基於STM32的半導體制冷片控制系統設計

阿新 • • 發佈：2018-11-07

一些醫療檢測儀器在檢測時需要模擬人體溫度環境以確保檢測的精確性，本文以STM32為主控制器，電機驅動晶片DRV8834 為驅動器，驅動半導體致冷器(帕爾貼)給散熱片加熱或者製冷。但由於常規的溫度控制存在慣性溫度誤差的問題，無法兼顧高精度和高速性的嚴格要求，所以採用模糊自適應PID控制方法線上實時調整PID引數，計算PID引數Kp、Ki、Kd調整控制脈衝來控制驅動器的使能。從simulink模擬的和實驗結果來看模糊PID控制系統精度高、響應速度快，能達到預期效果。

溫度引數是工業生產中常用的被控物件之一，在化工生產、冶金工業、電力工程和食品加工等領域廣泛應用，在醫療檢測裝置中時常需要模擬人體溫度進行成分檢測。採用直流電機驅動晶片DRV8834驅動帕爾貼的製冷和加熱過程。溫度隨時間的變化率和變化的方向不確定且可能大幅度的變化，要求系統的實際溫度快速和精確地跟蹤設定溫度以滿足加工工藝的要求。時間程式溫度控制系統具有強烈的非線性、強耦合、大時滯和時變等特點，傳統PID控制雖然演算法簡單易於實現且調整時間較快、精度較高，但是抗干擾能力不強，容易產生振盪;模糊PID不需要精確的數學模型，能較好的處理時變、非線性、滯後等問題，有很好的魯棒性，響應速度快。

1 過程分析及常規控制方法

恆溫控制系統具有製冷、加熱等功能，箱體內的溫度感測器DS18B20通過不斷地檢測溫度，與設定的很定溫度作比較，當室內溫度低於設定溫度值時，加熱模組工作，使DRV 8834輸出正向直流，驅動帕爾貼元器件，使其加熱;當溫度高於設定溫度值時，使DRV8834輸出反向直流，驅動帕爾貼元器件，使其工作在製冷功能。使室內溫度在設定值範圍內震盪，最終趨向於穩定。同時，控制系統將協調控制製冷和加熱系統，以達到箱溫波動值最小、高精度控溫的目標。所以溫度控制成為恆溫控制系統的核心問題。

2 模糊PID溫度控制系統的硬體電路設計

如圖1，系統主要包括以下幾個部分：

1)數字溫度感測器：DS18B20是一種“一線匯流排”介面的溫度感測器。與傳統的熱敏電阻等測溫元件相比，它是一種新型的體積小、適用電壓寬、與微處理器介面簡單的數字化溫度感測器，實現溫度的採集。

2)控制器：採用STM32模組和儲存器構成，以其豐富的外部資源和高達72 MHz的主頻完成大量的PID運算。

3)加熱模組：採用驅動晶片DRV8834，是一款雙路橋式步進器或者直流電機驅動器。由於加熱器帕爾貼是由直流控制發熱或者製冷，所以用DRV8834用作直流電機驅動器來驅動帕爾貼。

DRV8834能夠驅動兩個直流電機或者一個步進電機，每個H橋的電流輸出為1.5 A，2.2 A峰值電流，所以用1.5 A電流驅動帕爾貼加熱元器件。該器件提供了帶有一個故障輸出引腳的內部關斷功能，此功能用於過流保護、短路保護、欠壓閉鎖和過熱。另外，還提供了一種低功耗睡眠模式以節約電能和增加元器件使用壽命。

如圖2，nSLEEP引腳控制驅動晶片的睡眠模式，低電平進入睡眠模式，由STM32的I/O控制;AOUT1和AOUT2為橋A的兩個輸出端，(這裡接帕爾貼的兩個輸入端)，並且在AOUT端串聯一個0.1歐姆的電阻和1uH的電感來模擬直流電機負載;VREFO為參考電壓的輸出;AVREF和 BVREF通過滑動變阻器改變輸入的電壓，結合AISEN端的電阻設定斬波電流的輸出，斬波電流計算公式：

