸入口。各路信號分別需要放大，濾波進(jìn)行信號調(diào)理，放大后的數(shù)據(jù)進(jìn)入單片機(jī)的A/D進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換[3]，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，通過串行接口傳輸?shù)接|摸屏顯示，同時接收來自觸摸屏實時控制指令，由程序進(jìn)行實時控制電加熱和壓縮機(jī)，從而實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)[4]，通過控制繼電器的開關(guān)，給水泵、風(fēng)機(jī)等負(fù)載加電或者去電。

控制系統(tǒng)采用PID閉環(huán)控制方式[5]，對于溫度控制系統(tǒng)來說，將溫度設(shè)定值與溫度傳感器實時測量信號比較得到偏差e，對u進(jìn)行運(yùn)算得到PWM信號占空比調(diào)節(jié)量u，進(jìn)一步通過轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號，加載到加熱器兩端，從而控制加熱功率。PID原理圖如圖2所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 STM32F103外圍電路設(shè)計

STM32F103外圍電路中采用有源晶振，應(yīng)用電路簡單，信號抗干擾能力強(qiáng)，電路工作穩(wěn)定。

設(shè)計兩路RS232串口電路，使用串口1進(jìn)行單片機(jī)程序燒寫。主控芯片供電采用3.3 V電源供電，模擬電源和數(shù)字電源之間，采用濾波器相連接，將電源正極和負(fù)極分別隔離，并且電源供電管腳增加濾波電容。

采用微功耗、高精度電壓基準(zhǔn)芯片ADR3433為模數(shù)轉(zhuǎn)換參考電源，保證ADC的數(shù)據(jù)不會因為電源供電浮動，增加轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)噪聲。

2.2 溫度采集與調(diào)理電路

溫度采集電路適用三線制或者四線制PT100溫度傳感器，使用MAX6126恒壓源芯片輸出2.5 V直流恒定電壓，采用OPA4340儀表放大器[6]組成信號調(diào)理電路，完成信號放大、濾波后，輸入到單片機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，單片機(jī)軟件處理出滿足系統(tǒng)需求的精度數(shù)據(jù)。電路圖如圖3所示。

溫度采集電路工作原理：該電路采用基準(zhǔn)恒壓MAX6126輸出恒定電壓信號2.5 V和軌到軌放大器OPA4340，基準(zhǔn)電壓經(jīng)過放大器U4C的緩沖和增強(qiáng)作用，輸入到電阻R14和R22分壓網(wǎng)絡(luò)和放大器U4A產(chǎn)生1.1 mA的恒流源，進(jìn)一步輸出到溫度傳感器，當(dāng)溫度變化時引起測溫電阻的變化，進(jìn)一步輸入到U4B的同相輸入端的電壓也將會變化，調(diào)整電阻R16、R23、R24、、R32、R33阻值大小，ADC輸入電壓的范圍的為0.1～3.2 V，其輸出級接入RC濾波電路，用于降低帶外的噪聲干擾。電路設(shè)計了放大器U4D，可以消除PT100引線上的阻抗。其中分壓網(wǎng)絡(luò)中的電阻R14,R22以及放大器放大倍數(shù)調(diào)整電阻R16、R23、R24、、R32、R33均采用低溫漂，精度為0.1 %的高精度電阻，保證電壓放大的線性度和穩(wěn)定性[7]。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

圖2 PID原理框圖

由于液冷源供液溫度范圍為10～30 ℃之間，STM32集成的12位AD轉(zhuǎn)換器。分辨率為4 096。為了提高溫度采集精度，將通過調(diào)整溫度信號調(diào)理電路的放大倍數(shù)，溫度測量范圍：0～100 ℃，對于到12位AD的分辨率，可以測量的最小溫度變化范圍：100/4 096=0.02 ℃。而系統(tǒng)需要控溫精度在±0.5℃，溫度采集精度滿足控溫需求。

