温度控制模块

温度控制模块（共12篇）

温度控制模块 篇1

摘要：本文主要讲述采用集成环境光传感器控制显示屏背光亮度的应用。系统根据环境光强度实行动态的背光控制, 降低功耗。让显示屏亮度根据环境光条件自行调整到最佳状态, 改善用户体验。同时也能手动调节背光亮度。

关键词：自动控制,液晶屏,LED

前言

一个完整的液晶背光控制系统包括二部分: (1) 背光自动控制模块; (2) LED驱动器。其中背光自动控制模块有光传感器和数据处理装置 (通常是微控制器) 组成。系统框图如图1所示。

现在绝大部分CCFL背光的液晶屏都已经停产, 各液晶屏生产商都已经采用WLED背光, 并且有的已经将LED驱动器集成到液晶屏。本文介绍背光自动控制模块。

1 模块组成设计

背光自动控制模块 (以下简称为控制模块) 的基本组成结构设计如图2所示, 主要包括控制模块硬件和上位机控制软件。硬件模块由单片机、光强传感器、电源转换芯片组成;上位机软件是由VB编写的一个USB通信控制软件。

为了更有效地实现系统, 在系统组成的基础上, 对系统的功能进行规划分析。

1.1 光强传感器

光强传感器是关键的组成部分, 它负责向微处理器提供环境光强信息。

1.2 微处理器

微处理器是核心部分, 负责数据处理, 它有以下几个功能:

负责读取光传感器的环境光强数据, 并将这些信息处理转换成脉冲信号控制液晶屏的背光驱动器, 进而完成背光亮度的控制;

解析USB上位机发送过来的指令完成相关操作。

1.3 电源芯片

通过USB取电, 将+5V转换成模块的工作电压。

1.4 上位机软件

基于USB-HID对硬件模块控制指令, 并接收硬件模块的反馈信息。

2 硬件设计

硬件电路原理图如图3所示, 主要由光强传感器、微处理器、电源电路等组成。考虑到显示器的空间限制, 在保证功能的前提下优先考虑小封装的元器件。

2.1 光强传感器

选用Maxim公司的MAX4009集成环境光强传感器, 将所有信号调节和AD转换器集成在一个封装内, 有效节省电路板面积;低功耗 (ICC=0.65μA) ;传感器的光谱灵敏度需要与人眼接近;采用I C通信协议;可设置上、下限阀值中断使其与微控制器的连接方式更简单, 数据传输速度更快。

2.2 微控制器

选用S T公司的STM32F103T8U6单片机, QFN36封装;内部集成I I C以及U S B控制器;通过USB口与外部通信;IIC配合外部中断与光强传感器通信;TIM3输出PWM控制信号;TIM2为通用定时器。

2.3 电源芯片

电源芯片选用ASM1117-3.3, Uin=4.75V~12V;Uout=3.3V;Iout[max]=1A;满足要求。

3 软件设计

对系统设计的功能要求进行深入分析, 将软件设计分为三部分:通信协议、单片机程序和上位机软件。

3.1 通信协议

通信协议是指双方实体完成通信或服务所必须遵循的规则和约定, 是确保数据顺利地、正确地传送的基础。本设计中只是小数据量的有线通信, 所以只是建立了一个简单的通信协议。具体如下:

命令格式:FF WW XX YY CC (5个字节的16进制数) 。

第1位为协议头, 固定为FF。

第2位WW为指令类型:50是自动模式指令;05是手动模式指令。

第3、4位XX和YY在自动和手动模式下代表不同的意义:

自动模式下:XX、YY分别为光传感器的高字节流明寄存器和低字节流明寄存器的数据。

手动模式下:XX是背光亮度的百分比值, 范围1~100。

第5位为结束标识符, 固定为CC。

3.2 单片机程序

单片机程序流程如图4左部分所示。系统上电之后, 先会对单片机进行初始化, 然后判断上位机是否通过USB发送控制指令过来, 接着判断是自动控制指令还是手动控制指令, 如果是自动控制指令, 则读取当前环境光强度, 并设置上、下限门限, 接着把光强度变换成背光亮度的百分比, 最后调用PWM滑动调节控制背光;如果是手动控制命令, 则读取上位机发送过来的背光亮度的百分比, 调用PWM滑动调节控制背光。

3.2.1 MAX44009通信控制

STM32F103通过I2C与MAX44009进行通信。通过设置上、下限阀值, 在光线强度偏离设定范围一定时间后, 产生中断通知微处理器读取光强度, 进行背光亮度调节, 并设置新的上、下限门限。本设计中上、下限阀值范围为当前光强度的±10%。

(1) 读取流明

流明寄存器包含高、低字节流明寄存器。高字节流明寄存器0x03包括4位指数位E3:E0和尾数字节的4个最高有效位M7:M4, 表示环境光强的流明数。尾数字节的其余4位M3:M0位于低字节流明寄存器0x04。如表1所示。用户可以选择只读高字节流明寄存器或者连续读高、低字节流明2个寄存器来得到流明数。

只读高字节流明寄存器换算公式:

读高、低字节流明寄存器换算公式:

本设计中为了增强IC的流明读数分辨率, 所以选择连续读取高、低字节流明寄存器。值得注意的是, 为了确保内部ADC和I2C寄存器之间正确传输数据, 在I2C读操作期间, 芯片内部禁止高字节流明寄存器和低字节流明寄存器的更新, 只有主机发送STOP[1]命令时, 才恢复I2C寄存器更新。所以在连续读取2个字节流明寄存器时, 读完高字节寄存器后不能发送STOP信号, 必须在读完的字节低字节寄存器后才能发送STOP。

(2) 环境光强如何映射到背光亮度

本设计中采用的一种映射方式是Microsoft®针对运行Windows®7[2]操作系统计算机提出的。如图5所示曲线, 它可以将环境光强度映射到显示屏亮度 (以全部亮度的百分比表示) 。

这个特性曲线可以用以下函数表示:

(3) 背光实施

L E D背光亮度与其电流呈线性关系。集成了LED驱动器的液晶屏可以通过PWM直接控制液晶屏背光亮度。本设计中参考液晶屏的数据手册PWM信号的频率选用100Hz, 由STM32F103的TIM3产生。

在背光调节过程中应避免从一个亮度级直接跳转到另一个亮度级 (骤变式的亮度变化会对眼睛造成冲击) , 而应该平滑上调和下调背光亮度, 确保不同亮度等级之间无缝过渡。为了达到这一目的, 可采用带有固定或不同亮度步长、可逐步调节亮度的定时中断。本设计中参考MAX44009应用笔记中推荐的步进式亮度调节的算法进行亮度的平滑调节。

将采集进来的室内光照度转化为微处理器内PWM寄存器的值, 记为当前PWM值。将前PWM寄存器值记为PWM原值。将PWM原值与当前PWM值不断比较递增或递减, 使PWM输出以极小的步长跟踪当前P WM值, 从而实现平滑调光。此算法还能解决启动跳变问题, 使系统启动时PWM由零慢慢变化到当前PWM值。

P WM定时器的跳变值应该在定时器溢出中断中重新赋值, 避免跳变值的改变可能出现PWM信号有波动。

(4) 设置上、下限阀值

MAX44009可以设置上、下限门限, 在光线强度偏离上、下门限一定时间后, 产生中断通知微处理器读取光强度。

由表2可知MAX44009的上、下门限只是针对高字节流明的。怎么把一个浮点型的流明数值变换成上、下限寄存器的格式数据。在这里需要采用frexp[3]函数:double frexp (double x, int*exp) ;其中0.5≤x<1;exp为整数。然后再对数据进行调整, 程序如下:

设置上、下限阀值主要是为了改善系统对环境光强变化的响应, 避免因为光强的瞬间变化 (譬如一扇窗户打开或瞬间有一束光扫过) 而过快地改变亮度等级, 这往往会造成用户感觉不适。最初级的方法是每隔一两秒钟检查一次光传感器, 然后相应地调整背光亮度。更好的方法是, 只有光线强度偏离特定范围一定时间后, 才对背光亮度进行调节。

MAXIM推荐的例子是:“如果正常光强是200lux, 可能只会在光强降到180lux以下或升至220lux以上, 而且持续时间超过数秒的情况下才调节亮度”。由于上、下限阀值设定是个固定值, 当系统的使用环境更换时 (比如说室外转移到室内) , 会造成背光调节的偏差, 特别是新环境的光强度超出了上、下限阀值时, 系统的调光效果跟最初级的方法效果一样了。

为了解决这一问题, 本设计中采用了动态设置上、下限阀值的方法。读取当前光强度, 然后取±10%为偏移量, 写进上、下限寄存器中。

3.2.2 PWM控制

S T M 3 2 F 1 0 3共有7个定时器, TIM1和TIM8是高级定时器, TIM2、TIM3和TIM4是通用定时器, TIM6和TIM7是基本定时器。本设计中采用通用定时器TIM3, 利用TIM3产生周期为100Hz的PWM信号。

P W M配置步骤如下:1、设定TIM3信号周期;2、设定TIM3预分频值;2、设定TIM3分频系数;4、设定TIM3计数模式;5、初始化TIM_Time Base Structure[4];6、设定TIM3的OC模式;7、TIM3输出使能;8、设定电平跳变初值;9、设定PWM信号的极性;10、使能TIM3信号通道;11、使能TIM3中断;12、使能TIM3重载寄存器CCRX;13、使能TIM3计数;14、在中断中设置新的电平跳变值。

3.2.3 USB通信

在ST提供的USB-HID的例程上做修改, 增加到3个USB端点。EP0为控制端点, EP1为INTERRUPT OUT端点 (PC向MCU发送数据) , EP2为INTERRUPT IN端点 (MCU向PC发送数据) 。需要对“usb_desc.c”文件进行修改, VID和PID[5]不能跟现有的设备相冲突。详细可参考USB HID V1.1协议。模块收到上位机发送过来的数据后, 对数据进行解析并根据命令做出相关操作, 代码如下:

3.3 上位机软件

在VB编程环境中应用“Hid API bas”组件进行USB通讯编程, 根据上述的通信协议通过USB接口与控制模块进行信息指令交换。软件有两个功能:1、勾选“AM”控制模块进入自动控光模式, 滑条将被屏蔽不允许操作;2、不勾选“AM”进入手动控光模式, 可以通过滑条进行亮度调节。

在VB中滑条需要鼠标左键才能触发, 为了鼠标的滑轮能够使用, 加入了定数器, 每20ms读取一次滑条的值, 保存并与上一次数据项比较, 如果有变化则通过USB发送控制指令, 否则不做处理。代码如下:

软件界面效果如图6所示。

4 结论及成品展示

通过对本系统的调试与测试, 实现了液晶背光的自动和手动控制。系统运行可靠, 操作简单, 而且硬件模块体积小便于安装。已应用于多个显示器产品中。

参考文献

[1]Maxim.MAX44009 Data sheet Rev 0[Z].Maximintegrated.2011

[2]Windows.Integrating Ambient Light Sensors with Computers Running Windows 7[R].Microsoft.2010

[3]谭浩强.C程序设计 (第三版) [M].北京:清华大学出版社.2005

[4]ST.UM0427 Rev 2[Z].STMicroelectronics.2000

[5]USB Device Working Group.Device Class Definition for Human Interface Devices[Z].USB.org.1999

温度控制模块 篇2

摘要：PTR2030是超小型、超低功耗、高速率的无线数传MODEM模块。它性能优异，是目前低功率无线数传应用方面的理想器件。文中介绍了PTR2030的主要特点、引脚功能、软件设计、硬件连接方法及具体应用电路。

