基于單片機的自由活塞制冷機測控系統(tǒng)設(shè)計

范偉成，王 豐2，李勇杰，黃興東

(1.上海齊耀動力技術(shù)有限公司，上海 201203; 2.中國船舶重工集團公司 第七一一研究所，上海 201203 )

0 引言

自由活塞斯特林制冷機采用直線電機、純氣動膨脹等先進技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、低振動噪音、壽命長、制冷量方便可調(diào)等優(yōu)點。近年來，傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)由于臭氧層破壞、溫室效應(yīng)等原因而受到越來越嚴(yán)格的限制，這為自由活塞斯特林制冷機的發(fā)展提供了難得的歷史機遇。與傳統(tǒng)的蒸汽壓縮節(jié)流制冷有極大不同，自由活塞斯特林制冷機采用氦氣膨脹制冷，無節(jié)流系統(tǒng)和蒸發(fā)器，具有高效率、“綠色”制冷劑、制冷溫區(qū)廣等特點，在環(huán)保和節(jié)能方面具有重要優(yōu)勢[1]。

由于自由活塞斯特林與直線電機緊密融合為一體，因此自由活塞式斯特林制冷機性能調(diào)節(jié)與控制技術(shù)是制冷機穩(wěn)定運行的關(guān)鍵技術(shù)之一，測控系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著制冷機運行狀態(tài)監(jiān)測和對其進行控制保護的重要任務(wù)。測控系統(tǒng)性能的優(yōu)劣對制冷功能任務(wù)的完成與否以及設(shè)備運行性能表現(xiàn)影響很大，因此，測控系統(tǒng)的研制開發(fā)工作在制冷機項目研制過程中顯得尤為重要。

為了實現(xiàn)對自由活塞斯特林制冷機相關(guān)參數(shù)的測量與控制，設(shè)計了一套基于單片機的測控系統(tǒng)，采用HCS12單片機作為核心微處理器，以完成制冷機狀態(tài)檢測和控制任務(wù)，測量相關(guān)數(shù)據(jù)以研究自由活塞斯特林制冷機的特性。

1 測控系統(tǒng)設(shè)計及硬件組成

根據(jù)自由活塞斯特林制冷機要求，測控系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示。本測控系統(tǒng)基于MC9S12DG256[2]單片機，屬于HCS12系列。大多數(shù)單片機均采用JTAG仿真調(diào)試方式，MC9S12DG256單片機采用BDM單線背景調(diào)試模式為開發(fā)者提供了便利，其能在單片機運行時對單片機進行動態(tài)調(diào)試，該單片機一大特色就是單線背景調(diào)試模式和時鐘監(jiān)視部分用于開發(fā)支持和運行安全。大多數(shù)引腳具有復(fù)用功能，即通用I/O功能和特殊接口功能，這些具有復(fù)用功能的端口和控制邏輯全部集成在單片機的內(nèi)部，因此具有體積小、功耗低、可靠性高和應(yīng)用簡單的特點。該單片機內(nèi)部程序存儲器Flash可以用作保存軟件代碼和測控原始數(shù)據(jù)其容量達256 KB；12 KB的RAM存儲器可以用于堆棧設(shè)置、保存中間零時變量以及動態(tài)運行數(shù)據(jù)信息，甚至在軟件調(diào)試時存放程序； EEPROM存儲器容量為4 KB，可以用于設(shè)置運行參數(shù)、保存組態(tài)等需要長期保存信息數(shù)據(jù)；特有的BDM調(diào)試方式在沒有仿真器條件下就可以實現(xiàn)硬件斷點、條件斷點和在線調(diào)試等全部功能；內(nèi)置的看門狗可以保證軟件跑飛后快速恢復(fù)，當(dāng)系統(tǒng)的始終運行異常時，可以用過時鐘監(jiān)視系統(tǒng)功能進行查看。此外，該單片機內(nèi)部集成了A/D、PWM、SRAM、EEPROM、 CAN、Watchdog等，大幅度簡化外圍電路，支持在線仿真、調(diào)試和編程，內(nèi)部總線速率高達25 MHz，有工業(yè)控制專用的通信模塊，用作數(shù)據(jù)運算處理和通信可以取得較好的效果。

