基于熱交換器擬合ARM PWM一次函數(shù)算法設(shè)計(jì)

黃順福

(上海貝爾股份有限公司，上海201206)

基于熱交換器擬合ARM PWM一次函數(shù)算法設(shè)計(jì)

黃順福

(上海貝爾股份有限公司，上海201206)

熱交換系統(tǒng)是非常重要的換熱設(shè)備，幾乎在所有的工業(yè)領(lǐng)域中都有應(yīng)用。由于熱交換系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧、傳熱強(qiáng)度高、節(jié)能、防污染、環(huán)保、符合當(dāng)今能源技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)等特點(diǎn)，近年來，已廣泛地應(yīng)用到通信設(shè)備的換熱降溫系統(tǒng)中。熱交換器技術(shù)使用離心風(fēng)機(jī)控制內(nèi)外循環(huán)的氣流進(jìn)入熱交換芯的流量和壓力，從而實(shí)現(xiàn)了隔離的內(nèi)外循環(huán)氣流的熱交換，降低了內(nèi)循環(huán)內(nèi)的通信設(shè)備的熱量，保證了通信設(shè)備的正常工作。通過離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速溫度PWM一次函數(shù)的設(shè)計(jì)，使得通信柜熱交換器的軟硬件的設(shè)計(jì)大幅簡(jiǎn)化，實(shí)現(xiàn)了熱交換器連續(xù)跟蹤、快速實(shí)時(shí)響應(yīng)換熱的功能，提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性，降低了成本，大大提高了公司的經(jīng)濟(jì)效益。

熱交換器；離心風(fēng)機(jī)；PWM；溫度；一次函數(shù)

0 引言

目前在上海貝爾Alcatel-Lucent生產(chǎn)制造的通信系統(tǒng)中，如固網(wǎng)的MDU(多住戶單元)基站，無線的CDMA(碼分多址)、WCDM(寬帶碼分多址)、LTE基站等，都廣泛采用了熱交換系統(tǒng)(HEX)作為換熱降溫設(shè)備。通信機(jī)柜內(nèi)的設(shè)備在運(yùn)行時(shí)功率可以達(dá)到幾千瓦，產(chǎn)生大量的熱量，使得機(jī)柜內(nèi)的溫度急劇上升。為了保證設(shè)備的良好運(yùn)行狀態(tài)，通信機(jī)柜內(nèi)的溫度不能無限上升，應(yīng)被控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。市場(chǎng)上目前通用的做法是：在控制器中把溫度和風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速分別以數(shù)組的方式存儲(chǔ)。這種方法不是連續(xù)的，是間斷式的，沒法進(jìn)行實(shí)際意義上的連續(xù)跟蹤，且無法根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行靈活的補(bǔ)償，占用存儲(chǔ)器空間大。為了滿足熱交換器需要連續(xù)跟蹤，快速實(shí)時(shí)響應(yīng)的功能，本文提出了使PWM與離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和環(huán)境溫度擬合成一次函數(shù)的方法，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并且對(duì)包括軟件硬件方面的一系列相關(guān)的研發(fā)工作進(jìn)行了論述。

本通信柜熱交換器[1-2]由熱交換芯、內(nèi)外循環(huán)離心風(fēng)機(jī)、基于ARM芯片的AT91SAM7S控制器組成。本文主要介紹了控制器的擬合PWM轉(zhuǎn)速溫度一次函數(shù)的軟硬件方法。

1 離心風(fēng)機(jī)性能分析及擬合ARM PWM轉(zhuǎn)速溫度一次函數(shù)基礎(chǔ)公式

實(shí)際選用的離心風(fēng)機(jī)型號(hào)為ebmpapst RI1G175-AB41-64，該離心風(fēng)機(jī)的工況圖見圖1。圖1中,橫坐標(biāo)是空氣流量,1 CFM(立方英尺每分鐘)=1.7 m3/h;縱坐標(biāo)是氣壓增量,1 lnH2O(水柱)=200 Pa;qv為Air Flow(空氣流量)；pfs為Pressure Increase(壓力增量)[3-4]。