关键词：无线数传;MODEM;PTR2030

1 概述

由于目前无线收发模块的种类较多，因此如何在设计中选择所需要的模块显得非常关键，正确的选择可以少走弯路，降低成本，更快的将产品推向市场。本文介绍的新型无线收发模块PTR2030就是一种超小型、超低功耗、高速率的无线数传MODEM。它采用串口传输，应用及编程非常简单，传送的效率很高，而且所需的外围元件少，产品开发成本低，功耗低，管脚少，封装小，因而有利于减小PCB板面积和降低成本。

PTR2030由单IC组合而成，它采用FSK调制，而且接收发射合一，因而抗干扰能力很强;由于采用标准的DIP引脚间距，因此更适合嵌入式设备。另外，它采用低发射功率、高灵敏度设计，可满足无线管制的要求且无需使用许可证，是目前低功率无线数传的理想选择。PTR2030的主要特性如下：

●接收发射合一;

●工作频率为国际通用的315MHz数传频段;

●采用FSK调制方式，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合;

●采用频率合成技术，频率稳定性极好;(本网网收集整理)

●灵敏度高达-105dBm;

●最大发射功率为+10dBm;

●工作电压低(2.7V～3.3V)，功耗小，待机状态电流仅为8μA;

●工作速率最高可达20kbit/s(也可在较低速率下工作?如9600bps);

●超小体积;

●可直接与单片机串口相连，编程非常方便;

●由于采用了低发射功率、高接收灵敏度设计，使用时无需申请许可证;

●标准的DIP引脚间距更适合于嵌入式设备。

2 PTR2030的引脚功能

PTR2030模块的引脚图如图1所示。各引脚的功能如下:

VCC：正电源，范围为2.7～3.3V;

CS：频道选择端，必须设为高(即CS=1)，即选择工作频道为315MHz;

DO：数据输出端;

DI：数据输入端;

GND：电源地;

PWR：节能控制端，PWR为1时，为正常工作状态;PWR为0时，为待机微功耗状态;

TXEN：发射接收控制端，TXEN为1时，模块为发射状态;TXEN为0时，模块为接收状态。

3 PTR2030的软件编程

在软件编程过程中，对PTR2030的工作模式和工作频道的选择尤为重要，表1给出了该模块的工作模式控制及工作频道的.选择方式。

表1 模块工作模式控制及工作频道选择表

模块引脚输入电平模块状态TXEMCSPWR 011接收011接收111发射111发射XX0待机

PTR2030的通信速率最高为20kbit/s，也可工作在其它速率?如4800bps、9600bps?下。实际上，使用时无需设置PTR2030的工作速率。

在发送数据之前，一般应将模块置于发射模式，即置TXEN为1，然后在等待至少5ms后(接收到发射的转换时间需要)才可以发送任意长度的数据。发送结束后，应将模块置于接收状态?即置TXEN为0。发射到接收的转换时间为5ms。

接收时，应将PTR2030置于接收状态?即置TX-EN为0，接收到的数据可直接送到单片机串口或经电平转换后再送到计算机。

当PWR为0时?PTR2030将进入节电待机模式，此时的待机功耗电流大约为8μA。待机模式下，一般不能接收和发射数据。

4 PTR2030在温度测控系统中的应用

用PTR2030可实现数据采集的点对点传输，也可构成点对多点的双向数据传输通道。图2所示是PTR2030用于温度测控系统中的电路图。

在该系统中，PTR2030可将温度传感器采集到的温度数据传送给计算机，同时将计算机发出的控制信号传送给单片机，从而实现单片机与计算机之间的无线数据通讯。PTR2030可直接接单片机的串口或I/O口。连接时，PTR2030无线MODEM的DI端应接单片机串口的发送端?DO端应接单片机串口的接收端。利用单片机的I/O可以控制模块的发射、频道转换和低功耗模式。PTR2030与计算机相连时，必须经过电平转换来将TTL电平转换为RS232电平。电平转换可选用一片MAX232来完成。

图2

基于无线收发模块的特点? 在对系统进行软件设计时，应该特别注意通信协议的制定及纠检错的处理。无信号时，PTR2030的串口输出为随机数据，所以协议的第一件事就是要能够识别噪声和有效数据。通过测试和试验发现，0xFF后跟0x00在噪声中不容易发生，因此，单片机发送数据可以任意内容的字节开始(因为第一个字节的数据在发送时易丢失)，然后是0xFF后跟一个0x00，接收协议规定只接收以0xFF开始。并在其后跟一个0x00的数据包。

另外应注意数据的纠检错。本系统检错采用校验和方式?纠错采用连续传送三次的方法。同一数据连续发送三次，然后在接收端比较三个数据中的每一位，若至少有两个数据的该位相同，则该位为正确。总之，一个完整的无线传输协议为：

[开始1][开始1][开始2][数据1][数据2][数据3][校验和]。

其中开始1是0xFF，开始2是0x00，如果校验和正确，则说明数据传输完整。然后再比较数据1、数据2、数据3，取其两个相同者给出应答信号，如果数据本身传输不完整、则不应答，系统会重新发送数据。

温度控制模块 篇3

关键字 GSM网络 PTM101模块 Atmega64 远程控制

中图分类号：TP3 文献标识码：A

0引言

GSM（Global System for Mobile communication）系统是当下在时分多址技术的移动通讯基础上发展的非常完整、实用、应用最广泛的一种系统。所谓GSM远程控制就是服务器中的单片机利用GSM的短信功能通过AT指令向目标客户端发送控制信息指令，客户端根据控制方的指令让客户端采取相对应的执行动作。同时，为了向控制方及时的回馈操作效果，又可以把动作后的内容发送回控制方，以实现二者的互联通信。本文就是利用AVR ATmega64微控制器和GSM模块两者结合来实现远程激活设备的控制，以GSM模块、八位高速AVR单片机为核心，附加上遍地存在的无线网，以发送接收短消息后解析短信息的合法性和提取附带在短信中对被控制方的控制信息的技术来实现厂家对所售设备的远程智能控制，以实现供需两方的意愿。

1系统主要硬件部分介绍

如图所示：图1是GSM远程控制系统的流程框图，现在以医院利用厂家生产的凝血分析仪做凝血分析实验为例说明其工作整体流程。厂家通过低价或者免费送给医院，要收回成本并逐渐盈利必须用远程控制其实验次数，一旦客户端的控制设备检测到本凝血分析仪预先允许做的凝血实验次数用完后就停止运作。直到接受到服务器新的有效指令和数据信息的时候，按照服务器发过来的信息重新启动设备并且重新设置能做凝血分析仪的次数等数据。为了实现这种控制，当医院通知厂家要购买实验具体次数时，厂家通过PC机将按照内部协议将加工后的数据通过USB传送到ATMET64单片机内，单片机通过再次分析提取要发送给PTM101的数据发送给PTM101无线模块并且利用外部存储器对服务对象的信息备份，以便将来需要的时候查询核对。数据通过单片机的TXD引脚（收数据用RXD引脚）发送到PTM101后会在SIM卡中以短信的形式发送到客户端，客户端收到服务器数据后会按照与服务器约定的数据格式和协议提取具体信息，如是否激活凝血分析仪，允许做凝血实验几次。解析完短信后刷新客户端系统的数据，重新激活设备。之后医院每做一次凝血分析实验就会自动通过USB向客服端授权中心传送一些信息，客户端授权中心依据这些数据来刷新允许做凝血分析次数等数据。并且将这些数据按照协议打包通过PTM101模块以短信的形式发送给服务器，服务器收到短信后单片机会提取SIM卡中的短信，单片机解析短信后将有用的数据在备份的同时通过USB传送到服务器的PC机上，这样厂家可以实时观察客户端的信息，从而起到远程控制作用。

2结论

本文解析了GSM网络概念和应用，并且以AVR ATMEG64和PTM101无线模块为核心设计出了一套远程控制系统，并且以凝血分析仪为例说明了远程控制系统的工作流程。整个过程中，调研了很多类似控制装置的研究，分析了这个方案的可行性，将多种技术做了良好的结合，达到了预期目标。

参考文献

[1] 马潮.嵌入式GSM短信息接口的软硬件设计[J].单片机及嵌入式系统应用，2003（2）11-14.

[2] 韩萍.基于GSM短消息业务的车辆监控系统[D].南京：南京理工大学硕士论文，2004.

EPA现场控制器控制模块的开发 篇4

全国工业过程测量与控制标准化技术委员会TC 124以及中国机械联合会、国家标准化管理委员会制定的“用于工业测量与控制系统的EPA系统结构和通信标准”[1]已正式通过国际电工委员会投票正式成为国际标准, 实现了我国工业自动化领域在国际标准化工作中零的突破。

清华大学过程控制研究所参与了国家十五“863”课题, 承担了EPA标准的制定和设备通信协议的研究设计工作, 完成了EPA通信栈和组态软件EPA Configuration的开发。基于以上基础, 本文在EPA应用层上实现了部分常用的功能块, 并通过XDDL与组态软件进行链接运行, 设计了EPA现场控制器的控制模块, 验证了其可行性。为今后开发基于EPA的现场设备奠定了基础。 (1)

2 EPA功能块及其应用进程

EPA协议模型如图1所示。在ISO的OSI参考模型的基础上增加了用户层, 通过用户层的功能块应用进程实现用户的可组态的控制策略。

功能块是一个软件功能单元, 由输入信号、输出信号、内含参数以及对这些参数进行操作运算的算法组成, 用位号或者序号唯一标识。功能块定义的输入、输出参数可以进行链接组态以实现不同的控制功能。基本功能块模型如图2所示。

功能块的执行是通过调度实现的, 每次启动功能块都会执行相应的算法, 依据输入信号及内含参数得到输出信号, 因此功能块可以视为具有标准结构算法的函数。

EPA标准中定义了资源块、技术块、控制运算功能块。EPA功能块规范规定各种功能模块的标准框架结构, 便于功能块之间的互连互操作。而对功能块的内部算法则没有硬性规定, 而是留给了制造商具体实现。

EPA管理信息库是一个特殊的功能块实例, 其功能块实例标志AppID缺省定义为0。通过其内部参数, 它保存着EPA设备识别信息 (如设备ID、设备位号等) 以及一些系统调度信息等系统管理相关信息, 另外还保存着和网络管理相关的信息。包括网络管理、系统管理、功能块应用进程、组态程序等用户层的程序。

资源块是一种特殊的功能块, 用其来描述现场设备的一般特征, 如设备名、制造商等。同时该块把设备资源的信息特征化, 以隔离功能块应用于具体硬件实现。资源块包含监控物理设备的算法, 资源块只有内含参数, 不可连接共享, 资源块的算法执行不受系统管理调度, 每个设备内的调度周期、报警、确认等许多信息都统一在资源块内设置, 因此每个设备至少包含一个资源块。

技术块是控制运算功能块与外接IO交换信息的特定块, 技术块通过通道与功能块的输入输出信号链接, 即将输入输出功能块的信号转换为具体的物理信号, 因此又称转换块。技术块只有内含参数, 内部包含算法, 如AD、DA转换等, 算法执行由制造商指定, 不受系统管理的调度。凡是EPA功能块应用进程与外部传感器、执行器等链接都必需有技术块作桥梁。

控制运算模块则是一般通用的完成用户控制策略的模块, 如模拟量输入输出、开关量输入输出、PID控制等。与资源块和技术块不同的是他们都包含有用户进行组态链接的输入输出信号, 并可以通过通信网络跨设备进行组态, 协同完成用户的控制策略。一个典型的PID控制模块的框图如图3所示。PID控制模块是比较复杂的模块之一, 模拟量输入AI、模拟量输出AO类似, 由于篇幅的关系就不一一列出了。

