Isı eşanjörüne dayalı ARM PWM doğrusal fonksiyon bağlantısının algoritma tasarımı
Huang Shunfu
(Shanghai Bell Co., Ltd., Shanghai 201206)
: Isı değişim sistemi hemen hemen tüm endüstriyel alanlarda kullanılan çok önemli bir ısı değişim ekipmanıdır. Isı değişim sistemi, kompakt yapı, hafiflik, yüksek ısı transfer yoğunluğu, enerji tasarrufu, kirliliği önleme, çevre koruma özelliklerine sahip olması ve günümüz enerji teknolojisinin gelişme trendine uygun olması nedeniyle son yıllarda haberleşme ekipmanlarının ısı değişim soğutma sisteminde yaygın olarak kullanılmaktadır. Isı eşanjörü teknolojisi, iç ve dış sirkülasyon hava akışının ısı değişim çekirdeğine akışını ve basıncını kontrol etmek için bir santrifüj fan kullanır, böylece izole edilmiş iç ve dış sirkülasyon hava akışının ısı alışverişini gerçekleştirir, iç sirkülasyondaki iletişim ekipmanının ısısını azaltır ve normal iletişim ekipmanını sağlar Meslekler. Santrifüj fanın dönme hızı ve sıcaklığının PWM doğrusal fonksiyonunun tasarımı sayesinde, iletişim kabininin ısı eşanjörünün yazılım ve donanımının tasarımı büyük ölçüde basitleştirilmiştir ve ısı eşanjörünün sürekli izleme işlevi ve ısı değişimine hızlı gerçek zamanlı yanıt gerçekleştirilir, bu da ürünün kararlılığını artırır ve azaltır. Maliyet, şirketin ekonomik faydalarını büyük ölçüde artırdı.
: Isı eşanjörü; santrifüj fan; PWM; sıcaklık; doğrusal fonksiyon
: TP 29 Belge tanımlama kodu: ADII: 10.19358 / j.issn.1674-7720.2016.24.027
Alıntı biçimi Huang Shunfu. Isı eşanjörüne dayalı ARM PWM doğrusal fonksiyon bağlantısının algoritma tasarımı J. Mikrobilgisayar ve Uygulama, 2016,35 (24): 94-97,104.
0 Önsöz
Şu anda, sabit hatlı MDU (çoklu konut birimi) baz istasyonları, kablosuz CDMA (kod bölümlü çoklu erişim), WCDM (geniş bant kod bölmeli çoklu erişim), LTE baz istasyonları gibi Şangay'da Alcatel-Lucent tarafından üretilen iletişim sistemlerinde. Isı değişim sistemi (HEX), ısı alışverişi ve soğutma ekipmanı olarak yaygın olarak kullanılmaktadır. İletişim kabinindeki ekipmanın gücü, çalışma sırasında birkaç kilovata ulaşabilir ve büyük miktarda ısı üretir ve bu da kabin içindeki sıcaklığın keskin bir şekilde yükselmesine neden olur. Ekipmanın iyi çalışma durumunu sağlamak için, iletişim kabinindeki sıcaklık sonsuza kadar yükselemez ve belirtilen aralıkta kontrol edilmelidir. Piyasadaki mevcut yaygın uygulama, sıcaklık ve fan hızını denetleyicideki bir dizide saklamaktır. Bu yöntem sürekli değildir, süreksizdir, pratik anlamda sürekli izleme yapmak imkansızdır ve büyük bir bellek alanı kaplayan gerçek duruma göre esnek bir şekilde telafi edilemez. Isı eşanjörünün sürekli izleme ve hızlı gerçek zamanlı yanıt ihtiyacını karşılamak için bu makale, PWM'yi santrifüj fan hızı ve ortam sıcaklığıyla doğrusal bir işleve uydurmak için bir yöntem önerir; bu, sistemin tasarımını basitleştirir ve yazılım ve donanım dahil bir dizi işlev sağlar. İlgili araştırma ve geliştirme çalışmaları tartışılır.