粗實(shí)線是風(fēng)機(jī)的性能曲線，點(diǎn)1、2、3、4為57 V的工況點(diǎn)；點(diǎn)9、10、11、12為36 V的工況點(diǎn)；點(diǎn)5、6、7、8為48 V的工況點(diǎn)。本HEX系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)工作在48 V，選擇工況點(diǎn)6,工作在其左邊，壓降減小，流量增大，滿足了熱交換器的需求。另外，該型號(hào)的離心風(fēng)機(jī)在48 V、2970轉(zhuǎn)的噪聲為57 dB(A)，也可以滿足本系統(tǒng)對(duì)噪聲的要求。48 V工況點(diǎn)的選擇是通過轉(zhuǎn)速、輸入功率、電流來確定的。該風(fēng)機(jī)DUE端口輸出定義為：每轉(zhuǎn)2個(gè)脈沖。通過測(cè)試該端口的脈沖頻率可得到其轉(zhuǎn)速。例如，已知在DUE口測(cè)得87 Hz，其轉(zhuǎn)速計(jì)算為：87 Hz=87個(gè)脈沖/秒=87/2轉(zhuǎn)/秒=(87/2)轉(zhuǎn)/(1/60)分=(87/2)×60轉(zhuǎn)/分鐘。故可推得該風(fēng)機(jī)通過頻率求轉(zhuǎn)速的一般公式為：

(1)

式中：風(fēng)扇脈沖頻率的單位為Hz。推導(dǎo)出的式(1)是擬合PWM一次函數(shù)的基礎(chǔ)。

圖1 實(shí)際采用的離心風(fēng)機(jī)工況圖

2 基于ARM芯片AT91SAM7S控制器的擬合PWM轉(zhuǎn)速溫度一次函數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 離心風(fēng)機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

如圖2所示，PWM信號(hào)經(jīng)R10從T2輸入，R10作為T2的偏置電阻，R8是T2的集電極負(fù)載電阻，C14是高頻濾波電容，E2是電解電容，起濾除48 V紋波的作用。PWM信號(hào)經(jīng)過T2，占空比反相輸入給風(fēng)機(jī)。

圖2 離心風(fēng)機(jī)控制電路

風(fēng)機(jī)內(nèi)與風(fēng)機(jī)速度相關(guān)的脈沖輸出驅(qū)動(dòng)電路是集電極開路通過J5的腳3輸出R的，R12其上拉電阻接3.3 V。風(fēng)機(jī)輸出脈沖通過偏置電阻R14，輸出到T4的基極。T4的發(fā)射極被置為+3.3 V，當(dāng)風(fēng)機(jī)輸出的脈沖為高電平時(shí)，其被上拉到+3.3 V，送到T4的基極，T4截止，U1-TIOA0為低電平0 V；當(dāng)風(fēng)機(jī)輸出的脈沖為低電平0 V時(shí)，T4飽和導(dǎo)通，T4的發(fā)射極與集電極電壓Vce約為0.3 V，U1-TIOA0的電壓為+3.3 V-Vce=3 V。

C42為0.01 μF，用于濾除風(fēng)機(jī)輸出的高頻雜波，其一定要可靠焊接在電路板上，否則無法接收到正確的脈沖信號(hào)。對(duì)讀速電路，T4起整形作用，如無T4，則風(fēng)機(jī)輸出信號(hào)無法正確識(shí)別。

2.2 控制離心風(fēng)機(jī)的ARM PWM信號(hào)設(shè)計(jì)

求PWM信號(hào)的周期算式[5]如下：PWM周期=prescaler/MCK/X。MCK是主時(shí)鐘，X是分頻數(shù)，prescaler是需要寫進(jìn)PWM_MR寄存器中DIVA的值。PWM_MR中的PREA選擇分頻如表1所示。prescaler和X的查找算法如下，對(duì)PWM周期算式進(jìn)行變形，得到prescaler算式：

prescaler=PWM頻率(MCK/X)

先設(shè)定好頻率和MCK，這里MCK為48 MHz，頻率為4k×100=400 kHz。divider的值為表1中的Divider值，Divider所表示的數(shù)組值即dividors[Divider]，表1中Divider Input Clock列的表達(dá)式的分母即為prescaler算式中的X。