如前所述EPA标准规定了功能块框架结构, 具体算法是设备制造厂商实现的。因此各个厂商的实现可能不尽相同。但总体步骤应该是相似的。下面讲述一下PID模块的执行过程。

首先模块是受系统调度的, 按时间或事件触发模块的执行, 执行的第一步是获取并暂存最新的全部输入信号, 暂存是保证在计算期间不受外部影响。其次进行模式计算, 根据目标模式和输入参数的状态确定当前模块应该工作的实际模式。为了保证互操作性, EPA规定了离线、初始化手动、就地手操、手动、自动、串级、远方串级、远方手动等8种模式。每个厂商的功能块可以支持其中的2种 (必需要有离线) 以上的模式。

实际模式决定功能块算法的执行, 如主输入信号故障就不能进行自动控制, 如下游的控制模块不能接受本控制模块的输出则本模块必需进入IMAN模式, 进行反向初始化。如主输入信号正常则可以进行自动PID计算等。

实现一个具体模块除了要考虑正常运算外还要考虑上电初始化等特殊处理。

3 功能块应用测试系统的实现

3.1 测试系统介绍

为了进行EPA功能块应用的测试和实验, 构建了如图4的测试实验系统。

测试系统的操作站使用一台PC机, 在PC机上运行基于XDDL的EPAConfiguration[2]组态软件, PC机通过标准的以太网与EPA控制器连接。

EPA控制器使用BL2000[3]作为硬件平台, BL2000是一款低成本、高性能的单板控制器, 包括测试所需的以太网接口, 12位ADC, 12位DAC, 开关量输入输出等资源。BL2000同时提供DynamicC软件开发平台。该平台集成了EPA通信所需的全部TCP/CP资源。

BL2000内部集成了EPA通信栈和应用层软件, 在这些软件基础上按照EPA功能块规范编制了管理信息库, 资源块、技术块, AI, AO, PID的实现软件。

3.2 控制器与组态软件的链接

在EPA系统中, 为了实现不同厂家的现场设备之间的互操作和集成, 基于XML定义了一套标签语言用于描述EPA现场设备属性实现EPA现场设备的集成与互操作, 并把这套标签语言叫做XDDL (eXtensibleDeviceDescriptionLanguage) , 在XDDL中, 通过规范的标签描述设备的信息及功能块和功能块内部的参数信息[4]。

为实现本控制器THU EPAC的互操作, 对XD-DL文件的两部分进行了开发, 即设备描述文件信息结构体 (XDDLDocumentInfo) 和设备描述结构体 (DeviceDescription) , 如图5所示。前者描述了文件的创建日期和版本, 后者描述设备通用属性和设备资源属性。设备通用属性主要是设备制造商、设备类型、设备版本、设备描述版本等属性;设备资源属性主要是描述设备所含功能块的属性。

3.3 管理功能块实现的流程

通过管理功能块的设计, 使设备内功能块能够得到正确的调度, 并且网络能够顺利的访问控制器。其实现算法如图6所示。

3.4 技术块实现的流程

技术块按固定的频率通过硬件驱动程序读取物理传感器中的硬件数据, 然后在技术块内部进行线性化、单位换算、校准等一系列数据处理, 将处理完的数据通过不同的通道输出给功能块使用。反之, 通过读取通道数据, 将用户输入的信息输出给执行器进行控制。

以AD技术块为例, 它首先读取A/D转换器的的数据后, 经过无因次化、非线性校正等处理后变成过程测量值, 供运算控制模块使用。它的具体处理流程如图7所示。

3.5 控制运算模块实现的流程

控制运算模块是EPA现场控制器的软件核心模块, 当控制运算功能块被调度后, 接收从输入功能块递交的数据, 并对得到的数据进行控制算法处理。处理后的数据与报警参数进行比较, 如果是异常值, 将通知报警块;如果是正常值, 将其传递给下一功能块。

本系统根据功能块的用途不同设计了资源块与AI, AO, DI, DO, PID等功能块。在程序实现中, 每一个功能块都具有初始化函数、功能块执行函数、功能块模式和状态处理函数。所有的块必须包含6个通用参数:静态版本、位号说明策略、警键、模态、块错误。另外, 功能块还必须包含一个特性参数, 用于描述功能块的基本属性。在实际应用中, 并不是所有参数都能用上。

控制运算模块的实现主要包括模态转换和控制算法的设计。其处理流程如图8所示。

(1) 参数设置与模态转换。

控制功能块参数初始化过程包括两部分:其一, 功能块实例化对各个参数的默认初始化。其二, 将功能块应用于不同的控制回路中所要求的参数的设置, 这些参数的设置由组态软件设置。

为此设计了几个基本程序模块:

GetData () 获取数据, 在仿真使其能为真的情况下, 获取仿真数据, 为假时, 选择不同的通道获取不同转换块的值;

Status () 状态处理, 功能块的执行情况和输出值的好坏反映在输出参数的状态中, 输出参数状态可以通过输出参数传递给其他功能块, 利用参数状态可以避免不可靠数据对控制系统造成的伤害;

ModeTrans () 模态转换, 用户设置功能块的目标模态, 当功能块接收到输入事件后, 根据输入参数的状态以及功能块的目标模态来判断是否满足向目标模态转换的条件, 从而确定控制算法下一步的工作模态, 并按照这个模态执行以产生输出。

(2) 算法实现。

本系统为每个功能块设计了实施算法。以下仅介绍PID控制功能块的实现算法。PID控制是一个普遍用于过程控制应用的典型控制方法。在构建一个过程应用时, PID功能块是一个非常重要的块。设计强大的控制功能不是本文的重点内容, 因此本文只是设计了基本的控制算法。

其算法通过对PV与SP的偏差进行比例、积分和微分运算, 得到的控制量经过输出选择、输出量程转换和输出限制后, 由OUT输出。基于嵌入式语言DynamicC, 编写了一个控制函数EPA PID () , 该函数运行PID的控制算法。该算法的参数为比例增益、积分时间和微分时间。

4 测试结果分析

基于本实验室的EPA通信栈协议与EPA Configuration组态软件对控制器进行测试。

启动组态程序EPA Configuration, 监控来自网络的EPA消息。把控制器挂接到EPA现场网络后, 周期性的发布设备声明消息。组态程序接收到设备声明消息后自动发现并识别设备。分别将所使用AI, PID, AO功能块添加到控制回路组态窗口中。创建链接对象, 建立功能块之间的连接关系, 组成控制回路。将AI功能块和PID功能块连接成回路, 并把AI功能块的OUT输给PID的IN, PID的OUT输入给AO的CAS IN, 然后通过AO的BKCAL OUT反馈给PID。编译控制回路组态信息, 并将组态信息下载到各个现场设备中。

组态软件的运行监控图, 能很好地反映出控制系统的运行过程和结果。图9是控制系统的监控界面, 显示了该系统的实时运行状况。运行PID算法, 观看PID输入端口 (曲线1) 与输出端口 (曲线2) 的值的变化。该图说明了该控制系统能够实现自适应控制过程。

5 结束语

设计了EPA现场控制器的通信模块, 挂接在EPA实验网络中, 并且成功地验证网络化控制系统基于EPA标准的可用性。分析结果表明, 控制器经过功能块组态后能按照组态的控制策略正确运行, 达到预期控制功能。EPA现场控制器充分体现了现场总线控制系统的分散化、网络化和智能化特点, 并为开发基于EPA标准的现场仪表设备奠定了坚实的基础, 从而推动基于EPA控制系统的应用, 促进了自主研发的工业以太网技术的产品化进程。

但是, 这仅仅是个实验测试平台, 在往后的产品开发过程中, 需要解决好以下几个问题:

(1) 在现场级, 除实现基本控制功能外, 为完成解耦、自定义语言、复杂PID与DCS接口等特殊控制功能的实现, 需开发控制功能强大的现场控制器。

(2) 在复杂的现场环境中, 对实时性的要求很高。随着EPA控制器的开发, 进一步加强EPA控制器中的通信调度和时间同步功能是很重要的。

摘要：主要以EPA现场控制器的控制模块为研究对象, 首先介绍基于EPA的功能块及其应用进程, 接着阐述控制模块开发中的重点工作:管理功能块、技术块和控制运算模块的设计重点实现流程, 并简要介绍了控制器的XML设备描述文件的开发。最后通过把控制器挂接在EPA实验网络上, 对控制模块进行了分析, 结果表明该控制模块能够有效完成控制功能。

关键词：EPA,现场控制器,控制模块

参考文献

[1]GB/T20171-2006, 用于工业测量与控制系统的EPA系统结构与通信规范[S].

[2]谷海波, 杨佃福, 桂康.EPA通信协议在μCOS-II嵌入式系统中的设计与实现[J].微计算机信息, 2007, 23 (1-2) :1-3.

[3]ZWORLD Inc.BL2000 user’s Manual[EB/OL].[2008-12-09].http://www.zworld.com.

温度控制模块 篇5

《会计基础工作规范》发布的时间是（）。一九九六年六月十七日 《会计基础工作规范》是《会计法》的重要配套规章。（）正确

《会计基础工作规范》对既不设会计机构，又不设专职会计人员的单位，允许（）。代理记账 财务机构负责人或者会计主管人员的人选，不需要总会计师进行业务考核。（）错误 一式几联的原始凭证，必须注明各联的用途，并且只能（）。以一联用作报销凭证 如果发现对外报送的财务报告有错误，应当及时办理更正手续。（）正确 会计工作的社会监督主要是指（）。注册会计师审计

各级税务机关在税收征收管理过程中，对纳税人及影响纳税的其他工作不得实施监督。（）错误 稽核制度的主要内容不包括（）。制定和修订定额的依据、程序和方法 建立健全单位内部会计管理制度与改善单位经营管理关联不大。（）错误 会计监督的对象是本单位的（）。经济活动

原始凭证和记账凭证的相同点是（）。反映经济业务的内容相同 一般而言，总分类账的外表形式采用（）。订本式

初级会计人员继续教育的时间是每年累计不少于（）。72小时

《中华人民共和国会计法》明确规定，管理全国会计工作的是（）。财政部 《会计基础工作规范》发布实施后，《会计人员工作规则》同时废止。（）正确

会计工作交接时，移交人员因病或者其他特殊原因不能亲自办理移交的，可以不必移交。（）错误 各单位必须从本单位的实际出发，结合本单位的生产经营管理的特点和需求制定内部会计管理制度。正确

对弄虚作假、严重违法的原始凭证，会计人员在不予受理的同时，应当予以扣留，并及时向单位领导人报告，请求查明原因，追究当事人的责任。（）正确

下列内部控制要素中，属于行政事业单位对内部控制建立与实施情况进行监督检查，评价内部控制的有效性，发现内部控制缺陷，并及时进行改进的是（）。内部监督

授权一般以两种形式存在，即口头授权和书面授权。（）正确

下列各项关于内部控制的说法中错误的是（）。内部控制由董事会、监事会、经理层参与实施，和其他员工无关 企业内部控制的实施主要是企业董事会、监事会和经理层的职责，和企业其他员工无关。（）错误 在下列选项中，不属于不相容职务的是（）。预算与内部审计 单位应当建立健全内部控制关键岗位责任制。（）正确 单位资产的内部控制现状不包括（）。资产业务符合程序