圖1 測控系統(tǒng)框圖

測控系統(tǒng)硬件組成有：以MC9S12DG256單片機為核心的控制器、壓力測量變送器、溫度測量傳感器Pt100、角度測量變送器、直線電機電壓電流測量變送器、散熱風(fēng)扇、聲光報警和上位機PC等。

測控系統(tǒng)工作原理：圖1中上位機PC主要用于顯示自由活塞斯特林制冷機的參數(shù)數(shù)據(jù)狀態(tài)，是人機對話窗口，通過點擊上位機PC的操作按鈕，向單片機控制器下發(fā)例如“開機”、“停機”和“復(fù)位”等控制操作，在上位機PC也可設(shè)置制冷機的運行參數(shù)。單片機控制器用作下位機，主要用于采集和處理各個傳感器信號，當(dāng)傳感器信號出現(xiàn)異常之時能夠提供報警信息；為了保證制冷機安全可靠運行，采用反電動勢控制策略實現(xiàn)制冷機直線電機行程控制，采用快速制冷與溫度PID控制相結(jié)合的控制策略實現(xiàn)制冷機冷端溫度的控制；調(diào)節(jié)和控制直線電機的正常運轉(zhuǎn)，當(dāng)直線電機出現(xiàn)異常時能夠提供報警信息或者直接發(fā)送停機指令；控制風(fēng)扇進行散熱或驅(qū)動報警器進行聲光報警；單片機控制器將制冷機的各個傳感器數(shù)據(jù)信息或報警信息通過串口通訊傳送給上位機PC，并根據(jù)上位機PC的控制指令執(zhí)行相應(yīng)的控制指令。

1.1 壓力測量

壓力測量用于測量自由活塞斯特林內(nèi)部的工質(zhì)壓力，采用工業(yè)控制上常用的電流型兩線制壓力變送器，型號為：CS20FUF-5MPa，該傳感器工作電壓為24 VDC，測量精度為全量程±0.2%，輸出信號為4～20 mA。該電流信號通過249歐姆精密電阻對地產(chǎn)生最高4.98 V的電壓信號，再經(jīng)過信號調(diào)理后進入MC9S12DG256單片機的內(nèi)部AD模塊進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

1.2 溫度測量

需要對制冷機的冷端、熱端溫度以及直線電機溫度的實時采集，這里采用熱電阻Pt100完成。為了保證測量精度，Pt100測溫使用三線制接法，如圖2所示，Pt100信號采集采用電橋測量方式完成，Pt100和精密電阻R1、R2、R組成測量電橋電路，其中R1=R2且R3為可調(diào)電阻，連接Pt100的三根導(dǎo)線a、b和c等長，則其導(dǎo)線電阻也基本一致，可以互為抵消導(dǎo)線電阻引起的測量誤差，進而提高了Pt100信號測量準(zhǔn)確度。Pt100在溫度變化時其電阻值變化是線性的，因此圖2所示的測量電路的輸出V=V+-V-也是線性的，MC9S12DG256單片機的內(nèi)部AD采集這個電壓就能獲得當(dāng)前制冷機相關(guān)測點的溫度。

圖2 熱電阻三線制測量

1.3 傾角測量

自由活塞斯特林制冷機整體結(jié)構(gòu)較為精密，運行中如果發(fā)生移位而形成一定傾角則可能給制冷機帶來損壞，因此設(shè)置了傾角傳感器，當(dāng)制冷機達到一定的傾角數(shù)值，則報警并停止運行。 傾角傳感器型號為：HCA526T，信號輸出為4～20 mA，同樣采用249歐姆精密電阻對地產(chǎn)生最高4.98 V的電壓信號后再經(jīng)過調(diào)理后送給MC9S12DG256單片機處理。

