陳星星,王萬通,范子春,阮觀強(qiáng),仝 光

(1.上海電機(jī)學(xué)院機(jī)械學(xué)院,上海 201306;2.上海迦銳自動(dòng)化檢測(cè)科技有限公司,上海 201802)

0 引言

隨著新能源汽車的高速發(fā)展,越來越多的汽車電氣零部件需要進(jìn)行環(huán)境溫度試驗(yàn),驗(yàn)證其各項(xiàng)性能指標(biāo)[1-2]。然而,目前市面上進(jìn)行環(huán)境溫度檢測(cè)的試驗(yàn)箱大多數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)箱,控制器基本采用PLC[3]。由于標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)箱的普遍通用性和在功能需求上受模塊化的PLC限制,在面對(duì)特定的如燃料電池電動(dòng)汽車DC/DC變換器環(huán)境溫度檢測(cè)時(shí),所需的高溫、低溫和升降溫速率很難完全滿足要求。且隨著對(duì)PLC控制器功能需求的增加,其擴(kuò)展模塊導(dǎo)致整體控制器體積大,價(jià)格昂貴。

針對(duì)以上問題,結(jié)合燃料電池電動(dòng)汽車DC/DC變換器溫度檢測(cè)要求,開發(fā)了一種應(yīng)用于非標(biāo)試驗(yàn)箱的單片機(jī)溫度控制器。該控制器整體體積小、成本低、控制精度高,穩(wěn)定性好。軟件控制上采用分段PID,與傳統(tǒng)固定PID對(duì)比發(fā)現(xiàn),分段PID在溫度控制上具有更好的魯棒性,能夠滿足變換器溫度試驗(yàn)的要求,具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。

1 控制器硬件設(shè)計(jì)

1.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與原理

由于溫度傳感器實(shí)時(shí)采集箱內(nèi)溫度,需要控制器具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力,且考慮到需要大量I/O等因素,在滿足要求的情況下選用STM32F207ZET6作為主控芯片。除了單片機(jī)最小系統(tǒng)外,相應(yīng)外圍硬件電路包括溫度傳感器采集電路、固態(tài)繼電器和電子膨脹閥驅(qū)動(dòng)電路、繼電器輸出和光電隔離數(shù)字輸入電路、人機(jī)交互電路等。其硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 控制器硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫度控制主要原理:首先,控制工控機(jī)產(chǎn)生目標(biāo)溫度,通過RS232串口將目標(biāo)溫度發(fā)給單片機(jī),然后將傳感器獲取的箱內(nèi)實(shí)時(shí)模擬溫度信號(hào)進(jìn)行采集放大,送至單片機(jī)自帶的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)中。轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的實(shí)際溫度與目標(biāo)溫度進(jìn)行比較,通過分段PID算法選擇不同的PID參數(shù)。最后輸出PWM波控制固態(tài)繼電器或電子膨脹閥。其中溫度穩(wěn)定的關(guān)鍵電路包括溫度采集、電子膨脹閥驅(qū)動(dòng)和固態(tài)繼電器驅(qū)動(dòng)3部分。

1.2 溫度采集電路設(shè)計(jì)

T/CAAMTB 14—2020《燃料電池電動(dòng)汽車用DC/DC變換器》要求環(huán)境溫度試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)箱溫度寬度最低在-40～85 ℃范圍內(nèi),試驗(yàn)箱選用的溫度傳感器測(cè)溫范圍為-80～200 ℃的三線制A級(jí)Pt100熱電阻。Pt100溫度與電阻關(guān)系近似線性變化,溫度每改變1 ℃,電阻值約改變0.385 Ω。為了保證傳感器的線電阻和接觸電阻不影響實(shí)際電阻值,電路采用惠斯登電橋精確測(cè)量Pt100阻值變化[4]。溫度采集電路如圖2所示,R4、R5、R12和Pt100構(gòu)成惠斯登電橋。U3C和U3D為電壓跟隨器,使電橋電壓信號(hào)前后端相互不受輸入輸出阻抗的影響。U3A為差分放大電路,放大倍數(shù)為電阻R6與R7的比值。輸出端經(jīng)穩(wěn)壓二極管D1和采樣保持電容C5后送入單片機(jī)自帶的AD引腳。通過ADC得出此時(shí)電橋兩端電壓值,進(jìn)而算出Pt100阻值,最后根據(jù)電阻與溫度關(guān)系得出實(shí)際溫度。