单位应当根据批复的预算安排各项收支，但是有时也可增加支出。（）错误

针对于内部控制其他要素的，自上而下的单项检查，并对内部控制的质量进行评价的内部控制要素是（）。内部监督 下列选项中，不属于单位采购业务管理中不相容岗位的是（）。流程记录与质疑投诉检查 单位应当建立健全的内部预算管理工作机制不包括（）。预算核对 在下列选项中，不属于不相容职务的是（）。预算与内部审计

下列各项关于内部控制的说法中错误的是（）。内部控制由董事会、监事会、经理层参与实施，和其他员工无关 单位可允许一人保管支付款项所需的全部印章。（）错误 信息技术控制不属于内部控制措施。（）错误

单位领导贪污是行政事业单位面临的重要风险。（）正确

内部控制的各个要素之间是相互独立的，没有任何联系。（）错误

我国于2008年推出《适用于大中型企业的企业内部控制基本规范》。（）正确 我市国库集中支付试点阶段主要采取的方式为（）。大厅报账、实拨方式

我市国库集中支付采用了“整体规划、分步实施、以点带面、逐步完善”的改革思路。（）正确 预算外指标有结余但不能申请计划是由于（）。没有收入结余 单位卡不能提取现金、不能消费，只能与个人卡划转和单位定期公用事业费托收业务。（）正确 零余额账户有哪几种（）。财政零余额帐户和预算单位零余额帐户

预算单位在发生工资性支出和政府采购支出时，必须选择（）方式。直接支付

预算单位年终结余资金，需于次年1月（）将本部门《财政性结余资金情况表》和有关说明报送市财政局。15日前 用款计划编制原则，经常性支出按照（）原则编制，项目类支出按照项目（）编制。均衡性；实施进度 我市公务卡实施时间为（）。2008年

预算单位用授权支付方式，支付单个项目资金35万元。（）错误

预算单位每月终了后，需将预算支出明细，分别按资金性质和支付方式汇总后，与国库支付中心核对额度结余数和支用数。正确 项目支出净结余应全部用于充实预算稳定调节基金。（）错误 我市公务卡由单位卡和个人卡组成。（）正确

12月30日某预算单位结账后公务卡账上留有余额3000元。（）错误

“十二五”时期，我国推进基本公共服务均等化，主要从完善制度和增加投入两个方面做出安排，以下属于完善制度的内容是（）。进一步明确基本公共服务的范围和标准

基本公共服务均等化本质上是保证人们生存和发展最基本的条件的均等。（）正确 不符合目前我国地方债政策要求的是（）。允许地方政府自行发行债券

国债又称国家公债，是国家以其信用为基础，按照债的一般原则，通过向社会筹集资金所形成的债权债务关系。（）正确 政府预算体系不包括（）。企业预算

国有资本经营预算支出可以按照超过当年预算收入的规模来安排。（）错误

按照优化税制结构、公平税收负担、规范分配关系、完善税权配置的原则，健全税制体系，加强税收法制建设，是我国确定的“十二五”时期税收制度改革的（）。基本指导思想

“十二五”时期，在目前实行的分类课征税制基础上，逐步建立健全综合课征的个人所得税制度。（）错误 “十二五”时期，我国坚持把建设资源节约型、环境友好型社会作为加快转变经济发展方式的（）。重要着力点 下列选项中，不属于我国现行的预算会计制度的是（）。工业会计

以下不属于1994年分税制改革完成的主要任务是（）。进一步完善中央对各省（自治区、直辖市）的财政包干体制

“十二五”时期按照财力与事权相匹配的要求理顺各级政府间财政分配关系，主要是解决地方政府现实财力不足和（）问题。地方财政激励

国有资本经营预算支出可以按照超过当年预算收入的规模来安排。（）错误 债券的本质是债的证明书。（）正确

债券是政府、金融机构、工商企业等直接向社会借债筹措资金时，向投资者发行，承诺按一定利率支付利息并按约定条件偿还本金的债权债务凭证。（）正确

财政转移支付制度是平衡上下级预算主体间和同级预算主体间收支规模不对称的预算调节制度。（）正确 基本公共服务均等化本质上是保证人们生存和发展最基本的条件的均等。（）正确 法国预算基本法第27条规范的内容是（）。国家账目作用

从20世纪70年代开始，权责发生制在美国联邦政府会计中得到了大规模的应用。（）错误 可以在表内披露的政府或有负债的主要特点是（）。A和B

政府特殊资产负债只能在政府主要报表之外的附注中予以披露。（）错误 日本在政府负债披露方面的主要创新举措是（）。披露政府养老金负债 法国改革前的政府预算和会计实务与我国毫无相似之处。（）错误 德国政府会计改革中概念框架制定的特点是（）。明显的差异性

关于政府会计改革，按照国际上的划分，主要划分为两种模式：一个是借鉴式，一个是渐进式。（）正确 下列因素中，不属于政府会计改革动力模型中的制度安排要素的是（）。准则制定机构 对日本政府绩效评价影响较大的政府财务报告问题是（）。收入费用表的缺失 可以在表内披露的政府或有负债的主要特点是（）。A和B 澳大利亚地方政府最早执行权责发生制会计的机构是（）。法立机构 法国政府会计改革最直接的推动力量是（）。预算基本法

关于政府会计改革，按照国际上的划分，主要划分为两种模式：一个是借鉴式，一个是渐进式。（）正确 对现状不满，对现金预算、会计和报告制度的不满是改革的最初原因。（）正确 澳大利亚联邦政府将权责发生制应用于政府会计并拓展到政府预算。（）正确

联邦财务会计咨询委员会（FASAB）对联邦政府编制统一和可对比的财务报表有极大的贡献。（）正确 美国联邦政府1993年通过的《政府绩效法案》，进一步强化了政府会计与财务报告改革。（）正确 负责主持企业的生产经营管理工作的是（）。经理层

对于企业的重大决策、重大事项等，任何个人不得单独进行决策或者擅自改变集体决策意见。（）正确 特别授权不包括（）。处理常规的日常管理工作

企业应当对各机构的职能进行科学合理的分解，确定具体岗位的名称、职责和工作要求等，明确各个岗位的权限和相互关系。正确 可口可乐公司只经营有关饮料方面的业务，可见其实施的公司战略为（）。专业化 企业的财务战略不必与发展战略相一致。（）错误

根据波士顿矩阵分析可知，当企业所在行业具有较高的销售增长率但企业所占的市场份额较低时，应采取的战略为（）。加大投资 PEST分析法主要分析的是企业的内部环境。（）错误

下列选项中，关于梳理组织构架的说法错误的是（）。企业梳理治理结构，应当重点关注治理机构设置的合理性和运行的高效性等 负责对发展战略实施情况进行监控的机构是（）。战略委员会

下列因素中，不属于波特五力分析中新加入企业的竞争威胁的是（）。转换成本 企业发展战略因主观原因频繁变动可能导致的问题是（）。资源浪费 特别授权不包括（）。处理常规的日常管理工作

企业的战略制定与实施只是高层管理人员的工作，与低层管理人员和员工没有关系。（）错误

企业在对治理结构和内部机构进行全面梳理的基础上，还应当定期对组织架构设计和运行的效率与效果进行综合评价。（）正确 经理层可按照股东（大）会的有关决议，设立战略、审计、提名、薪酬与考核等专门委员会。（）错误 重大决策、重大事项、重要人事任免及大额资金支付业务的具体标准由监管部门统一规定。（）错误 对于企业的重大决策、重大事项等，任何个人不得单独进行决策或者擅自改变集体决策意见。（）正确 量化宽松的货币政策具体措施是（）。央行通过购买中长期债券来增加基础货币供给

美联储推出货币量化宽松的货币政策对本国的实体经济的影响程度远远超过对虚拟经济的影响程度。（）错误 美国量化宽松的货币政策并未产生应有的效果，其原因症结是（）。货币创造或信用创造并未发生

货币政策存在时滞现象，其中包括生产时滞，一般用经济指标来判断经济是否发生变化,是否扩大生产。（）错误 中国国际投资头寸表现为（）。对外净资产

德国的经济形势决定了欧债危机的蔓延程度。（）正确

日本为对抗经济泡沫而实行极度宽松的货币政策，则利用日元来套利的交易应是（）。借入低息日元，买入高收益货币 我国贸易顺差主要被下列哪一类型企业所获得（）。外资企业

美国量化宽松的货币政策并未产生应有的效果，其原因症结是（）。货币创造或信用创造并未发生 下列选项中美元供给和需求的变化会导致人民币升值压力加大的是（）。美元供给增加但需求下降 未来人民币将呈现出持续升值的趋势。（）错误

中国特殊的贸易结构决定了中国未来贸易顺差可持续性越来越强。（）错误

国际金融危机背景下美元并未贬值反而增值，是因为当时美国政府紧缩性的货币政策干预所导致的。（）错误 加工贸易与一般贸易实质上是相同的概念。（）错误 美元走势与原油价格正相关。（）错误

中国和文化中，“和”的解释不正确的是（）。和气 孔子曾经说过：“君子同而不和，小人和而不同”。（）错误 以下有关佛教中“缘起”的解释，不正确的是（）。心生则种种法生 以下有关世俗社会说法不正确的是（）。世俗社会没有真善美 佛教强调，要去除“三心”，就要做到的是（）。要有一颗善良的心 以下不属于佛教中四个无量心的是（）。乐

中国禅宗最重要的特点是（）。回归和高扬佛教人文精神 出世就是指离开这个世界，是出家人的事情。（）错误 佛教最初发源于中国。（）错误

佛教说到，要拥有一颗宽容的心，就要宽容伤害过你的人，欺骗过你的人，遗弃过你的人。（）正确 孔子曾经说过：“君子同而不和，小人和而不同”。（）错误

温度控制模块 篇6

为了提高红外探测器在实际工作中的性能和稳定性，设计了一种针对高发热红外精密传感器的自动调节探测器外围温度的装置。该装置利用 C8051F350单片机对半导体制冷片进行制冷、制热和不同功率运行的控制，保持探测器外围温度的稳定。通过PID算法编程，结合多点测量实现环境温度的均匀性和稳定性。实验结果表明，在一天的工作时间内，该装置可使探测器外围的温度控制在20 ℃，控制精度为±0.5 ℃，显著提高了探测器的性能。

关键词：

半导体制冷； MCU； PID算法； 性能

中图分类号： TP 273.5文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2016.02.012

Abstract：

In order to improve the performance and stability of the infrared detector， we design a temperature contoller to adjust the external temperature of the infrared detector intelligently. This equipment uses C8051F350 MCU to control refrigeration， heating and different power operation of semiconductor chilling plate. The uniformity and stability of environmental temperature of infrared detector is realized by PID algorithm and multipoint measurement. The experimental results show that the peripheral temperature of infrared detector was maintained at 20 ℃ with deviation of 0.5 ℃ during oneday working time， and demonstrate that this equipment could significantly improve the performance of the detector.