1.4 直線電機電壓電流測量

直線電機驅(qū)動斯特林活塞工作，形成穩(wěn)定的工作循環(huán)，達到制冷目的。為了控制斯特林活塞的行程和計算系統(tǒng)的效率需要測量直線電機的電壓和電流，使用的變送器型號分別為CHZ-50VT/A1和 CHZ-50G/A1，為了提高系統(tǒng)的抗干擾性能，其信號輸出均采用4～20 mA。

1.5 執(zhí)行器控制

自由活塞斯特林制冷機工作過程中，需要用散熱風(fēng)扇及時把熱端產(chǎn)生的熱量帶走；當(dāng)有異常產(chǎn)生時需要進行聲光報警，在本系統(tǒng)中，散熱風(fēng)扇和報警器屬于執(zhí)行器，其控制相對簡單，結(jié)合散熱風(fēng)扇和報警器的自身特性和成本考慮，MC9S12DG256單片機輸出指令經(jīng)過三極管放大后對二者進行驅(qū)動控制，可靠性較高且降低了系統(tǒng)成本。

1.6 直線電機控制

自由活塞斯特林制冷機依靠直線電機的周期性往復(fù)運動驅(qū)動斯特林機的自由活塞壓縮工質(zhì)，從而實現(xiàn)熱量從冷端向熱端的傳輸，達到制冷的目的。因直線電機的周期性往復(fù)運動則驅(qū)動電源必須以周期性方波形式。本系統(tǒng)采用基于IR2181S的MOSFET全橋結(jié)構(gòu)[3]，IR2181S芯片電路內(nèi)部集成了CMOS控制電路和由MOS 管組成的驅(qū)動橋，它能為負(fù)載提供2.3 A的連續(xù)電流。該電路能在600 V 的供電電源范圍內(nèi)安全工作，用戶只需提供與TTL 電平兼容的PWM 信號就可進行4 象限模式的幅值和方向同時控制,而且與數(shù)字控制器的接口非常簡單。直線電機往復(fù)運動控制原理如圖3所示，4 個MOS 管(M1～M4 ) 和一個直線電機(M) 組成的H 全橋。在圖3(a)中，當(dāng)M1 和M4 導(dǎo)通時，電流從電源正極經(jīng)M1 從左至右穿過直線電機，然后再經(jīng)M4 回到電源負(fù)極，電機沿順時針轉(zhuǎn)動。在圖3(b)中，當(dāng)M3 和M2 導(dǎo)通時，電流從右至左流過直線電機，直線電機沿逆時針轉(zhuǎn)動。因此，通過調(diào)整MOS 管的導(dǎo)通與截止時序可以控制直線電機的轉(zhuǎn)向，通過調(diào)整流經(jīng)電機電流的大小可以控制直線電機的轉(zhuǎn)速。本測控系統(tǒng)通過MC9S12DG256單片機的PWM通道輸出方波激勵，驅(qū)動IR2181S工作，周期性地開啟與關(guān)閉M1-M4 、M2-M4可以達到直線發(fā)電機驅(qū)動功率可控且可靠的要求。

圖3 直線電機控制電路示意圖

1.7 上位機PC

上位機PC是人機對話的窗口，采用國產(chǎn)組態(tài)王軟件設(shè)計完成。由參數(shù)數(shù)據(jù)、控制操作、歷史曲線和報警信息等4個部分組成，如在參數(shù)數(shù)據(jù)窗口顯示制冷機的溫度、功率，電流和壓力；報警信息記錄主要記錄制冷機警報類型，方便分析故障；歷史曲線趨勢可以查看制冷機各個參數(shù)的運行趨勢，也可用作壽命統(tǒng)計分析。