1.3 電子膨脹閥驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

試驗(yàn)箱制冷系統(tǒng)通過壓縮機(jī)壓縮制冷劑形成制冷循環(huán),而電子膨脹閥能自動(dòng)調(diào)節(jié)制冷劑流量,確保制冷系統(tǒng)能夠始終維持最佳運(yùn)行工況,是實(shí)現(xiàn)制冷系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)節(jié)的關(guān)鍵部件[5-6]。由于電子膨脹閥的驅(qū)動(dòng)部件是脈沖步進(jìn)電機(jī),故驅(qū)動(dòng)模塊采用專為其而設(shè)計(jì)的L6206PD芯片。該芯片可驅(qū)動(dòng)四線雙極性步進(jìn)電機(jī),根據(jù)其輸入端脈沖的個(gè)數(shù)及頻率控制電子膨脹閥旋轉(zhuǎn)的角度及速度。從圖3中可以看出,芯片4個(gè)輸入端IA1、IA2、IB1、IB2與單片機(jī)PWM輸出端口間通過TLP521-4進(jìn)行電氣隔離,且芯片使能輸入端受單片機(jī)EN-A引腳高低電平控制。輸出端A+、A-、B+、B-根據(jù)2組輸入端高低電平的不同控制步進(jìn)電機(jī)定子磁場(chǎng)方向,進(jìn)而達(dá)到指定旋轉(zhuǎn)步距角,實(shí)現(xiàn)對(duì)電子膨脹閥的精確控制。

圖3 電子膨脹閥驅(qū)動(dòng)電路

1.4 固態(tài)繼電器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

試驗(yàn)箱主要采用加熱絲作為熱源,通過固態(tài)繼電器控制加熱絲上流過電流的時(shí)間,從而控制試驗(yàn)箱內(nèi)的熱量。驅(qū)動(dòng)電路采用光耦加三極管,其電路如圖4所示。當(dāng)單片機(jī)輸出DO0為低電平時(shí),光耦輸出RC0為高電平接入三極管基級(jí),驅(qū)動(dòng)Q1導(dǎo)通,使固態(tài)繼電器導(dǎo)通,加熱絲回路接通電源。當(dāng)單片機(jī)輸出DO0為高電平時(shí),三極管Q1斷開,使固態(tài)繼電器關(guān)斷,加熱絲回路斷開電源。

圖4 固態(tài)繼電器驅(qū)動(dòng)電路

2 溫度控制算法設(shè)計(jì)

PID控制是溫度控制器應(yīng)用最廣泛的方法之一,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。應(yīng)用于線性時(shí)不變控制系統(tǒng)時(shí)能夠表現(xiàn)出良好的控制性能[7]。PID控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 PID控制結(jié)構(gòu)原理圖

PID控制器以實(shí)際輸入和輸出的誤差作為輸入量,其輸入與輸出的關(guān)系見式(1):

(1)

式中:U(t)為控制器的輸出值;E(t)為設(shè)定的目標(biāo)值和實(shí)際輸出值間的誤差;KP、KI、KD分別表示為比例、積分、微分系數(shù)。

實(shí)際的試驗(yàn)箱溫度系統(tǒng)具有時(shí)變性和非線性等特點(diǎn),如果將傳統(tǒng)PID控制算法應(yīng)用于溫度控制器中,在溫度穩(wěn)定和抗干擾上將很難滿足試驗(yàn)要求。傳統(tǒng)PID控制器的參數(shù)大多數(shù)為定值,無法實(shí)現(xiàn)參數(shù)自整定。對(duì)已經(jīng)確定的控制參數(shù),當(dāng)控制系統(tǒng)隨著時(shí)間變化和擾動(dòng)后,控制性能可能會(huì)發(fā)生改變,無法維持原先設(shè)定的控制效果,最終使系統(tǒng)自適應(yīng)能力降低。為了增強(qiáng)控制器的自適應(yīng)性能力,采用能夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)自整定的分段PID算法,其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 分段PID結(jié)構(gòu)原理圖

首先根據(jù)E(t)的大小,在分段庫中找到其對(duì)應(yīng)的分段區(qū)間,然后讀取此區(qū)間所設(shè)定的PID參數(shù),最終輸出給PID控制器,整體實(shí)現(xiàn)了溫度分段PID控制。分段PID核心是分段區(qū)間的選取,分段區(qū)間劃分是為了在不同溫度誤差范圍內(nèi)改變控制參數(shù),讓系統(tǒng)具有較快響應(yīng)速度的同時(shí)還保持較小的超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差,使系統(tǒng)具有自適應(yīng)性。分段PID參數(shù)選取流程圖如圖7所示。首先算出目標(biāo)溫度與實(shí)際溫度差,將分段溫度設(shè)定為由小到大,然后將溫度差與所設(shè)定的最小分段溫度比較,若小于當(dāng)前分段溫度,則讀取相應(yīng)PID參數(shù),反之進(jìn)入下一個(gè)分段溫度。若溫度差過大,大于當(dāng)前所有分段溫度,則執(zhí)行最大分段溫度所對(duì)應(yīng)的PID參數(shù)[8]。