Bu iletişim kabininin [1-2] ısı eşanjörü, bir ısı değişim çekirdeği, bir iç ve dış sirkülasyon santrifüj fanı ve bir ARM yongasına dayalı bir AT91SAM7S denetleyiciden oluşur. Bu makale temel olarak kontrolörün birinci dereceden PWM hızı ve sıcaklığına uyan yazılım ve donanım yöntemlerini tanıtmaktadır.
1 Santrifüj fan performans analizi ve ARM PWM hız sıcaklığı birincil fonksiyonunun temel formülünün montajı
Gerçekte seçilen santrifüj fan modeli ebmpapst RI1G175-AB41-64'tür.Santrifüj fanın çalışma durumu diyagramı Şekil 1'de gösterilmektedir. Şekil 1'de, apsis hava akışıdır, 1 CFM (dakikada fit küp) = 1,7 m3 / sa; ordinat, hava basıncı artışı, 1 lnH2O (su sütunu) = 200 Pa; qv, Hava Akışıdır (hava akışı); pfs Basınç Artışıdır [3-4].
Kalın düz çizgi, fanın performans eğrisidir. 1, 2, 3 ve 4 numaralı noktalar 57 V çalışma koşullarıdır; 9, 10, 11 ve 12 noktaları 36 V çalışma koşullarıdır; 5, 6, 7 ve 8 numaralı noktalar 48 V çalışma noktası. Bu HEX sisteminin fanı 48 V'de çalışır, çalışma modu noktası 6'yı seçer ve sol tarafında çalışır, ısı değiştiricinin ihtiyacını karşılayan basınç düşüşü azalır ve debi artar. Ayrıca bu tip santrifüj fanın 48 V ve 2970 rpm'deki gürültüsü 57 dB (A) olup bu sistemin gürültü gereksinimlerini de karşılayabilir. 48 V çalışma noktasının seçimi hız, giriş gücü ve akım ile belirlenir. Fanın DUE portunun çıkışı şu şekilde tanımlanır: devir başına 2 darbe. Hız, bu portun darbe frekansı test edilerek elde edilebilir. Örneğin, DUE portunda 87 Hz ölçüldüğü bilinmektedir ve hız şu şekilde hesaplanır: 87 Hz = 87 darbe / sn = 87/2 devir / sn = (87/2) devir / (1/60) dakika = (87 / 2) × 60 devir / dakika. Bu nedenle, fanın hızını frekansa göre hesaplamak için genel formül:
Nerede: Fan darbe frekansı birimi Hz'dir. Türetilen formül (1), PWM doğrusal fonksiyonunu uydurmanın temelidir.
2 ARM çipi AT91SAM7S denetleyiciye dayalı olarak takılı PWM hızı ve sıcaklığının doğrusal bir işlevinin tasarımı
2.1 Santrifüj fan kontrol devresi tasarımı
Şekil 2'de gösterildiği gibi, PWM sinyali, R10 aracılığıyla T2'den girilir.R10, Şekil 2'deki santrifüj fan kontrol devresi T2'nin öngerilim direnci olarak kullanılır, R8, T2'nin kollektör yük direncidir, C14, yüksek frekanslı filtre kapasitördür ve E2, elektrolitik kapasitördür. 48 V dalgalanmanın etkisini filtreleyin. PWM sinyali T2'den geçer ve görev döngüsü tersine çevrilir ve fana girilir.
Fan hızıyla ilgili fandaki puls çıkış sürücü devresi, J5'in 3. pimi üzerinden açık kollektör çıkışı R'dir ve R12'nin kaldırma direnci 3,3 V'a bağlanır. Fan çıkış darbesi, öngerilim direnci R14 üzerinden T4'ün tabanına verilir. T4'ün yayıcısı +3,3 V olarak ayarlanmıştır. Fanın pals çıkışı yüksek olduğunda, +3,3 V'a çekilir ve T4'ün tabanına gönderilir, T4 kapatılır ve U1-TIOA00 V'ta düşüktür; Fan çıkış darbesi düşük seviye 0 V olduğunda, T4 doymuş ve açılır, T4'ün yayıcı ve kollektör voltajı Vce yaklaşık 0,3 V ve U1-TIOA0 voltajı +3,3 V-Vce = 3 V'dir.