Keywords： semiconductor refrigerating； microcontroller unit （MCU）； PID algorithm； performance

引言

高稳定性的温度控制是红外高发热精密探测器模块的关键技术之一，提高探测器外围的温度稳定性有助于提高探测器的性能[1]。红外探测器在测量时的性能会随着外界温度变化和自身发热产生影响，温度变化会影响探测器的输出噪声、信号增益和输出信号的信噪比等。因而需要一个高精度高稳定性的恒温控制装置来提高探测器外围温度的稳定性。其设计通常包括两个方面：一是保温设计，通过增大温控箱外壁的热阻，减少内外的热交换，减少不必要的损耗；二是通过TEC制冷片进行制冷或制热，维持箱内温度的恒定。本文提出一种基于C8051F350控制芯片，结合PID控制算法的设计[2]，使探测器外围的控制目标温度为20 ℃，控制精度为±0.5 ℃。

恒温箱硬件设计框图如图1所示。整个恒温箱装置主要由恒温箱的核心控制模块、电源模块、温度采集模块、TEC制冷片及其驱动模块、LCD显示模块和通讯模块组成。

模块由LM2475M5提供DC 5 V，然后通过TPS7333QD和LM11173.3分别提供DC 3.3 V和AC 3.3 V。温度采集模块是用于实时检测温控箱内多个不同位置的环境温度。LCD是用来显示用户设定状态信息和箱内实际温度。根据实际温度和设定温度值进行比较，所得的差值通过PID算法进行处理，然后输出适当占空比的PWM波来驱动半导体制冷模块，使半导体制冷或者制热，以达到设定的工作温度环境。通过通讯模块向上位机发送当前工作状态并且接受上位机的指令。

2硬件电路设计

2.1电源模块

MCU部分电路的工作电压需要AC 5 V、AC 3.3 V和DC 3.3 V电压供电。首先通过开关电源把市电220 V/50 Hz转化为直流电24 V。通过LM2475M5提供DC 5 V给LCD显示模块供电，然后通过TPS7333QD和LM11173.3分别提供DC 3.3 V和AC 3.3 V给C8051F350数字部分和模拟部分供电。另有大功率的直流电源直接为制冷片驱动模块提供工作电压。

2.2温度采集模块

PT100作为温度传感器，具有稳定性能高、响应快、测量精确度高等诸多优点，工作范围-200～650 ℃。PT100是电阻式温度传感器，具有正电阻系数。设计中实际控温范围可以达到15～55 ℃[3]。由R16和R17两个精密电阻分压得到AIN.Ref的输入电压，AIN.Ref做为差分测量的一端，ADIN1和ADIN2做为差分测量的另一端，惠斯登电桥部分原理图如图2所示。由于电压值比较微弱，直接将信号送入A/D会影响测量精度，所以需通过MCU内部的PGA放大得到合适的电压值。在实际使用中，由于PT100并没有良好的一致性，同时随着PT100等元器件的老化，每个PT100在同一温度下测出的电阻是有区别的。为了改进温度计算方式，可以使用不同的参数来保证每个PT100具有良好一致性。根据以往对于PT100温度和电阻关系研究，在该装置正常工作的范围内，可认为温度和测量电压成一定的线性关系。温度采集是采用惠斯登电桥，因此温度和A/D采集的电压成正相关，MCU需记录两个温度下的采样电压值即可标定出 Ka和Kb的值，得出

T=Ka·Mea.AD+Kb（1）

式中：T为测试温度；Mea.AD为A/D采集的电压值。通过测量箱内两侧不同位置的温度值，可以更好控制箱内温度的均匀性和稳定性。

2.3TEC制冷片及其驱动模块

TEC制冷片选用的是4片TEC112076。驱动模块采用4片APM3020P、APM2023N和三极管构成的H桥驱动电路驱动半导体制冷片，如图3所示。

半导体制冷片又叫做热电制冷片。半导体制冷是以温差电现象为基础的制冷方式，利用半导体材料的Pettier效应[4]，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，实现制冷或加热目的。

本恒温箱选用TEC112076，可以使用在可靠性要求高，无制冷剂污染的场合。值得注意的是，制冷片正在工作时不得瞬间通反向电压，必须停止工作5 min后，再通反向电压。

在TEC驱动电路上的设计，利用MCU输出的PWM波，由MCU端口控制三极管S8050的工作情况，从而控制APM3020的开关情况。APM3020P的最大工作电压为30 V，最大电流为11 A。APM2023N的工作情况则完全直接由MCU输出的PWM波控制。APM2023N的最大工作电压为20 V，最大电流为12.8 A。TEC112076最大工作电压为15.4 V，最大工作电流为6 A。该恒温箱采用12 V稳压电压供电，最大输出电流为16.8 A。当温控恒温箱全功率工作时，流经MOS管的电流约为8 A，满足MOS管技术指标。

3软件设计和算法

3.1软件设计

基于C8051单片机的温控模块的恒温箱软件控制流程图如图4所示。

电路部分主要完成以下功能：上电以后根据EEPROM内部数据自行控温，也可以在线设定目标温度值。单片机先采集温度，通过 PID控制算法，产生合适占空比的PWM波，控制MOS管的开关工作情况，从而改变半导体制冷片的供电电压。控制板上电启动后，进行初始化，通过温度采集模块采集PT100上的电压差从而计算出当前温度值，由数码管进行显示，并通过串口通讯把数据传输到上位机。同时 MCU从EEPROM读取设定的温度值，将此刻温度值与设定的温度值进行比较，在温差超过3℃时，为了加快升温或降温的速度，使半导体制冷片进行全功率工作。在温差在3℃以内时，进行PID调节，调节PWM的占空比，对半导体制冷片进行加热或制冷控制。

3.2PID算法实现以及参数标定

PID是常用的控制器，由于外界环境的干扰，该恒温箱需要进行闭环控制，要想达到设定目标，整个过程的控制和调节就必须不断进行。

PID的数学模型表达式[5]为

U=KP（e+1Ti∫t0edτ+Tddedt）（2）

式中：KP为比例系数；Ti为积分系数；Td为微分系数；e为设定值与反馈值的差值。

在实际的MCU控制中，需要用到数字式PID。将PID控制器的传递函数中的微分项和积分项进行离散化处理，就可以实现数字式PID。

PID控制编程表达式[6]为

Δu（n）=Kp[e（n）-e（n-1）]+Kie（n）+Kd[e（n）-2e（n-1）+e（n-2）]（3）

式中：Kp为比例系数；Ki为积分系数；Kd为微分系数。

针对传统的PID经验调节，找到合适I和D参数并非易事。根据经典的ZieglerNichols法则，构建闭环控制回路。将调节器积分时间设定为无穷大，微分时间设定为零，比例度取适当值，使系统按纯比例作用运行。稳定后，适当减小比例度，在外界干扰作用下，寻取系统出现等幅震荡临界状态，此刻的Kp为临界比例度，Tc为震荡波形的临界周期，然后根据公式计算控制器参数[7]。

4实际应用以及测试数据

在安检仪设备中，红外探测器位于设备内部。仪器内部由于各种设备较为密集，温度较室外高，并且白天和夜晚温差较大。探测器性能受温度影响较大，为了得到稳定的性能，采用上述恒温控制装置对探测器进行温度控制。在实验中，通过改变温控箱内温度得到信号和噪声电压测试数据，如表1所示，N（人）为人体位于探测器前端时候的噪声电压，S（人）为人体位于探测器前端时候的输出直流有效值，S（波）为吸波墙位于探测器前端时候的输出直流有效值。实验对象为人体，人体距探测器为1 m并紧靠吸波墙，调节温控箱内温度后稳定30 min再进行测量。在实际测试中，由于探测器输出电压值变化较小，我们采用探测器级联放大电路进行测试。所需测数据为人位于吸波墙时示波器读取的直流有效值Vd、交流有效值Vn和无人时探测吸波墙的直流有效值Va，则Vs=Vd-Va，得到

SNR=10lg（Ps/Pn）=20lg（Vs/Vn）（4）

式中：Vs为探测人体时候的探测器输出的变化值；Vn为探测人体时探测器输出的噪声有效电压值。

由测试数据可见，温度对信号的增益、噪声幅度和输出信噪比均有较大影响，如图5、图6和图7所示。温度越低噪声越小，待测物的信号越强，信噪比越高。图8所示为温控箱在一天8 h内室温和箱内温度的变化曲线，温控箱内的设定控制温度为20 ℃。从图可以看出，本装置能有效控制箱内温度稳定。

5总结

本文介绍了一种基于以C8051单片机为核心，结合多点测温和多路控制达到自动控温，并可以根据两侧温度差异自行调节，从而使箱内的温度稳定。经测试可以用于保证探测器外围温度的稳定，控制误差在0.5 ℃以内。在实际的应用中，减少了输出噪声，提高了探测器的增益和输出信噪比，有利于整个恒温箱的稳定工作，具有一定的实用价值。

参考文献：

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[3]张瑜，张升伟.基于铂电阻传感器的高精度温度检测系统设计[J].传感技术学报，2010，23（3）：311314.

[4]陈振林，孙中泉.半导体制冷器的原理与应用[J].微电子技术，1999，27（5）：6365.

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[6]吴仕平，陈军，蔡洁，等.基于模糊PID的半导体激光器工作温度控制[J].光学仪器，2009，31（6）：3034.

[7]白志刚.自动调节系统解析与PID整定[M].北京：化工工业出版社，2012：50105.

温度控制模块 篇7

模块化多电平换流器(MMC)是德国学者于2002年提出的新拓扑,其模块化结构使其具有很强的可扩展性、良好的交直流输出特性和较高的可靠性。因此,MMC非常适合于轻型直流输电、电力机车拖动和新能源并网等领域。2010年,连接美国匹兹堡和旧金山的世界上首条商业化MMC型高压直流输电(MMC-HVDC)线路投运[1],而国内基于MMC的南汇风电场柔性输电示范工程也已于2011年通过验收[2]。

目前,学术界针对MMC的研究主要集中于暂态和稳态数学建模[3,4]、调制控制策略[5,6,7,8,9,10]、相间环流抑制策略[11,12],以及交直流系统故障保护[13,14]等方面,对于子模块故障的保护控制策略研究较少。MMC包含大量的子模块,部分子模块发生故障将导致换流器不能正常工作,降低了其可靠性[15]。因此,必须设计冗余子模块来应对部分子模块故障时的情况。文献[15]提出了一种冷备用的子模块冗余保护方案,但该方案在故障时需要将冷备用子模块控制投入并进行充电,需要较长的暂态过程,控制过程较为复杂。本文根据MMC冗余运行原理,提出了一种新的子模块热备用的冗余容错控制策略,并通过电磁暂态仿真验证了该策略的有效性。

1 子模块故障原因

MMC的子模块如图1所示,子模块包括半H桥绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块、直流电容和子模块控制信号。

以下列举了几种常见的子模块故障。

1)IGBT模块故障

IGBT模块由IGBT和反并联二极管等电力电子器件组成,其电压、电流过载能力较弱。过电压、过电流,或过高的电压、电流上升率都可能导致其损坏。该故障类型是子模块最常见的故障。

2)直流电容故障

直流电容的过载能力较强,故障概率较低。

3)控制信号故障

MMC主要应用于中高压领域,控制侧和主电路侧由于电位差很高,因此需要隔离。通常采用光纤传输控制信号。串联子模块数量多,控制信号传输量很大。控制信号的传输错误也是导致子模块不能正常运行的常见故障之一。

2 冗余容错方案分析

MMC的最大优点是模块化构造,能方便扩展到各种电压等级和实现冗余容错控制。冗余容错控制的主要思路是:在电路中配置一部分冗余子模块,当有一部分运行的子模块故障时,冗余子模块能保证MMC不间断运行。冗余子模块的运行方案主要有如下3种。

方案1:当子模块正常运行时,冗余子模块被旁路,不参与工作;当子模块发生故障时,冗余子模块替换故障子模块。此方案缺点是冗余子模块接入及充电需要花费较长时间,系统将经历一个较长的暂态过程,冷备用子模块需要额外的控制,同时冗余子模块在正常运行时处于闲置状态,未能被充分利用以改善系统均压性能。