圖7 分段PID參數(shù)選取流程圖

各個(gè)分段區(qū)間中的PID參數(shù)整定采用試湊法,參數(shù)整定實(shí)行先比例后積分再微分的步驟:

(1)首先整定比例部分,將比例系數(shù)KP由小變大,通過顯示器觀察溫度響應(yīng)曲線,直到響應(yīng)曲線有較快的上升速度、較小的超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差;

(2)純比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差一般不能滿足要求,此時(shí)加入積分調(diào)節(jié)。首先將積分系數(shù)KI設(shè)為較大值,同時(shí)對(duì)第1步整定得到的比例系數(shù)KP適當(dāng)減小,然后慢慢減小積分系數(shù),直到穩(wěn)態(tài)誤差在可接受的范圍內(nèi)。

(3)若響應(yīng)曲線整體動(dòng)態(tài)性能較差,如超調(diào)量可能過大,不能滿足試驗(yàn)要求,此時(shí)加入微分系數(shù)KD。整定時(shí)將KD由0逐漸變大,并相應(yīng)的改變KP和KI,多次試湊,直到滿足試驗(yàn)需求。

(4)由于系統(tǒng)響應(yīng)性能指標(biāo)間的相互關(guān)系,當(dāng)變化其中某一個(gè)PID參數(shù),不同性能指標(biāo)會(huì)發(fā)生變化。因此根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)性能趨勢(shì)劃分合適的分段區(qū)間,在不同區(qū)間根據(jù)上述3個(gè)步驟設(shè)置最優(yōu)PID參數(shù),最終實(shí)現(xiàn)分段PID參數(shù)自整定。

3 仿真分析

為驗(yàn)證固定PID和分段PID在溫度試驗(yàn)箱上的控制效果,利用Simulink仿真軟件對(duì)2種控制算法進(jìn)行仿真測(cè)試。由于高低溫試驗(yàn)箱輸出對(duì)輸入響應(yīng)的變化規(guī)律和一階滯后系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線相似,所以試驗(yàn)箱傳遞函數(shù)模型G(s)可以等效為

(2)

將固定PID算法應(yīng)用于式(2)系統(tǒng),仿真如圖8所示。初始溫度都為0 ℃,當(dāng)目標(biāo)溫度設(shè)定值為50 ℃時(shí),上升時(shí)間為350 s,峰值溫度為53.5 ℃,超調(diào)量為7%;當(dāng)目標(biāo)溫度設(shè)定值為90 ℃時(shí),上升時(shí)間為370 s,峰值為96.8 ℃,超調(diào)量為7.6%。由此可見,上升時(shí)間和超調(diào)量的值會(huì)隨著設(shè)定目標(biāo)溫度值的增大而增大。仿真測(cè)試證實(shí)了固定PID隨試驗(yàn)箱溫度工況的改變,其控制精度和穩(wěn)定性都會(huì)下降。

圖8 固定PID目標(biāo)溫度變化仿真

分段PID和固定PID 2種算法應(yīng)用于試驗(yàn)箱溫度控制的仿真對(duì)比如圖9所示。目標(biāo)溫度設(shè)定值為50 ℃時(shí),由于一開始實(shí)際溫度與目標(biāo)溫度過大,分段取得較大的KP,與固定PID相比,上升時(shí)間略快。隨著溫度的上升,固定PID峰值溫度為56 ℃,而分段PID峰值溫度為54 ℃,超調(diào)量減少4%。由此可見,通過分段PID控制試驗(yàn)箱能明顯減少溫度上升時(shí)間、峰值時(shí)間以及超調(diào)量。

圖9 分段PID和固定PID仿真

4 試驗(yàn)平臺(tái)與結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)平臺(tái)

測(cè)試選用的燃料電池電動(dòng)汽車DC/DC變換器實(shí)物如圖10所示。溫度試驗(yàn)箱控制器實(shí)物如圖11所示。

圖10 燃料電池DC/DC變換器

圖11 溫度試驗(yàn)箱控制器

將控制器裝于所適配的非標(biāo)溫度試驗(yàn)箱平臺(tái),其主要參數(shù)與型號(hào)如表1所示。

表1 試驗(yàn)箱主要參數(shù)