C420,01 F'dir.Fanın yüksek frekanslı gürültü çıkışını filtrelemek için kullanılır Devre kartına güvenilir bir şekilde lehimlenmesi gerekir, aksi takdirde doğru darbe sinyali alınamaz. Hız okuma devresi için, T4 şekillendirme rolü oynar T4 yoksa fan çıkış sinyali doğru şekilde tanımlanamaz.
2.2 Santrifüj fanı kontrol etmek için ARM PWM sinyal tasarımı
PWM sinyalinin döngü formülünü [5] aşağıdaki gibi arayın: PWM döngüsü = ön ölçekleyici / MCK / X. MCK ana saattir, X frekans bölme numarasıdır ve ön ölçekleyici, PWM_MR yazmacındaki DIVA'ya yazılması gereken değerdir. PWM_MR'deki PREA seçim frekansı bölümü Tablo 1'de gösterilmektedir. Ön ölçekleyici ve X için arama algoritması aşağıdaki gibidir ve PWM dönem formülü, ön ölçekleyici formülünü elde etmek için değiştirilir:
ön ölçekleyici = PWM frekansı (MCK / X)
Önce, MCK'nin 48 MHz ve frekansın 4k × 100 = 400 kHz olduğu MCK'yı ve frekansı ayarlayın. Bölücü değeri, Tablo 1'deki Bölücü değeridir. Bölücü tarafından temsil edilen dizi değeri bölücüdür [Bölücü] Tablo 1'deki Bölücü Giriş Saati sütunundaki ifadenin paydası, ön ölçekleyici formülündeki X'tir.
Başlangıçta Tablo 1'deki Bölücü, ön ölçekleyiciyi hesaplamak için 0'dan artırılır. Ön ölçekleyici 255'ten küçükse ve Bölücü 11'den küçükse, ön ölçekleyici ve Bölücü gerekli parametrelerdir. İlk ön ölçekleyici 255'ten büyükse, ancak Bölücü 11'den küçükse (Tablo 1'de gösterildiği gibi, Bölücü 0 ~ 10'dur), ön ölçekleyici 255'ten küçük ve Bölücü 11'den küçük olana kadar artırın ve şu anda elde edilen ön ölçekleyici ve Bölücü ihtiyacınız olan şeydir Parametreler. Ön ölçekleyiciyi PWM_MR yazmacındaki PREA'ya doldurun ve Bölücü değerini PWM_MR yazmacındaki DIVA segmentine doldurun. PWM_MR kaydında, DIVA FF'dir ve maksimum 255'tir. Bu alana bölücü DIVA olarak doldurulur.
PWM görev döngüsünün algoritması aşağıdaki gibidir: PWM görev döngüsü = (dönem-CDTY / saat) / döngü, burada döngü PWM_CPRD yazmacına yazılır ve CPRD, görev döngüsü giriş parametresidir. Formüldeki saat, Bölücü değerine karşılık gelen frekans bölme değeridir (Tablo 1'deki Bölücü Giriş Saati ifadesinin payda değeri). Görev döngüsü ve süresi göz önüne alındığında, CDTY belirlenebilir. PWM görev döngüsü şunlara dönüştürülebilir:
Formül (2) 'den, santrifüj fanın hızını kontrol eden görev döngüsünün PWM frekansı ve CDTY ile ilişkili olduğu görülebilir. Gerçek tasarımda, PWM frekansı sabitlenir ve CDTY, santrifüj fanın hızını kontrol etmek için görev döngüsünü değiştirmek için değiştirilir Spesifik yöntem Şekil 3'te gösterilmiştir. CDTY arttığında, görev döngüsü azalır. CDTY'yi görev döngüsü ile orantılı yapmak için, devreyi tasarlarken fazı tersine çevirmek için T2'yi kullanın CDTY arttığında, görev döngüsü de artar. Şekil 4'te gösterildiği gibi CPRD arttığında, yani periyot arttığında, frekans azalır ve görev döngüsü artar. Frekansı görev döngüsüyle orantılı hale getirmek için, devre tasarlanırken, fazı tersine çevirmek için T2 kullanıldığında, frekans azalır ve görev döngüsü gerçekte azalır.