初始時(shí)，表1中的Divider從0開始遞增，計(jì)算出prescaler。如prescaler小于255，且Divider小于11，則這時(shí)的prescaler和Divider就是所需要的參數(shù)。如果初始時(shí)的prescaler大于255，但Divider小于11(如表1所示,Divider為0～10)，則遞增，直至prescaler小于255，Divider小于11時(shí)為止，此時(shí)得到的prescaler和Divider就是所需的參數(shù)。將Prescaler填入到PWM_MR寄存器中的PREA，將Divider的值填入到PWM_MR寄存器中的DIVA段中。在PWM_MR寄存器中，DIVA為FF，最大為255，Divider作為DIVA填入該域中。

PWM占空比的算法如下：PWM占空比=(周期-CDTY/clock)/周期，其中周期被寫進(jìn)PWM_CPRD寄存器，CPRD為占空比輸入?yún)?shù)。式中的clock就是Divider的值所對(duì)應(yīng)的分頻值(表1中Divider Input Clock表達(dá)式的分母值)。若給定占空比、周期，就可以確定CDTY。PWM占空比可變換為：

(2)

從公式(2)中可見，控制離心風(fēng)機(jī)速度的占空比與PWM頻率和CDTY有關(guān)。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，PWM頻率固定，更改CDTY來改變控制離心風(fēng)機(jī)速度的占空比，具體方法如如圖3所示。當(dāng)CDTY增大時(shí)，占空比減小。為了使CDTY與占空比成正比，在設(shè)計(jì)電路時(shí)，用T2反相，則當(dāng)CDTY增大時(shí)，占空比也增大。如圖4所示，當(dāng)CPRD增大時(shí)，即周期增加時(shí)，頻率減小，占空比增大。為了使頻率與占空比成正比，在設(shè)計(jì)電路時(shí)，當(dāng)用T2反相時(shí)，頻率減小，占空比也實(shí)際減小。

圖3 PWM與CDTY關(guān)系

圖4 PWM與CPRD關(guān)系

PREADividerInputClockDivider0000MCK00001MCK/210010MCK/420011MCK/83

通過找出適當(dāng)?shù)腜WM頻率作為固定值，本系統(tǒng)設(shè)定PWM頻率為4 kHz，使得CDTY與PWM脈沖占空比成線性關(guān)系。控制器改變CDTY從而正比調(diào)節(jié)輸出的PWM占空比，而PWM輸出的占空比與離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速有某種接近的比例關(guān)系，從而推得CDTY與離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速成一次函數(shù)關(guān)系。為方便起見，這里設(shè)定輸入系統(tǒng)的參數(shù)符號(hào)為Duty來代替CDTY。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，輸入Duty值控制離心風(fēng)機(jī)時(shí)，離心風(fēng)機(jī)響應(yīng)的輸出頻率即為Duty值的大小，結(jié)合公式(1)，可以得到公式(3)，即:

(3)

2.3 離心風(fēng)機(jī)的讀速設(shè)計(jì)

讀取離心風(fēng)機(jī)的速度是通過定時(shí)記數(shù)器的捕捉方式實(shí)現(xiàn)的。AT91SAM7S64包含3個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器，它可以實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)試、事件計(jì)數(shù)、間隔測(cè)量、脈沖產(chǎn)生、定時(shí)延遲、脈寬調(diào)制。TC(定時(shí)計(jì)數(shù)器)使用捕捉寄存器A(RA)和B(RB)來計(jì)數(shù)外部事件。當(dāng)在TIOA有事件發(fā)生時(shí)，寄存器A和寄存器B裝入計(jì)數(shù)器值。裝載寄存器A的信號(hào)為L(zhǎng)DRA，裝載寄存器B的信號(hào)為L(zhǎng)DRB。置位TC_CMR中的ABETRG位，可以選擇TIOA或者TIOB輸入信號(hào)作為外部觸發(fā)器。0定義TIOB作為外觸發(fā)器，1定義TIOA作為外觸發(fā)器。ETRGEDG定義了檢測(cè)邊沿的上升、下降或兩者。TIOA可以被載入，而TIOB不可以被載入。所以要使用RA、RB，必須用TIOA。