方案2:当子模块正常运行时,冗余子模块参与工作;当子模块发生故障时,旁路故障子模块后,同时旁路其他桥臂上相同数量的子模块,保持系统对称运行。

方案3:当子模块正常运行时,冗余子模块参与工作;当子模块发生故障时,仅旁路故障子模块,其他桥臂不作变动,系统不对称运行。

方案2中,当1个桥臂子模块发生故障时,为保持系统的对称性,旁路其他5个桥臂的正常子模块,将造成系统的可靠性大幅下降,很不经济。方案3弥补了方案1和方案2的缺点,但会造成桥臂的不对称。经过比较分析发现,方案3更适合于MMC。本文采用方案3,提出一种基于能量平衡的冗余容错控制策略,有效消除了由桥臂不对称带来的桥臂电流不对称和直流电流波动。

3 冗余运行原理

MMC的基本电路结构如图2所示,以a相为例进行分析。子模块并网运行时,MMC交流输出电压参考值uaref由电流内环、功率外环交叉解耦控制器[5]得到。

设交流电压、电流参考值分别为:

式中:m为电压调制比,其取值范围为(0,1];Udc为系统直流电压;Im为交流电流幅值。

采用直接调制法,上下桥臂电压参考值uuaref和ularef分别为:

上下桥臂子模块总电压uΣua和uΣla分别为:

式中:Nsum为桥臂子模块总数;uduai和udlai分别为a相上下桥臂中第i个子模块电压。

设均压效果良好,各子模块的电压可认为相等,则式(5)和式(6)可表示为:

式中:udua和udla分别为a相上下桥臂任意子模块电压,冗余运行条件下,uΣua＞Udc,uΣla＞Udc。

假设开关频率无穷大,定义上下桥臂的连续开关函数Sua和Sla分别为[9]:

由于开关频率无穷大,流过电容的电流与桥臂电流满足如下关系:

式中:C为电容值;idua和idla分别为上下桥臂电容电流;iua和ila分别为上下桥臂电流。

把式(9)和式(10)代入式(11)和式(12)可得:

上下桥臂的能量Wua和Wla可表示为:

式中:Ud为正常运行子模块的额定电压;T为工频周期。

由式(15)和式(16)可以看出,桥臂的能量由平均值和波动量构成。子模块正常运行时,各桥臂平均能量相等。

4 能量平衡容错控制策略

以a相上桥臂为例,当有一部分子模块发生故障并被旁路时,子模块总数将小于Nsum,系统处于不对称运行状态。根据式(15)和式(16),a相上桥臂能量平均值将小于其他桥臂,这会造成a相上桥臂子模块电压波动幅度变大、桥臂电流畸变、三相环流不对称,最终导致直流电流波动。

为了抑制不对称运行带来的直流电流波动,可以控制故障桥臂的平均能量与其他桥臂的平均能量相等,达到能量平衡状态。

子模块正常运行时,MMC满足以下条件:

式中:N为正常运行的桥臂子模块最大投入数;Nr为子模块正常运行时的冗余子模块数;Wrated为额定桥臂能量。

当有Nf个子模块发生故障时,故障桥臂的总能量Wua为:

式中:Ufd为故障桥臂子模块额定电压。

按照各桥臂能量相等的原理(Wua=Wrated),故障桥臂子模块的额定电压可表示为:

子模块正常运行时,Nf=0,此时式(21)也适用,所以该策略同时满足子模块正常运行和子模块故障时的情况,控制系统的一致性好。冗余容错控制策略如图3所示。

5 子模块故障个数限制

考虑实际电容能承受的耐压有一定的限制且直流侧需要足够的子模块维持直流电压,子模块故障个数必须满足如下限制条件。

限制1:子模块电压小于子模块电容最大耐受电压,即

式中:Ut为子模块电容最大耐受电压。

将式(21)代入式(22),可得出子模块故障个数的取值范围为:

限制2:具有足够的子模块维持直流电压,即

将式(18)和式(21)代入式(24)可得故障子模块个数的取值范围为:

故MMC单个桥臂子模块故障个数要同时满足式(23)和式(25),即能忍受的最大故障子模块数为Nsum(1-Ud2/Ut2)与Nsum-N2/Nsum中的较小值。

6 仿真分析

为验证本文提出的子模块冗余容错控制策略的有效性,在PSCAD/EMTDC仿真软件搭建了61电平MMC模型,主电路拓扑如图2所示。MMC直流侧接恒定直流源,交流侧通过电抗器接交流电网。模型的主要参数如附录A表A1所示。

模型的交流侧通过有功、无功电流交叉解耦控制,正常运行时的有功电流设为-0.5kA(定义电流从电网流向换流器的方向为正方向),无功电流设为0。0.3s时,a相上桥臂有8个子模块发生故障;0.3~0.5s时,仅旁路故障子模块,故障容错控制不投入;0.5s以后投入故障容错控制。

直流电流、a相桥臂电流、a相桥臂环流和三相上桥臂能量的仿真波形如图4至图7所示。

由上述仿真波形可以看出:子模块发生故障并被切除,但故障容错控制不投入的情况下,直流电流发生波动,故障相上下桥臂电流出现不对称,桥臂环流波形畸变,故障桥臂能量小于其他桥臂;当故障容错控制投入后,直流电流波动被抑制,桥臂电流和环流不对称被消除,各相桥臂的能量恢复平衡。

其余仿真波形见附录A图A1至图A7。可以看出:(1)当故障容错控制不投入时,无功功率基本平稳,有功功率出现轻微的波动,控制投入后波动消除;(2)子模块故障对MMC交流输出电压影响不大;(3)对于交流电流,当故障容错控制不投入时,交流电流波形出现轻微波动,控制投入后波动消除。

从仿真结果可以看出,子模块故障对系统的直流侧影响较大,对交流侧影响较小。

7 结语

1)本文阐述了MMC子模块故障的原因,在分析比较3种常见的冗余容错方案优缺点的基础上,提出采用子模块热备用、故障时仅旁路故障子模块的方案。

2)为抑制MMC不对称运行导致的直流电流波动和桥臂电流不对称,理论上推导了MMC冗余运行的数学原理,并据此提出了一种基于能量平衡的子模块冗余容错控制策略。

3)在PSCAD/EMTDC平台搭建了61电平MMC仿真模型,仿真结果验证了冗余容错方案和冗余容错控制策略的有效性。

摘要：阐述了模块化多电平换流器(MMC)子模块故障类型,包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块故障、直流电容故障和控制信号故障。分析比较了3种子模块冗余容错方案的优缺点,选择采用对MMC影响较小的子模块热备用的冗余容错方案。该方案的缺点是MMC运行于不对称状态,导致MMC直流电流出现波动。为此,在推导MMC冗余运行状态的基本数学模型、得出桥臂能量数学表达式的基础上,提出了基于桥臂能量平衡的冗余容错控制策略来抑制直流电流的波动。在时域仿真软件PSCAD/EMTDC中搭建了61电平MMC模型,仿真结果验证了提出的冗余容错控制策略的有效性。

温度控制模块 篇8

Marvell 88W8686模块是一款支持IEEE 802.11 a/g/b MAC/Base Band/RF WLAN的片上系统, 配备一个集成的射频到基带的收发器, 支持1个通用的SPI和SDIO主机接口。

Wi Fi控制卡是用Wi Fi无线信号来传输数据的LED控制卡, 因其免布线、无需连接宽带、无流量费用等优点, 被越来越多的人群使用。

2 基本思路

本文要实现根据给定的GB2312码在LED显示屏上显示对应的字符。首先建立Wi Fi模块与Wi Fi控制卡的连接, 其次建立Wi Fi模块与Wi Fi控制卡的通信, 后者包括将GB2312码转化为点阵数据, 分析Wi Fi控制卡的通信协议与发送和接收TCP数据。

3 功能实现

3.1 建立Wi Fi模块与Wi Fi控制卡的连接

802.11协议规定Wi Fi的连接要依次经过扫描、认证和关联共3个阶段, 在扫描阶段, STA通过侦听Beacon帧或发送Probe帧在每个可用的信道上搜索AP, 当STA找到与其有相同的SSID (服务集标识) 的AP, 就会进入认证阶段, 只有身份认证通过的站点才能进行无线接入访问。AP提供以下几种认证方法:

(1) 开放系统身份认证。 (2) 共享密钥认证。 (3) WPA PSK认证。 (4) 802.1X EAP认证。

当AP向STA返回认证响应信息, 即身份认证获得通过后, 进入关联阶段, 在此阶段, STA向AP发送关联请求, AP向STA返回关联响应。此时接入过程完成, STA初始化完毕, 就可以开始向AP传送数据帧。

此部分参考了随购买的Wi Fi模块赠送的源码, 在通信时, Wi Fi控制卡是AP (SSID是ZH-W0-4774) , Wi Fi模块是STA, 并添加了以下功能:当没有搜索到SSID是ZH-W0-4774的AP, 就重新搜索。

3.2 建立Wi Fi模块与Wi Fi控制卡的通信

因为TCP (传输控制协议) 的面向连接的、可靠的优点, Wi Fi控制卡一般采用TCP协议实现可靠传输。因此Wi Fi模块要能实现应用层数据的TCP封包和解包。我们要发送什么样的应用层数据是通过如下方式获取的:在Wi Fi控制卡对应的LED软件与Wifi控制卡进行通信时, 通过网络封包分析软件Wire Shark获取通信数据。

3.2.1 将GB2312码转化为点阵数据

本文做实验使用的LED显示屏是16×32点阵的, 所以在程序中添加了一个GB2312字库的16×16点阵字模, 实际是个二维数组, 通过某公式可以由任一GB2312码确定一个32字节的点阵数据。因为Wi Fi控制卡要求的点阵数据格式与通过GB2312码获取的点阵数据格式不同, 所以还需要将点阵数据格式转换。

3.2.2 分析Wi Fi控制卡的通信协议

只要做足够多的数据监控, 将监控数据进行对比分析就可以获取到Wi Fi控制卡使用协议的所有细节, 但这样做既费时也没必要, 首先需要获取点阵数据的位置和移动方式的控制字节, 前者将GB2312码获取到的点阵数据覆盖原来的点阵数据, 后者控制显示字体的移动方式, 本文使用左移显示。其次要获取应用层所有的发送数据和接收数据, Wi Fi控制卡的发送数据是分次进行的, 每次发送数据都会收到回应数据, 在程序中将发送数据和接收数据做成模板, 根据GB2312码的不同, 对模板数据进行更新, 将其发送出去, 若接收到期望的数据就进行下次的发送。

当使用Wi Fi控制卡附带的LED软件与PC的无线网卡进行无线通信时, 图1表示用Wire Shark无线网卡监控工具通过监控上面的通信过程而获取的第1帧数据, 如图1所示, 蓝色背景部分共17字节, 表示第1帧的应用层数据, 为0x75, 0x01, 0xaa, 0x42, 0x64, 0x45, 0x3a, 0xff, 0x15, 0x04, 0x00, 0x36, 0x36, 0x36, 0x36, 0x35, 0x15。

按照同样的办法, 可以将Wi Fi控制卡与PC的无线网卡进行一次成功通信的所有数据帧监控并保存下来, 要注意的是只需要关心各数据帧的应用层数据即可, 经过足够多次地使用此办法, 将各个数据帧进行分析对比, 可以找出规律。一旦找出了规律, 在源码中, 可以将某些数据 (属于应用层) 固定下来, 若该数据属于接收帧 (Wi Fi控制卡接收到的帧) , 当Wi Fi模块与Wi Fi控制卡通信时, 将接收到的数据与上述数据对比判断属于第几帧。