AENABL引腳是DRV8834晶片的使能晶片;DIR引腳控制橋電流的輸出方向，這裡可以控制帕爾貼的加熱或製冷;nFAULT引腳在晶片正常工作時輸出高電平，當輸出低電平時表示晶片過溫、過流或者欠壓以指示晶片的工作狀態;VM輸入5 V電壓供電。

3 模糊PID溫度控制系統的軟體設計

3. 1 模糊控制基本原理

模糊控制是以模糊集合理論、模糊語言及模糊邏輯為基礎的控制，它是模糊數學在控制系統中的應用，是一種非線性智慧控制。

本文在常規PID基礎上，以溫度反饋值與目標值的誤差e和誤差變化率ec作為輸入，一方面送入模糊控制器用模糊推理的方法計算PID引數的調整係數，進行線上自整定，以滿足不同e和ec對控制器引數的不同要求。

溫度控制的軟體設計主要包含3個部分：系統的初始化，模糊PID的計算，驅動電路的控制。其控制流程如圖4所示。

其中系統初始化包含STM32系統時鐘的初始化，I/O口的初始化，數字溫度感測器DS18B20的初始化，顯示模組的初始化等。模糊PID的計算是 e(k)和ec(k)的值輸入到模糊控制規則表然後去模糊化算出Kp、Ki、Kd的當前值。PID控制輸出的控制量是STM32定時器的計數值以控制 PWM輸出的佔空比，PWM輸出連線到帕爾貼驅動器的使能引腳控制電流的輸出的通斷，從而控制帕爾貼的發熱量。

3.2 模糊劃分及模糊化

設溫度偏差e的基本論域為[-30℃，+30℃]，溫度偏差變化率ec的基本論域為[-12，+12]，輸出u的基本論域為 [-0.4，+0.4]，e、ec和u的語言變數E、EC和U，均劃分為7個變數等級(NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB)，各個變數的模糊論域範圍為：

{E)={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6};

{Ec}={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6};

{U}={-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7}。

對於模糊控制器而言，溫度偏差及其變化率都是精確輸入量，為了對確定的精確量進行模糊化，必須把它們轉換成模糊集合的隸屬函式。由於三角形函式計算較簡單、效能較好，輸入/輸出變數的隸屬度函式都採用三角形分佈。

3.3 模糊控制規則

確定模糊控制規則的原則必須是系統輸出響應的動、靜態特性達到最佳。當誤差大或較大時，選擇控制量以儘快消除誤差為主;而當誤差較小時，選擇控制量要注意防止超調，以系統的穩定性為主要出發點。

本研究根據實際執行經驗進行了試驗、分析、歸納，並得出一系列控制規則為：

3.4 simulink的模擬對比

採用模糊自適應PID控制與常規PID控制作對比，體現出模糊自適應在溫度控制方面的優越性。帕爾貼加熱散熱片可以看成是一個具有時滯特性的一階慣性環節，其傳遞函式為：

其中k取4，τ取500，延時部分在simulink中串聯一個Transport Delay模組，延時時間取3 s。

如圖5，上半部分為模糊自適應PID控制，輸入的訊號通過迷糊控制器算出Kp、Ki、Kd的修正值，然後加上Kp、Ki、Kd的經驗值來對傳遞函式起作用。下面半部分就為普通的PID控制。通過虛擬的示波器觀察兩種控制方法的控制效果。

紅色曲線為普通PID控制的輸出曲線，黃色曲線為模糊自適應PID控制的輸出曲線，通過對比可以發現，傳統的PID控制存在嚴重的超調，並在預期值上下震盪，調整時間長。模糊自適應PID控制很好的解決了這個問題，以最快的時間最小的超調達到系統穩定。

4 結束語

本次實驗採用了常用的直流電機驅動器通過適當調整電路運用到半導體制冷器件上，電路簡單成本也較低。軟體設計上運用PID模糊控制有效的解決了溫度控制的慣性和延遲問題，實驗基於STM32控制器充分利用其韌體庫函式大大減少了開發週期，提高了效率。此係統可以運用在醫療裝置、家用小電器等一些用到溫度控制的場合中，具有一定代表性。

關鍵字：STM32 半導體製冷片控制系統

來源: 21ic 引用地址：http://www.eeworld.com.cn/mcu/article_24483.html

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