該試驗(yàn)箱的容積為252 L,箱體背后配電盤由控制器、工控機(jī)、溫控表和各種保護(hù)開關(guān)等模塊構(gòu)成。試驗(yàn)箱加熱采用加熱絲,制冷采用覆疊式制冷系統(tǒng)。加熱升溫主要依靠循環(huán)風(fēng)扇所產(chǎn)生的空氣對(duì)流,帶走通電加熱絲產(chǎn)生的熱量,進(jìn)入箱內(nèi),實(shí)現(xiàn)箱內(nèi)升溫。制冷降溫主要通過活塞壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、電子膨脹閥和冷凝器組成的制冷循環(huán)。由于DC/DC變換器試驗(yàn)溫度為-40 ℃,單級(jí)制冷很難達(dá)到,所以采用覆疊式制冷系統(tǒng)使箱內(nèi)溫度達(dá)到-40 ℃[9]。其中高溫部分制冷劑采用R404A,低溫部分制冷劑采用R23。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過工控機(jī)將完整的控制代碼寫入控制器中,在顯示器及溫控表上查看溫度傳感器信號(hào)是否采集正常,實(shí)現(xiàn)控制器軟硬件聯(lián)合調(diào)試。最后將變換器放入試驗(yàn)箱中,圖12為分段PID和固定PID控制器在全功率加熱下對(duì)比試驗(yàn)。軟件設(shè)計(jì)的加熱分段區(qū)間最高為3 ℃且只有KD隨分段變化。當(dāng)試驗(yàn)箱從常溫開始加熱,目標(biāo)溫度為變換器高溫試驗(yàn)85 ℃,在82 ℃之前2種算法溫度上升基本相同。隨著溫度越來越接近目標(biāo)溫度,固定PID峰值溫度為86.3 ℃,而分段PID的峰值溫度為86 ℃。因KD的分段改變,可以看出在超調(diào)量上分段PID優(yōu)于固定PID。溫度維持穩(wěn)定后,溫度波動(dòng)≤±0.1 ℃。

圖12 分段PID和固定PID對(duì)比試驗(yàn)

按照GB/T 2423.1—2008的規(guī)定,在進(jìn)行變換器高低溫試驗(yàn)時(shí),要求試驗(yàn)箱以接近1 ℃/min斜率升溫和降溫,圖13為分段PID控制器下變換器斜率升溫試驗(yàn)曲線。由圖13(a)可知,從13 ℃開始升溫,到85 ℃用時(shí)接近4 600 s,升溫速率近似滿足1 ℃/min。圖13(b)是截取圖13(a)中快達(dá)到目標(biāo)溫度時(shí)的局部放大圖,與圖12對(duì)比發(fā)現(xiàn),斜率升溫模式下峰值溫度只有85.24 ℃,這是因?yàn)? ℃/min升溫速率使加熱絲平均占空比在30%左右,而全功率運(yùn)行下加熱絲接近目標(biāo)溫度時(shí)占空比才開始逐漸下降,導(dǎo)致超調(diào)量較大。最終穩(wěn)態(tài)溫度波動(dòng)和全功率運(yùn)行一樣≤±0.1 ℃,達(dá)到高溫試驗(yàn)2 ℃以內(nèi)要求。圖14為分段PID控制器下變換器斜率降溫曲線,從11.43 ℃開始降溫,到-40 ℃用時(shí)接近3 060 s,降溫速率滿足1 ℃/min,且最終穩(wěn)態(tài)溫度波動(dòng)也≤±0.1 ℃,同理滿足低溫試驗(yàn)要求。

(a)斜率升溫全過程

圖14 斜率降溫試驗(yàn)

5 結(jié)束語

本文基于單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于燃料電池電動(dòng)汽車DC/DC變換器環(huán)境試驗(yàn)的溫度控制器。該控制器裝配于非標(biāo)溫度試驗(yàn)箱,能夠?qū)虘B(tài)繼電器和電子膨脹閥進(jìn)行開度控制?？刂扑惴ㄉ蠈⒎侄蜳ID與固定PID進(jìn)行對(duì)比,選用了魯棒性更好的分段PID算法。控制器整體體積小、成本低、控制精度高,解決了標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)箱上PLC控制器價(jià)格高、體積大、在變換器檢測(cè)上受模塊化功能限制等問題。實(shí)驗(yàn)表明,控制器能夠滿足燃料電池電動(dòng)汽車DC/DC變換器環(huán)境溫度檢測(cè)要求,具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。