2 測控策略

自由活塞斯特林制冷機測控策略核心之一是直線電機的行程控制，要保證行程最大化而避免撞缸并使斯特林機達到最佳效率；另一個核心策略是溫度控制，是自由活塞斯特林制冷機的核心需求，其控制精度直接體現(xiàn)制冷機的質(zhì)量。

2.1 直線電機行程控制策略

自由活塞斯特林制冷機結(jié)構(gòu)非常緊湊，導(dǎo)致無法直接測量直線電機的行程，根據(jù)有關(guān)資料[4-5]，直線電機的反電動勢(BEMF)與直線電機的有效行程存在確定的近似線性關(guān)系。反電動勢的本質(zhì)是通電線圈在磁場中的運動，即:

BEMF=B·l·v

(1)

在一定的驅(qū)動電壓Vdrive下，反電動勢BEMF阻礙線圈中電流的增加，即：

社會認(rèn)知論是社會心理學(xué)的重要理論之一，與讀心術(shù)有著或多或少的關(guān)系。實用性利潤重視商品的效用、價值。感知性利潤重視購買者的自我體驗。例如，在兒童節(jié)節(jié)日時，某廠家品牌的兒童奶粉價格進行8.5折促銷活動。當(dāng)那些需求奶粉的購買者看見此品牌價格促銷進行時，他們通常會觀察期商品的保質(zhì)期、成分等，并核實在8.5折之后的奶粉具體價格，能夠優(yōu)惠多少金錢。倘若此奶粉品牌在贈品促銷時，對買一罐奶粉的購買者都贈與兒童玩具，購買者看到可以獲得贈品，會感到非常合適，就會增加對廠家品牌的認(rèn)可。價格促銷能提升產(chǎn)品質(zhì)量和價值本質(zhì)，贈品促銷能夠提升額外和驚喜感知。

Vdrive=BEMF+l·R

(2)

其中:I為線圈中的電流，R為直線電機線圈的有效電阻。

由式(1)、(2)分析可知，通過實時測量直線電機輸入端電流和電壓，則可以推導(dǎo)出在給定負(fù)載條件下的反電動勢，進而得到直線電機的最大行程。

直線電機驅(qū)動電壓決定了制冷機的效率同時也決定了制冷機的安全，增加直線電機驅(qū)動電壓以使電機驅(qū)動斯特林發(fā)動機活塞盡可能地壓縮工質(zhì)做功，但是過大的驅(qū)動電壓會使活塞行程過大而發(fā)生撞缸事故，因此，需要避免撞缸事故并使斯特林機達到最佳效率。本系統(tǒng)采用基于直線電機最大行程的閉環(huán)反饋式驅(qū)動電壓調(diào)節(jié)方法：實時檢測直線電機的最大行程，對比希望達到的最大行程Smax，確定MC9S12DG256單片機PWM波的占空比。

圖4 基于閉環(huán)反饋電機驅(qū)動電壓調(diào)節(jié)方法

2.2 溫度控制策略

溫度控制是自由活塞斯特林制冷機的關(guān)鍵控制邏輯，其溫度控制原理如圖5所示。總體上來說，溫度控制需要實現(xiàn)兩大基本功能：

1)快速制冷。即制冷機冷端溫度以最快速度達到用戶設(shè)定的需求溫度(T_d)。該過程一般體現(xiàn)在啟動階段。在該階段，需求溫度(T_d)與實際溫度(T_c)偏差較大，當(dāng)以直線電機的額定最大功率運行，直至abs(T_d-T_c)

2)溫度保持階段。該階段要求冷端溫度(T_c)在T_d小范圍內(nèi)波動(<0.5℃)。在本系統(tǒng)中采用PID控溫法。以T_d與T_c之間的偏差&T及其變化趨勢來調(diào)節(jié)PWM波的占空比(Duty Cycle),從而控制直線電機的輸出功率，進而控制系統(tǒng)的制冷量。