如圖5中的第1個(gè)MODE配置，ABETRG配1,選TIOA作為外觸發(fā)器;ETRGEDG為2，為下將沿觸發(fā)；LDRA為2，為下降沿載入；LDRB為1，則為上升沿載入。通過函數(shù)ConfigureTc(mode)計(jì)算出LDRB-LDRA=脈寬長(zhǎng)度，即負(fù)脈沖的寬度。同理，如圖6所示，可計(jì)算出正脈沖的寬度。

圖5 測(cè)量負(fù)脈沖寬度

圖6 測(cè)量正脈沖寬度

這樣整個(gè)信號(hào)周期=負(fù)脈沖寬度+正脈沖寬度，具體計(jì)算如下：由于在MODE中沒有設(shè)置TCCLKS，因此為0即缺省，選時(shí)鐘源為MCC/2=48 MHz/2=24 MHz，1/24 MHz=0.041 66 μs，即計(jì)數(shù)一次為0.041 66 μs。總周期=0.041 66(period_low+period_high)μs。其中period_low是負(fù)脈沖寬度，period_high是正脈沖寬度。

2.4 用一次函數(shù)描述規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)曲線設(shè)計(jì)

規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖7所示，這是系統(tǒng)要求內(nèi)循環(huán)離心風(fēng)機(jī)必須滿足溫度與風(fēng)機(jī)速度的一次函數(shù)關(guān)系。利用一次函數(shù)分段來求該曲線。用公式y(tǒng)-y0=k(x-x0)，對(duì)于圖7，在x≤35時(shí)，y=800；在x>35且x≤55時(shí)，k=(1 500-800)/(55-35)=35，y=800+35(x-35) ；在x>55且x≤60時(shí)，k=(2 400-1 500)/(60-55)=180，y=1 500+180(x-55)；在x>60時(shí)，y=2 400。這里關(guān)鍵是控制離心風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與溫度成線性關(guān)系，也就是需要離心風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與控制離心風(fēng)機(jī)的PWM占空比成線性關(guān)系，這樣就避免了采用數(shù)組存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)而占用大量Flash存儲(chǔ)空間仍然不能實(shí)時(shí)反映系統(tǒng)狀態(tài)且系統(tǒng)性能不佳的弊端，達(dá)到精確控制的目的。

圖7 內(nèi)循環(huán)離心風(fēng)機(jī)要求的控制曲線圖(無負(fù)載)

2.5 控制輸入ARM PWM參數(shù)Duty而擬合離心風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與環(huán)境溫度成一次函數(shù)線性關(guān)系的設(shè)計(jì)

通過實(shí)驗(yàn)的方法可以驗(yàn)證公式(3)，如表2所示。從表2中可看出，根據(jù)公式(1)，讀出的頻率乘以30就是轉(zhuǎn)速。再結(jié)合圖7的曲線要求，可得出輸入進(jìn)AT91SAM7S64的Duty恰好與讀出的風(fēng)機(jī)頻率接近，所以公式(3)完全反映了離心風(fēng)機(jī)的實(shí)際工作狀態(tài)。這為實(shí)時(shí)精確控制離心風(fēng)機(jī)的狀態(tài)，運(yùn)用PID或模糊PID算法進(jìn)行閉環(huán)控制提供了可能。

表2 參數(shù)Duty和風(fēng)機(jī)輸出頻率及風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系表(部分參數(shù)示例)

在實(shí)際運(yùn)行中，由于系統(tǒng)的箱體是密閉的，在離心風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，在密閉的箱體內(nèi)的氣流對(duì)離心風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生阻力即風(fēng)阻，使得離心風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度下降。根據(jù)實(shí)際測(cè)試，必須增加Duty作為校正值，增加相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，克服相應(yīng)的風(fēng)阻，來達(dá)到圖7曲線所需的風(fēng)機(jī)的速度與溫度的線性關(guān)系。實(shí)際所加校正值為3和1。在35