2.3 負(fù)載電加熱控制

液冷源系統(tǒng)中，使用負(fù)載電加熱與壓縮機(jī)制冷做熱對抗的方式提高供液溫度穩(wěn)定性。

采用半橋電路形式[8]實現(xiàn)電加熱控制，設(shè)計中引入濾波電路實現(xiàn)了PWM波形轉(zhuǎn)換為直流電壓信號和幅值可調(diào)。采用IR2183S芯片作為功率管驅(qū)動芯片，N溝道MOSFET功率管IRF2807，最大可以輸出75 V、電流5 A的功率。采用位置式PID算法，控制、調(diào)節(jié)PWM輸出占空比，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成電加熱兩端的電壓幅值變化，實現(xiàn)溫度精確控制[9]，電路如圖4所示。

負(fù)載風(fēng)機(jī)，水泵供電采用控制繼電器實現(xiàn)加電和去電。

圖3 溫度采集電路原理圖

圖4 電加熱控制原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計

單片機(jī)控制軟件控制模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)實現(xiàn)多路模擬量采集、位置式PID算法、傳感器斷路檢測、溫度超標(biāo)預(yù)警、電加熱精確控制、與觸摸屏數(shù)據(jù)交互等多項任務(wù)，程序控制采用時間片輪詢架構(gòu)，避免多個任務(wù)執(zhí)行中的CPU堵塞和程序死循環(huán)情況的出現(xiàn)。

引入Cortex-M3內(nèi)核部分封裝的滴答定時器，Sys-Tick在中斷服務(wù)程序里，根據(jù)單個程序的執(zhí)行時間，系統(tǒng)判斷并實行任務(wù)。

軟件配置將STM32工作主頻為72 MHz，滴答定時器定時基準(zhǔn)周期為2 ms，根據(jù)任務(wù)周期分別分配2 ms，20 ms，1 s等運(yùn)行周期。程序段如下所示。

3.2 位置式PID算法設(shè)計

位置型PID控制算法[10]，適用于不帶積分元件的執(zhí)行器，執(zhí)行器的運(yùn)動位置與輸入信號呈一一對應(yīng)的關(guān)系?？刂破鞲鶕?jù)第n次被控變量采樣結(jié)果與設(shè)定值之間的偏差e(n)計算出第n次采樣之后所輸出的控制變量。位置式PID控制算法的數(shù)學(xué)表達(dá)式[11]為：

式中：

u(n-1)—第n-1次采樣之后所輸出的控制變量。第n次采樣之后執(zhí)行器的運(yùn)動位置由控制變量u(n)的值決定。

由于被控對象涉及電加熱管和壓縮機(jī)的輸出功率，控溫原理：如果實際供液溫度正向偏離目標(biāo)值較大，提高壓縮機(jī)的輸出功率（制冷量），使溫度快速降低至目標(biāo)值附近，降低壓縮機(jī)的輸出功率，保持恒定的制冷量輸出，同時運(yùn)行電加熱控溫程序，調(diào)節(jié)電加熱兩端的輸入電壓。進(jìn)一步達(dá)到熱平衡的目的。

位置式PID計算程序如下：

4 結(jié)論

本文主要從硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩個方面，介紹了基于位置式PID算法的高精度溫控系統(tǒng)。溫度系統(tǒng)采集范圍：0～100 ℃，控溫測量范圍：0～30 ℃，采用STM32單片機(jī)集成的12位AD，滿足高精度數(shù)據(jù)采集分辨率的要求，單片機(jī)自身集成PWM發(fā)生器結(jié)合PID算法，實現(xiàn)了數(shù)字式的PID控制器，實現(xiàn)了電加熱的精確控溫，提高了溫度控制的穩(wěn)定性。通過測試可以得出，信號采集準(zhǔn)確，控溫精度高和穩(wěn)定性較強(qiáng)，滿足了0.5 ℃的控溫要求。