Uygun PWM frekansını sabit bir değer olarak bularak, sistem PWM frekansını 4 kHz'e ayarlar, böylece CDTY ve PWM darbe görev döngüsü doğrusal olur. Kontrolör, çıkış PWM görev döngüsünü doğrudan ayarlamak için CDTY'yi değiştirir ve PWM çıkış görev döngüsü, santrifüj fan hızı ile yakın bir orantılı ilişkiye sahiptir, böylece CDTY ve santrifüj fan hızı doğrusal işlevlerdir. Kolaylık sağlamak için, burada giriş sisteminin parametre sembolünü CDTY yerine Duty olarak ayarlayın. Deneysel testten sonra, santrifüj fanı kontrol etmek için Görev değeri girilirken, santrifüj fan tepkisinin çıkış frekansı, Görev değerinin boyutudur. Formül (1) birleştirilerek formül (3) elde edilebilir, yani:
2.3 Santrifüj fanın okuma hızının tasarımı
Santrifüj fanın hızının okunması, zamanlayıcı sayacının yakalama yöntemi ile gerçekleştirilir. AT91SAM7S64, frekans testi, olay sayma, aralık ölçümü, darbe oluşturma, zamanlama gecikmesi ve darbe genişliği modülasyonunu gerçekleştirebilen üç 16 bit zamanlama sayacı içerir. TC (zaman sayacı), harici olayları saymak için yakalama kayıtlarını A (RA) ve B (RB) kullanır. TIOA'da bir olay meydana geldiğinde, register A ve register B sayaç değeri ile yüklenir. A yazmacını yüklemek için sinyal LDRA'dır ve B yazmacını yükleme sinyali LDRB'dir. TIOA veya TIOB giriş sinyalini harici tetikleyici olarak seçmek için TC_CMR'deki ABETRG bitini ayarlayın. 0, TIOB'u harici bir tetikleyici olarak tanımlar ve 1, TIOA'yı harici bir tetikleyici olarak tanımlar. ETRGEDG, algılama kenarının yükselmesini, düşmesini veya her ikisini de tanımlar. TIOA yüklenebilir, ancak TIOB yüklenemez. Bu nedenle RA ve RB'yi kullanmak için TIOA kullanılmalıdır.
Şekil 5'teki ilk MOD yapılandırmasında gösterildiği gibi, ABETRG 1 ile donatılmıştır ve harici tetik olarak TIOA seçilir; ETRGEDG, bir sonraki kenar tetikleyicidir; LDRA, yüklenecek düşen kenar olan 2'dir; LDRB, yükselen kenar olan 1'dir. Yükleniyor. LDRB-LDRA = Darbe genişliği uzunluğunu, KonfigürasyonTc (modu) fonksiyonu aracılığıyla, yani negatif darbenin genişliğini hesaplayın. Benzer şekilde, Şekil 6'da gösterildiği gibi, pozitif darbenin genişliği hesaplanabilir.
Bu şekilde, tüm sinyal periyodu = negatif darbe genişliği + pozitif darbe genişliği, özel hesaplama şu şekildedir: TCCLKS, MODE'da ayarlanmadığından, 0 varsayılandır ve seçilen saat kaynağı MCC / 2 = 48 MHz / 2 = 24 MHz, 1 / 24 MHz = 0.04166 s, yani bir sayı 0.04166 s'dir. Toplam dönem = 0,04166 (period_low + period_high) s. Bunlar arasında period_low, negatif darbe genişliğidir ve period_high, pozitif darbe genişliğidir.