圖8 外循環(huán)離心風(fēng)機(jī)要求的控制曲線圖(無負(fù)載)

3 擬合ARM PWM一次函數(shù)算法在通信柜熱交換器產(chǎn)品中的應(yīng)用舉例

在上海貝爾Alcatel-Lucnt公司的MDU通信機(jī)柜熱交換器中，使用了擬合PWM轉(zhuǎn)速溫度一次函數(shù)算法，實(shí)際算法示例如下：

在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，可從上位機(jī)監(jiān)控界面中看到實(shí)際的溫度和轉(zhuǎn)速的曲線圖，從界面中還可讀到環(huán)境溫度和內(nèi)外循環(huán)離心風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，完全符合圖7和圖8的線性控制要求。如當(dāng)通信設(shè)備環(huán)境溫度為40℃時(shí)，無負(fù)載時(shí)(通信設(shè)備未啟動(dòng)，沒有發(fā)熱)，離心風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)是1 000轉(zhuǎn)/分鐘左右，實(shí)際測(cè)試時(shí)為995轉(zhuǎn)/分鐘。實(shí)際測(cè)試時(shí)，產(chǎn)品放在溫箱中，不但要測(cè)試無負(fù)載時(shí)各個(gè)環(huán)境溫度點(diǎn)的轉(zhuǎn)速，在設(shè)置一定的環(huán)境溫度(溫箱內(nèi)溫度)下，還要測(cè)通信機(jī)柜內(nèi)加負(fù)載(模擬調(diào)試設(shè)備的發(fā)熱量)為300 W和1 000 W熱量時(shí)的離心風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速及機(jī)柜內(nèi)的溫度。以上各種測(cè)試均符合溫度轉(zhuǎn)速的線性控制要求，并且控制響應(yīng)快，換熱效果好。由于篇幅限制，關(guān)于這方面實(shí)際測(cè)試方面的驗(yàn)證數(shù)據(jù)不再贅述。

4 結(jié)論

通過擬合一次函數(shù)的方法，不僅簡(jiǎn)化了軟件硬件的設(shè)計(jì)，節(jié)約成本，而且能夠連續(xù)實(shí)時(shí)地跟蹤環(huán)境溫度，實(shí)時(shí)有效控制離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到逼近直線、快速響應(yīng)、快速換熱的目的，從而使得整個(gè)系統(tǒng)的換熱性能大大提高。目前該設(shè)計(jì)已投入了生產(chǎn)，已有千臺(tái)HEX系統(tǒng)在印度尼西亞、菲律賓的MDU通信基站上使用，效果良好。以擬合一次函數(shù)的方法作為基礎(chǔ)，還可以方便地引入PID控制或模糊PID控制，使得系統(tǒng)成為一個(gè)有效的閉環(huán)控制系統(tǒng)。由于篇幅限制，在這方面的應(yīng)用不再贅述。

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The design of a linear ARM PWM function algorithm based on the heat exchanger

Huang Shunfu

(Shanghai Bell Company, Shanghai 201206, China)

The heat exchange system is very important heat transfer equipment. It has been widely used in all industrial fields including the communication. It has advantages such as compact, lightweight, high-strength heat exchange, energy saving, pollution prevention, and environmental protection，and complies with the development trend of today. It controls flow and pressure into the heat exchange core to achieve heat exchange between inside and outside air isolated by the centrifugal fan. It reduces the heater of the communication equipment to ensure that the equipment runs well. With design of the PWM linear function of the centrifugal fan speed and the temperature, it can simplify the hardware and software of controller. So it realizes continuous tracking and fast real-time response for thermal controlling, improves the stability of the products, reduces the cost, and greatly improves the economic benefit of the company.

heat exchanger; centrifugal fan; PWM; temperature; linear function

TP 29

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.24.027

黃順福. 基于熱交換器擬合ARM PWM一次函數(shù)算法設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(24)：94-97，104.

2016-07-22)

黃順福(1964-)，男，工程碩士，工程師，主要研究方向：自動(dòng)化測(cè)試，自動(dòng)化控制，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。