PWM调速在恒温控制中的应用

行电路设计时,“T T L/ RS - 4 8 5 → RS - 4 8 5 /TTL”变换可以采用两片MAX488,并将其连接成全双工模式,限于篇幅这里不再画出;USB 接口选用PL2303,如图3 所示,直接将来自“RS-485/TTL”电路的TTL电平(TxD、RxD)变为USB 信号,优点是占用8051 资源少、编程简单。

图3 USB 通讯接口电路原理图

3 应用程序设计

应用程序包括8051 对目标系统(电机与温度检测)的监控程序和8051 与微机的通讯控制,现分别说明如下:

3.1 监控程序

该部分程序是应用软件的核心部分,包括一个主程序和两个中断处理程序。为了使整个程序结构清晰和易于功能扩展, 采用“存储管理”的编程思想, 对于程序中使用最频繁、实时性要求最高的变量定义在8051内部RAM,对于需要占用大量存贮空间或访问频度较低的变量, 尽可能放在外扩的数据存贮器上( 图1 未画出),对于信息处理过程所使用的临时变量,尽可能使用通用寄存。

监控程序必须具有温度设置、基于温度的PWM 调速和温度显示等基本功能,这实际上涉及的是人机交互处理和基于温度的PWM 信号处理。根据图1 所示电路结构和基本功能要求,可以认为,它是一个基于8051 中断源INT0 和T0 的中断处理系统, 即,需要设计两个中断处理程序INT0 和T0,其中,INT0 中断处理任务是按键识别与处理,完成温度设置、系统启停、显示切换等工作;T0 中断处理主要任务是调节直流电机转速, 它是根据传感器所测得温度与给定温度的比较情况,通过调整有关参数,使输出PWM 波形占空比发生变化达到调速目的,具体方法详见后述。主程序主要完成系统初始化和显示等任务, 包括以下几个方面:

(1) 监控程序使用的所有变量的定义及初始化;(2) 8279 和8255 初始化;(3) 8051 中断系统初始化;(4) DS18B20 初始化、温度读取、温度显示;(5) 控制变量的判断及处理。

这里, ( 4 ) - ( 5 ) 应该被设计成一个循环执行的程序结构。

3.2 通讯程序

通讯程序主要功能是实现8051 与PC 的数据交换。

8051 利用其串口线RxD 和TxD 实现与PC 的数据收发工作, 这些交换数据包括:

(1) 8051 向PC 发送的温度信息;(2) 8051 接收来自PC 的控制指令,这些控制指令通过8051 串口中断处理程序处理。

在PC 方面,需要编写基于PL2303 的USB 驱动程序和面向8051 的人机界面,限于篇幅在此不作细述。

4 PWM 导通率调整及温控软件算法

根据上面所述可以知道,调节8051 输出PWM 波占空比大小是实现直流调速的前提,而直流调速主电路使得受控于PWM 波的功率开关导通率发生变化,从而实现了直流电机的PWM 调速。现在假设功率开关一个通断周期时间为T _ timer , 在一个周期内的导通时间为t _ on ,则导通率,因此, PWM 调速实际上就是用软件方法对变量t _ on 或T _ timer进行调节,而调节依据则是被测点的实际温度与设定温度的比较情况。

下面首先介绍基于8051 定时中断的导通率调节方法,然后进一步介绍如何根据温度比较情况调节导通率。

在导通率公式中, T _ timer 所允许的最小值取决于功率开关元件的最高工作频率、直流电机调速范围和执行定时中断处理程序所需时间等因素,而T _ timer所允许的最大值则取决于直流电机电枢电流连续性和转速脉动量。

导通时间t _ on 由程序控制, 其值在0 ~ T _ timer之间变化。在进行导通率δ 调节的算法设计时, 既可以使T _ timer为常量, t _ on 为变量,也可以使T _ timer为变量, t _ on 为常量,或者使T _ timer 和t _ on 均为变量。实际上,由于T _ timer所允许的最小值和最大值分别受上述因素限制, 设计时在综合考虑上述因素后取常量,此时t _ on 则成为导通率d 调节的唯一手段了。

下面以工作于6MHz 的8051 为例,说明导通率δ调节及计算方法。

根据8051 定时计算公式,当定时器/ 计数器工作于“定时、方式1”时, 我们不难推导出定时中断周期为:

　　其中, c T 为8051 定时器/ 计数器在编程时的定时常数,如果功率开关元件的开关频率f Hz vt = 4000 ,则定时中断周期T _timer = 250ms ,此时= *11 c T 。

t _ on 的确定,可以采用软件延时方法实现,假设控制功率开关元件通断的驱动电路采用负逻辑驱动,cyc _ times为延时程序控制循环次数的一个参数,则定时中断处理程序进行一次通断操作的流程如图4(a )所示,此时t _ n = 4 * cyc _ times 。

图4 程序流程图

据此,可以推导出在开关频率f Hz vt = 4000 条件下,导通率

,其中cyc _ times = 1 ~ 62整数。

下面进一步讨论如何根据温度比较情况调节导通率的问题。众所周知,在控制论中一种所谓的“PID”调节算法被人们广泛使用,这种方法是建立在输出量的高