圖5 基于PID的溫度控制策略原理圖

3 軟件設(shè)計

自由活塞斯特林制冷機測控系統(tǒng)需要處理的任務(wù)較多，要求實時響應(yīng)的速度較快，因此，傳統(tǒng)的前后臺處理方式不能滿足測控系統(tǒng)的實時性和可靠性要求。所以本測控系統(tǒng)引入了嵌入式實時操作系統(tǒng)。μCOS-II是專門為嵌入式應(yīng)用設(shè)計的且內(nèi)核源代碼公開的多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)，具有占用存儲空間小、代碼執(zhí)行效率高、可移植性好、可擴展性強和優(yōu)良的實時性能等特點。所以本系統(tǒng)選擇uC/OS-Ⅱ作為系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度內(nèi)核[5]。因此，軟件設(shè)計主要包括嵌入式操作系統(tǒng)軟件設(shè)計、基于uC/OS-Ⅱ的MC9S12DG256單片機應(yīng)用軟件設(shè)計以及上位機PC軟件設(shè)計。

3.1 嵌入式操作系統(tǒng)軟件設(shè)計

1)用Typedef聲明與編譯器相關(guān)的數(shù)據(jù)類型(在OS-CPU. H文件中) ，由于不同的微處理器有不同的字長，在μC/OS-Ⅱ代碼中不能使用CodeWarrior4.7集成C編譯平臺C語言的short、int、long 等數(shù)據(jù)類型，而采用INT8U、INT16U、INT32U等直觀又可移植的數(shù)據(jù)類型來代換相應(yīng)數(shù)據(jù)類型。

2) 采用#define定義一個常量OS-STK-GROWTH的值(OS-CPU.H) ，決定堆棧的填充排列方向，如果是1位則表示堆棧由上向下填充；如果是0位則表示堆棧由下向上填充；

3)采用#define定義說明3個宏函數(shù)(OS-CPU.H) 。

4)用C語言編寫10個與MC9S12DG25單片機相關(guān)的函數(shù)(OS-CPU-C.C)。

5)定義說明4個CodeWarrior4.7集成C編譯平臺匯編語言函數(shù)(OS-CPU-A.S)。

3.2 單片機應(yīng)用軟件設(shè)計

自由活塞制冷機的主要任務(wù)是根據(jù)設(shè)置的冷端溫度，MC9S12DG256單片機輸出一定的PWM信號，驅(qū)動直線電機周期運動，帶動斯特林活塞運動，使冷端溫度快速達到設(shè)定值。本測控系統(tǒng)采用的控制流程見圖6，系統(tǒng)上電后，立即檢測系統(tǒng)的各個狀態(tài)參數(shù)，MC9S12DG256單片機讀入設(shè)定的運行參數(shù)，依據(jù)這些參數(shù)，判斷系統(tǒng)是否處于可運行狀態(tài)，若系統(tǒng)通過自檢，則立即進入啟動過程，此時，計算設(shè)定溫度與冷端當(dāng)前溫度的差值，如果其差值大于設(shè)定的偏差值，則單片機輸出兩對相位相差180°的PWM波，每對PWM波的幅值相同、極性相反，驅(qū)動直線電機運行，為了避免初始啟動電流過大而燒壞直線電機，系統(tǒng)采用分步升壓的方法來起動直線電機，即驅(qū)動電壓以一定的速率上升，上升速率根據(jù)設(shè)定溫度溫度與冷端當(dāng)前溫度的差值由單片機決定，期間，監(jiān)測直線電機的行程，如果直線電機的行程達到設(shè)定值，單片機維持當(dāng)前直線電機運行狀態(tài)，直至設(shè)定溫度與冷端當(dāng)前溫度的偏差小于0.5℃。表明制冷機已經(jīng)完成目標(biāo)工作，此時，單片機以設(shè)定溫度與冷端當(dāng)前溫度的偏差變化趨勢確定PWM波的占空比來調(diào)節(jié)控制直線電機的工作狀態(tài)，進而控制系統(tǒng)的制冷量，維持當(dāng)前的溫度。