2.4 Standart eğri tasarımını açıklamak için doğrusal bir fonksiyon kullanın
Belirtilen standart eğri Şekil 7'de gösterilmektedir. Bu, iç sirkülasyonlu santrifüj fanının sıcaklık ve fan hızının doğrusal fonksiyonunu karşılaması gereken sistem gereksinimidir. Eğriyi bulmak için doğrusal fonksiyon segmentasyonunu kullanın. Y-y0 = k (x-x0) formülünü kullanarak, Şekil 7 için, x35, y = 800; x'te > 35 ve x55, k = (1500-800) / (55-35) = 35, y = 800 + 35 (x-35); x olarak > 55 ve x60, k = (2400-1500) / (60-55) = 180, y = 1500 + 180 (x-55); > 60'da, y = 2400. Buradaki anahtar, santrifüj fanın dönme hızını sıcaklıkla doğrusal bir ilişkiye sahip olacak şekilde kontrol etmektir; yani, santrifüj fanın dönüş hızının, büyük miktarda veriyi depolamak ve büyük miktarda Flash depolama alanını işgal etmek için bir dizi kullanmaktan kaçınmak için, kontrol santrifüj fanının PWM görev döngüsü ile doğrusal bir ilişkiye sahip olması gerekir. Sistem durumunu gerçek zamanlı olarak yansıtamamanın eksiklikleri ve düşük sistem performansı, hassas kontrol amacına ulaşabilir.
2.5 Kontrol girişi ARM PWM parametresi Santrifüj fanın dönüş hızı ile ortam sıcaklığı arasındaki doğrusal ilişkinin tasarımına doğrusal bir fonksiyon olarak uyma görevi
Formül (3), Tablo 2'de gösterildiği gibi deneylerle doğrulanabilir. Tablo 2'den formül (1) 'e göre 30 ile çarpılan okuma frekansının hız olduğu görülebilir. Şekil 7'deki eğri gereksinimleriyle birleştirildiğinde, AT91SAM7S64'teki Görev girişinin okunan fan frekansına tam olarak yakın olduğu sonucuna varılabilir, bu nedenle formül (3), santrifüj fanın gerçek çalışma durumunu tamamen yansıtır. Bu, santrifüj fanın durumunu gerçek zamanlı olarak doğru bir şekilde kontrol etmeyi ve kapalı döngü kontrolü için PID veya bulanık PID algoritmalarını kullanmayı mümkün kılar.
Fiili çalışmada, sistemin kabini hava geçirmez olduğu için, santrifüj fan çalışırken, hava geçirmez kabindeki hava akımı, santrifüj fanın çalışmasına, yani rüzgar direncine direnç oluşturarak santrifüj fanın çalışma hızının düşmesine neden olur. Gerçek testlere göre, Şekil 7'deki eğrinin gerektirdiği fan hızı ile sıcaklık arasındaki doğrusal ilişkiyi elde etmek için Görevi bir düzeltme değeri olarak artırmak, karşılık gelen hızı artırmak ve karşılık gelen rüzgar direncini aşmak gerekir. Eklenen gerçek düzeltme değerleri 3 ve 1'dir. 35 yaşında < X55, k = (1500-800) / (55-35) = 35, y = 800 + 35 (x-35) olduğunda, burada y hızdır. (3) formülüne göre, Görev = (800 +35 (x-35)) / 30 (x sıcaklıktır) artı düzeltme değeri, Görev = (800 + 35 (x-35)) / 30 + 3. 55 yaşında < X60, k = (2400-1500) / (60-55) = 180, y = 1500 + 180 (x-55) olduğunda, formül (1) 'e göre, y = (1500 + 180 (x-55)) / 30, artı düzeltme değeri, Görev = (1500 + 180 (x-55)) / 30 + 1. Gerçek çalışma testinden sonra, Şekil 7'deki eğri gereksinimini karşılar. Şimdi bu tür bir algoritma ürünlerde pratik olarak uygulanmaktadır. Şekil 8, Şekil 7'ye benzer olan ve burada tekrarlanmayacak olan harici dolaşım standart eğrisidir.