圖6 制冷機控制流程圖

3.3 上位機軟件設(shè)計

上位機采用工控PC機，使用組態(tài)王軟件進行設(shè)計。上位機主要用于實時收集自由活塞斯特林制冷機的各運行參數(shù)，為后續(xù)對整個系統(tǒng)的優(yōu)化提供分析基礎(chǔ)及目標(biāo)對象。因此制冷機運行完全獨立于上位機程序，僅用作數(shù)據(jù)采集、記錄、分析與匯總等功能。

圖7 上位機監(jiān)測軟件

設(shè)計完成的上位機監(jiān)控界面如圖7所示，上位機PC顯示自由活塞制冷機的工質(zhì)壓力和傾斜角度，直線電機輸入端的電壓、電流、功率以及直線電機內(nèi)部溫度，冷端和熱端的溫度信息；點擊控制操作可以手動調(diào)試直線電機、散熱風(fēng)扇以及蜂鳴器；在參數(shù)設(shè)置則可以設(shè)置制冷機的報警項，如溫度、工質(zhì)壓力、電壓和電流等上下限；歷史曲線運行記錄保存了自由活塞制冷機的參數(shù)運行信息。運行記錄的文件按年月日的格式生成,可以調(diào)查查看；報警信息部分主要顯示系統(tǒng)警報及錯誤信息，如超溫、超壓等，故障記錄主要有：故障代號、故障發(fā)生時間以及故障清除時間等；溫度參數(shù)設(shè)置可以設(shè)定制冷機目標(biāo)運行溫度，點擊“寫入EEPROOM”，則把設(shè)定的溫度數(shù)值寫入MC9S12DG256單片機存儲空間且掉電仍然能保存，控制面板中“開機”“停機”鈕實現(xiàn)對制冷機的簡單開關(guān)機控制，“復(fù)位”按鈕用于清除當(dāng)前發(fā)生的故障報警。

4 實驗結(jié)果與分析

研制的基于MC9S12DG256單片機的制冷機測控系統(tǒng)在某型自由活塞斯特林制冷機上獲得了應(yīng)用，在上位機PC上設(shè)置制冷機的目標(biāo)冷端溫度，MC9S12DG256單片機驅(qū)動直線電機做周期運動，進而帶動斯特林活塞做功，完成了一系列制冷機的性能是試驗，獲得了大量應(yīng)用數(shù)據(jù)，圖8是制冷機在不同環(huán)境溫度/制冷溫度下的制冷量與制冷系數(shù)(COP)曲線圖，證明本測控系統(tǒng)達到了預(yù)期目標(biāo)。

圖8 制冷機的性能曲線

5 結(jié)束語

為實現(xiàn)對自由活塞斯特林制冷機的測控，設(shè)計了一款基于MC9S12DG256單片機的測控系統(tǒng)。采用組態(tài)王軟件設(shè)計了人機對話窗口，編寫了單片機的嵌入式μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)移植軟件，設(shè)計了直線電機行程和制冷機的溫度控制策略，講述了制冷機的控制流程。運行結(jié)果表明，該測控系統(tǒng)操作簡單，界面人機對話方便，能夠?qū)崟r顯示制冷機運行參數(shù)數(shù)據(jù)，能夠自動記錄壓力、溫度、電流和電壓等參數(shù)，并能夠通過反電動勢實現(xiàn)制冷機直線電機行程控制，采用快速制冷與溫度PID控制相結(jié)合的控制策略實現(xiàn)制冷機冷端溫度的控制。該測控系統(tǒng)滿足了自由活塞斯特林制冷機高性價比要求，其經(jīng)驗可以用于其它類似的測控系統(tǒng)的研制工作。