3 İletişim kabini ısı eşanjörü ürünlerinde ARM PWM doğrusal fonksiyon algoritması uydurma uygulama örnekleri
Shanghai Bell AlcatelLucnt'un MDU iletişim kabini ısı eşanjöründe, PWM hızının ve sıcaklığının doğrusal fonksiyonunu uydurma algoritması kullanılmaktadır. Asıl algoritma aşağıdaki gibidir:
Sistem çalışırken, ana bilgisayar izleme arayüzünden gerçek sıcaklık ve hız eğrisini görebilir ve ayrıca arayüzden ortam sıcaklığını ve dahili ve harici sirkülasyon santrifüj fanının hızını okuyabilirsiniz. Gerçek testten sonra, Şekil 7 ve Şekil 8'deki doğrusal kontrol gereksinimlerini tam olarak karşılar. Örneğin, iletişim ekipmanının ortam sıcaklığı 40 ° C olduğunda ve yük olmadığında (iletişim ekipmanı başlatılmadı, ısı yok), santrifüj fanın dönüş hızı yaklaşık 1.000 rpm olmalı ve gerçek test 995 rpm'dir. Gerçek testte, ürün bir termostata yerleştirilir.Yük olmadığında yalnızca her bir ortam sıcaklığı noktasının hızını test etmesi gerekmekle kalmaz, aynı zamanda iletişim kabinindeki yükü belirli bir ortam sıcaklığında (termostattaki sıcaklık) ölçer (simülasyon hata ayıklama ekipmanı) Isıtma değeri) santrifüj fanın dönüş hızı ve ısı 300 W ve 1000 W iken kabin içindeki sıcaklıktır. Yukarıdaki testlerin tümü, sıcaklık ve hızın doğrusal kontrol gereksinimlerini karşılar ve kontrol yanıtı hızlıdır ve ısı değişim etkisi iyidir. Alan sınırlamaları nedeniyle, bu alandaki gerçek testin doğrulama verileri tekrar edilmeyecektir.
4. Sonuç
Doğrusal bir işlevi yerleştirme yöntemi, yalnızca yazılım ve donanım tasarımını basitleştirmekle kalmaz, aynı zamanda ortam sıcaklığını gerçek zamanlı olarak sürekli olarak izleyebilir ve santrifüj fanının hızını gerçek zamanlı olarak etkin bir şekilde kontrol edebilir, böylece düz bir çizgiye yaklaşma, hızlı yanıt ve hızlı ısı değişimi amacına ulaşmak için. Tüm sistemin ısı değişim performansı büyük ölçüde geliştirildi. Şu anda, tasarım üretime alındı ve Endonezya ve Filipinler'deki MDU iletişim baz istasyonlarında binlerce HEX sistemi kullanıldı ve iyi sonuçlar alındı. Doğrusal bir işlevi yerleştirme yöntemine bağlı olarak, PID kontrolü veya bulanık PID kontrolü, sistemi etkili bir kapalı döngü kontrol sistemi haline getirerek kolayca tanıtılabilir. Yer kısıtlamaları nedeniyle bu alandaki uygulama tekrarlanmayacaktır.
Referanslar
1 Wu Xiao. İletişim odasında akıllı ısı değişim teknolojisinin enerji tasarrufu uygulaması J. İletişim Güç Teknolojisi, 2013, 30 (4): 116119.
[2] Qian Songwen. Isı Değiştirici Tasarım Kılavuzu M. Beijing: Chemical Industry Press, 2002.
[3] Cheng Xinde. Santrifüj fan M Beijing: Chemistry Press, 2006.
4 ebm-papst. Ebm-papst yeşil teknoloji EC teknolojisi ve uygulaması J. Isıtma ve Soğutma, 2013, (4): 6869
[5] Ma Zhongmei AT91 serisi ARM çekirdek mikrodenetleyici yapısı ve gelişimi [M] Beijing: Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press, 2004.