3.2.3 发送和接收TCP数据

发送TCP数据使用tcp_write函数, 原型如下:

pcb代表tcp协议块, data指向要发送的数据, len是要发送数据的长度, apiflags是标识位。

需要指出, apiflags是重要的, 当为0时不拷贝数据, 也就是在data所指的缓冲区里面发送数据, 因为调用tcp_write成功后数据并不会立即发送, 所以要确保data所指的缓冲区内容保持不变, 如果调用tcp_write成功后, 再改变data缓冲区可能就会和预期发送的数据不相符, 为1时即拷贝缓冲区内容, 当执行tcp_write时, 会将data所指向的缓冲区内容先拷贝到发送的缓冲区中, 这样的话执行tcp_write之后再改变data所指的内容是不影响数据的正确发送的。

当某帧发送完毕, 如果该数据正确, Wi Fi模块会收到Wi Fi控制卡的回应数据, 所以在程序中判断回应数据是否与期望的值相同, 若相同, 发送此帧的下一帧数据, 否则循环发送此帧的数据。

实际的调试经验表明, 应该在Tcp Cli_Connected函数中执行tcp_write函数, 即应在成功建立tcp连接 (Wi Fi模块作为客户端) 后执行发送tcp数据的函数, 应该在tcp_client_recv函数中处理数据, 即当Wi Fi模块接收到Wi Fi控制卡的数据后, 会进入tcp_client_recv函数, 在该函数中处理接收的Wi Fi数据, 因为数据的发送和接收都是一帧一帧地传送的, 所以在tcp_client_recv函数中添加判断接收的数据是哪一帧的功能。

4 测试结果

运动控制模块M代码编程方法 篇9

目前,制造业中几何形状复杂、精度要求高的零件大都由数控机床加工而成,数控机床的专用数控系统的功能已发展到非常完善的境地。但是,若采用专用数控系统开发专用设备或对普通机床进行数控化改造,代价很大,功能的利用率却不高。在要求不是特别高的情况下,则可选用带有运动控制模块(以下简称MC模块)的可编程序控制器,不仅在经济上合算,而且也可达到较为完善的功能。如某公司生产的C200H-MC221、CS1W-MC221、CS1W-MC421型MC模块,它们也采用G代码编程,编程简便,不仅可以进行位置控制,而且可以实现直线插补、圆弧插补、甚至螺旋插补等控制功能,为专用设备或机床实现比较完善的功能创造了条件。本文以C200H-MC221型MC模块为例,说明运动控制程序中M代码指令的用法和PLC梯形图程序中M代码信号的转换方法。

1 MC模块简介

专用数控系统在逻辑上分为轨迹控制和顺序控制两个部分。轨迹控制部分通过插补计算、位置控制、速度控制等步骤,对机床的各坐标轴进行运动控制,使刀具走出加工轨迹。顺序控制部分负责对主轴的起停、正反转、刀具的更换、工件的夹紧松开、冷却、润滑等动作进行控制。MC模块,即用来实现轨迹控制。MC模块自带CPU,与PLC并行工作,两者通过数据接口区交换信息,MC模块从PLC接受命令,执行与PLC梯形图程序完全独立的运动控制程序,通过伺服驱动器控制伺服电机。MC模块中的G代码运动控制程序、系统参数、定位数据通过CX-MOTION软件设定。

2 M代码指令与M代码信号

在运动控制程序中,主要有准备功能G代码指令和辅助功能M代码指令。G代码指令是用来规定刀具和工件的相对运动轨迹、机床坐标系、操作模式等多种加工操作的。M代码指令是用来控制机床的辅助设备动作及开关状态的,如主轴的转与停,冷却液的开与关等。在专用数控系统中,M代码指令大多指定了一定的用途,而在运动控制模块中,很少指定用途。MC模块只是区分了两种M代码指令。一种M代码指令是M000-M499,被驱动时,输出M代码信号,用于与辅助设备的联锁,运动控制程序将暂停执行,直到M代码复位信号输入。另一种M代码指令是M500-M999,被驱动时,仅仅输出M代码信号,并不联锁,运动控制程序会继续执行,而不需要等待M代码复位信号。当M代码指令被驱动时,M代码信号(包括M代码选通信号、M代码编号),便输出到数据接口区的特定寄存器中。

数据接口区位于PLC内存中配置给特殊I/O模块的一个区域(IR100-IR199)。具体由特殊I/O模块的单元号决定。本文中MC模块的单元号为2,n=100+10x2=120,数据接口区为IR120-IR139,共20个字。根据需要,还可以在DM区或EM区扩展23个字。M代码信号对应的数据接口区寄存器号如表1所示。

图2是MC模块的运动控制程序,用CX-MO-TION软件创建后直接下载到MC模块的闪存中。图3是其时序图。当MC模块收到来自PLC的启动命令时,开始执行运动控制程序。当X轴以直线插补的方式定位到100 mm时,输出M代码选通信号(IR131.08ON)和M代码编号(IR130=044),同时,MC模块暂停执行运动控制程序,直到从PLC收到M代码复位信号(IR121.06ON)。当MC模块从PLC收到M代码复位信号时,M代码选通信号复位(IR131.08 OFF),M代码编号清零(IR130=000),又开始执行下一个程序块N002。当X轴以直线插补的方式定位到200mm时,再次输出M代码选通信号(IR131.08 ON)和M代码编号(IR130=599),由于M代码编号在500-999范围内,MC模块将继续执行运动控制程序,直到程序结束。

3 M代码信号在PLC梯形图程序中的编程方法

PLC梯形图程序中与M代码信号有关的部分如图4所示。每当PLC收到MC模块输出的M代码选通信号(IR131.08 ON)时,通过比较指令CMP (20)和译码指令MLPX (76),把IR区域中与M代码编号相对应的位置1,如IR004.04对应于M044,IR059.09对应于M599。IR004.04置1,驱动联锁的辅助设备(IR110.00),联锁的辅助设备的动作完成后,PLC输出M代码复位信号(IR121.06),并复位M代码编号及其对应位IR004.04;IR059.09置1,驱动非联锁的辅助设备(IR110.01)。非联锁的辅助设备的动作完成后,PLC只复位M代码编号对应位IR059.09。

需要指出的是,本文假设只用到M代码编号M000-M099 (对应于IR000.00-IR009.09)和M500-M599 (对应于IR050.00-IR059.09)。如实际应用需要,可用比较指令和译码指令进行扩充。

4 结束语

M代码信号在PLC和MC模块之间传递着非常重要的信息,使定位、进给运动与辅助设备协调动作,为专用设备实现比较完善的功能起到了非常重要的作用。本文所述方法已应用于某公司的冲床数控化改造中。近一年来的运行情况表明,控制系统运行稳定、定位精确,设备性能和产品质量得到了很大的提升。相信本文介绍的方法对同行会有所帮助。

摘要：介绍了C200H-MC221型运动控制模块的M代码通信技术，详细阐述了运动控制程序中M代码指令的用法和PLC梯形图程序中M代码信号的转换方法。

关键词：M代码指令,运动控制,PLC,梯形图程序,编程方法

参考文献

[1]欧姆龙公司．C200H-MC221 Motion Control Module Op eration Manual:Introduction[Z].

三相电压调整模块无源控制的研究 篇10

微处理器的工作时钟频率已经达到3.8 GHz, 出现了双核、4核处理器。随着微处理器的工作速度和运算能力的提高, 对其供电电源的电压调整模块 (VRM) 的要求也越来越苛刻。目前VRM采用较多的是12 V输入电压, 且采用多相交错并联同步整流非隔离降压式VRM。但采用该拓扑的VRM仍然存在各相电流纹波较大、均流特性不佳以及瞬态响应难以满足要求等缺点。

近来, 有研究者从切换线性系统理论及无源系统理论角度提出了DC/DC变换器建模和调节问题的新方法, 并应用在Buck、Boost等单输入、单输出直流变换器系统中, 取得了初步的成果[1]。本文的研究思路是从连续系统与开关切换逻辑系统相结合的角度建立三相Buck型VRM的切换线性仿射系统模型, 拟通过无源控制理论的方法实现系统的闭环控制, 从机理上解决整体优化控制问题, 以提高其稳态和动态响应特性, 最后给出仿真结果。

1 三相Buck VRM的系统模型建立

三相Buck VRM是一种典型的切换线性仿射系统, 其工作过程是在多个线性系统间进行周期性切换。首先建立其切换仿射系统模型, 其拓扑结构如图1所示, 主开关管的工作时序如图2所示。

假设三相Buck VRM工作在电流连续方式, 则由图2可知, 它有6个工作模态, 即该系统存在6个子系统∑1、∑2、∑3、∑4、∑5和∑6。选择状态变量x=[x1, x2, x3, x4]T, 其中x1=i1, 为电感L1电流;x2=i2, 为电感L2电流;x3=i3, 为电感L3电流;x4=uC, 为电容C电压。令L1=L2=L3=L, 各个子系统的状态空间方程为

$\begin{array}{l}{\displaystyle {\sum }_1:}\dot{\mathit{x}}=\left(\begin{array}{cccc}0& 0& 0& -1/L\\ 0& 0& 0& -1/L\\ 0& 0& 0& -1/L\\ 1/C& 1/C& 1/C& -1/RC\end{array}\right)\mathit{x}+\\ \left(\begin{array}{c}V{}_{\text{i}\text{n}}/L\\ 0\\ 0\\ 0\end{array}\right)=\mathit{A}{}_1\mathit{x}+b{}_1(1)\\ {\displaystyle {\sum }_2:}\dot{\mathit{x}}=\left(\begin{array}{cccc}0& 0& 0& -1/L\\ 0& 0& 0& -1/L\\ 0& 0& 0& -1/L\\ 1/C& 1/C& 1/C& -1/RC\end{array}\right)\mathit{x}+\left(\begin{array}{c}0\\ 0\\ 0\\ 0\end{array}\right)=\\ \mathit{A}{}_2\mathit{x}+b{}_2(2)\\ {\displaystyle {\sum }_3:}\dot{\mathit{x}}=\left(\begin{array}{cccc}0& 0& 0& -1/L\\ 0& 0& 0& -1/L\\ 0& 0& 0& -1/L\\ 1/C& 1/C& 1/C& -1/RC\end{array}\right)\mathit{x}+\\ \left(\begin{array}{c}0\\ V{}_{\text{i}\text{n}}/L\\ 0\\ 0\end{array}\right)=\mathit{A}{}_3\mathit{x}+b{}_3(3)\\ {\displaystyle {\sum }_5:}\dot{\mathit{x}}=\left(\begin{array}{cccc}0& 0& 0& -1/L\\ 0& 0& 0& -1/L\\ 0& 0& 0& -1/L\\ 1/C& 1/C& 1/C& -1/RC\end{array}\right)\mathit{x}+\\ \left(\begin{array}{c}0\\ 0\\ V{}_{\text{i}\text{n}}/L\\ 0\end{array}\right)=\mathit{A}{}_5\mathit{x}+b{}_5(4)\\ {\displaystyle {\sum }_4:}\dot{\mathit{x}}=\mathit{A}{}_4\mathit{x}+b{}_4(5)\\ {\displaystyle {\sum }_6:}\dot{\mathit{x}}=\mathit{A}{}_6\mathit{x}+b{}_6(6)\end{array}$

式中:A6=A4=A2为矩阵;b6=b4=b2为列向量。

按照凸组合的定义写出子系统的整体模型状态平均方程:

$\begin{array}{l}{\displaystyle {\sum }_{\text{e}\text{q}}:}\dot{\mathit{x}}=\left(\begin{array}{cccc}0& 0& 0& -1/L\\ 0& 0& 0& -1/L\\ 0& 0& 0& -1/L\\ 1/C& 1/C& 1/C& -1/RC\end{array}\right)\mathit{x}+\\ \left(\begin{array}{c}\lambda {}_{1}V{}_{\text{i}\text{n}}/L\\ \lambda {}_{3}V{}_{\text{i}\text{n}}/L\\ \lambda {}_{5}V{}_{\text{i}\text{n}}/L\\ 0\end{array}\right)=\mathit{C}\mathit{x}+d(7)\end{array}$

式中:λ1、λ3、λ5分别对应于主开关管S1H、S2H和S3H的占空比。

2 无源控制方法

假定三相Buck VRM的输出状态为xd=[IL10, IL20, IL30, VO]T, 那么对于三相Buck VRM的稳定工作点就是xd, 为了便于分析, 对式 (7) 进行坐标变换:

定义误差矢量:

$\mathit{x}{}_{\text{e}}=\mathit{x}-\mathit{x}{}_{\text{d}}(8)$

由此得到系统误差状态方程:

$\dot{\mathit{x}}{}_{\text{e}}-\mathit{C}\mathit{x}{}_{\text{e}}=d+\mathit{C}\mathit{x}{}_{\text{d}}(9)$

如参考文献[5], 引入阻尼项:

$\begin{array}{l}\mathit{E}=\mathcal{R}+\mathit{C}‚\\ \mathcal{R}=\left(\begin{array}{cccc}-2R{}_1/L& 0& 0& 0\\ 0& -2R{}_1/L& 0& 0\\ 0& 0& -2R{}_1/L& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right)‚R{}_1>0(10)\end{array}$

于是有

$\dot{\mathit{x}}{}_{\text{e}}-\mathit{E}\mathit{x}{}_{\text{e}}=d+\mathit{C}\mathit{x}{}_{\text{d}}-\mathcal{R}\mathit{x}{}_{\text{e}}(11)$

假定式 (11) 右侧恒等于0, 则有

$\dot{\mathit{x}}{}_{\text{e}}-\mathit{E}\mathit{x}{}_{\text{e}}=0(12)$

引入Lyapunov能量函数, 使其具有如下形式:

$\begin{array}{l}V(\mathit{x}{}_{\text{e}})=\frac{1}{2}\mathit{x}{}_{\text{e}}^{\text{Τ}}\mathit{{\rm P}}\mathit{x}{}_{\text{e}}\\ =\frac{1}{2}L\mathit{x}{}_{\text{e}1}^2+\frac{1}{2}L\mathit{x}{}_{\text{e}2}^2+\frac{1}{2}L\mathit{x}{}_{\text{e}3}^2+\frac{1}{2}L\mathit{x}{}_{\text{e}4}^2>0‚\\ \forall \mathit{x}{}_e\ne 0,\mathit{{\rm P}}=\mathit{{\rm P}}{}^{\text{Τ}}=\left(\begin{array}{cccc}L& 0& 0& 0\\ 0& L& 0& 0\\ 0& 0& L& 0\\ 0& 0& 0& C\end{array}\right)>0(13)\end{array}$

则有

$\begin{array}{l}\dot{V}(\mathit{x}{}_{\text{e}})=-\frac{1}{2}\mathit{x}{}_{\text{e}}^{\text{Τ}}\mathit{Q}\mathit{x}{}_{\text{e}}<0,\forall \mathit{x}{}_{\text{e}}\ne 0,\\ \mathit{Q}=\left(\begin{array}{cccc}2R{}_1& 0& 0& 0\\ 0& 2R{}_1& 0& 0\\ 0& 0& 2R{}_1& 0\\ 0& 0& 0& 2/R\end{array}\right)(14)\end{array}$

可见, 式 (12) 定义的系统是一个对原点渐进稳定的系统, 其状态零点是全局渐近稳定点。也就是说, 只要满足条件使式 (11) 右侧恒为零, 误差“零”点就是系统的固有稳定点, 这样有

$d+\mathit{C}\mathit{x}{}_{\text{d}}-\mathcal{R}\mathit{x}{}_{\text{e}}=0(15)$

于是可解出

$\begin{array}{l}\lambda {}_1=\frac{V{}_{\text{o}}-2R{}_1\mathit{x}{}_{\text{e}1}}{V{}_{\text{i}\text{n}}}=\frac{V{}_{\text{o}}-2R{}_1(x{}_1-{\rm I}{}_1)}{V{}_{\text{i}\text{n}}}(16)\\ \lambda {}_3=\frac{V{}_{\text{o}}-2R{}_1\mathit{x}{}_{\text{e}2}}{V{}_{\text{i}\text{n}}}=\frac{V{}_{\text{o}}-2R{}_1(x{}_2-{\rm I}{}_2)}{V{}_{\text{i}\text{n}}}(17)\\ \lambda {}_5=\frac{V{}_{\text{o}}-2R{}_1\mathit{x}{}_{\text{e}3}}{V{}_{\text{i}\text{n}}}=\frac{V{}_{\text{o}}-2R{}_1(x{}_3-{\rm I}{}_3)}{V{}_{\text{i}\text{n}}}(18)\end{array}$

系统的Lyapunov函数则为$V(\mathit{x}{}_{\text{e}})=-\frac{1}{2}\mathit{x}{}_{\text{e}}^{\text{Τ}}\mathit{{\rm P}}\mathit{x}{}_{\text{e}}$, 在此选择电感和电容的储能函数作为Lyapunov函数, 不需对电路参数进行估计, 也能实现精确控制, 因为它唯一依赖的参数是系统稳定的平衡点, 确定三相VRM各子系统运行区域所需的反馈控制量可直接在三相VRM电路上测量;并且该控制策略下的基本三相VRM是无源的, 当将基本三相VRM电路嵌入到其它更复杂的控制系统中时, 可保证系统的全局稳定性, 尤其是若电路只与无源元件连接时, 这个系统总是稳定的。

3 三相VRM的仿真实验

采用无源控制策略的三相VRM在稳态工作时, 三相电流i1、i2和i3能保持良好的均流效果, 减小了输出电压和电流纹波, 保持了传统PID调节器控制的良好稳态特性。为了说明无源控制理论在三相VRM中的瞬态特性, 在Matlab中的Simulink模块中建立三相VRM电路模型, 用S-Function模块编程实现无源控制算法, 实现无源控制器模拟, 从而实现无源控制三相VRM的模拟仿真。最后将其仿真结果和常规PID调节器控制的三相VRM进行了比较研究, 特别在动态品质方面进行了详细的分析。

3.1 阶跃响应特性

由于阶跃响应是系统动态性能中最为严峻的工作状态, 图3首先比较了三相VRM系统分别在无源控制和PID控制下的阶跃响应特性, 其中I1W、I2W、I3W和VOW表示无源控制下的各项电流和电压变化曲线, I1P、I2P、I3P和VOP表示PID控制下的各项电流和电压变化曲线。从图3可以看出, 基于无源控制的三相电流波形在阶跃响应下几乎完全一致, 比PID调节器控制系统具有更好的动态均流特性;同时, 在无源控制策略下, 输出电压和电流还具有动态响应快、超调量小的特点, 它们在一个振荡周期后进入稳态, 这充分体现了无源控制对三相VRM系统动态品质的改善。

3.2 负载扰动特性

当三相VRM系统进入稳态工作后, 设定在系统运行至1 ms时刻, 负载从轻载 (Rload=0.05 Ω) 跳变至满载 (Rload=0.025 Ω) 。图4分别显示了2种控制策略下由满载到轻载的瞬态响应局部放大效果, 其中VoutP和VoutW分别表示PID控制和无源控制下的电压变化曲线。从图4可看出, 采用PID调节器控制策略的瞬态输出电压跌落差值显然大于采用无源控制策略的情况, 说明采用无源控制方法可以确保较小的输出超调量和电压瞬态跌落, 优化系统动态品质。

4 结语

三相VRM无源控制方法基于能量的控制策略, 其理论基础实际上就是Lyapunov方法, 因此三相VRM系统是大范围稳定的, 即便在苛刻的负载条件下都能满足系统渐近稳定的控制目标。此外, 从式 (16) ～式 (18) 可看出, 本文给出的无源控制方法只需检测2个电感电流, 不需要检测输出负载电压, 节约了检测电路, 优于传统方法;而与其它非线性方案比较, 又具有算法简单、易于实现、不受控制回路器件参数误差的影响且易于推广到多相VRM等特点。

上述仿真结果分析表明, 采用无源控制方法可以减少系统超调、缩短响应时间、改善系统的动态品质, 是一种较为理想的控制方案, 为VRM的设计提供了一种新的思路。

摘要：针对多相交错并联型电压调整模块 (VRM) 稳态时各相电流纹波大、动态响应难以满足最新VRM标准要求的问题, 以三相Buck型VRM为例, 从切换线性系统理论角度建立其系统模型, 推导出其无源控制策略, 既保证了系统的大范围稳定, 又提高了系统的动态品质。仿真结果表明, 应用无源控制方法的三相VRM闭环系统在稳态工作点上三相电流能保持良好的均流效果, 有效地减小了各相的电流纹波, 并且能明显改善负载变化时的动态品质。

关键词：电压调整模块,VRM,切换系统,无源控制,均流

参考文献

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温度控制模块 篇11

关键词：安卓 电动汽车 充电桩 AM335X

中图分类号：U469文献标识码：A文章编号：1674-098X（2014）11（c）-0045-01

近年来随着国家政策和补贴的大力支持，电动汽车产业蓬勃发展，电动汽车充电桩在电动汽车发展中起着至关重要的做用，是电动汽车发展必不可少的基础设施。2014年国家电网将电动汽车充电桩纳入国家电网统一招标计划，目前第一批招标工作已经顺利结束。

在此背景下，该文提出一种新型的基于Android的电动汽车充电桩核心控制模块，软件基于Android4.2版本操作系统开发，硬件则采用TI公司生产的Cortex-A8工业级ARM处理器作为核心控制芯片，与现有充电桩相比，不但处理速度更快，而且可以完美支持电容触摸屏及多种外设，功能和可扩展性更强。不但具有很大的实用价值，而且提出了一个新的设计思路，具有很强的参考价值。

1 硬件结构

充电桩整体硬件由AM335X核心控制模块、LCD触摸显示屏、继电器控制模块、电能表、充放电控制模块、网络接口、IC卡读写模块、ESAM认证模块、打印机等部分组成。

该文设计的交流充电桩控制模块采用基于Cortex-A8架构的ARM处理器AM335X，该处理器主频720M，具有2个CAN总线接口、6路UART串口、2个USB2.0高速OTG端口、3个I2C端口、2个SPI端口、2个10/100/1000M以太网交换机接口、SGX530 3D图形引擎，并且具有多达128个GPIO，完全满足交流充电桩的设计需求。

2 Android系统

核心控制模块基于Android4.2系统开发，Android是一种基于Linux的开放源代码的操作系统，由Google公司和开放手机联盟领导及开发。Android分为应用程序层、应用程序框架层、系统运行库层和Linux内核层。

在本设计中，Android系统使用Google公司开发的Android4.2版本，并不需要大量修改Android系统的代码，只需要修改Linux核心层代码，增加部分驱动程序即可使用，增加的驱动程序包括：液晶屏显示驱动程序、电容触摸屏驱动程序、电能表485通信底动程序、ESAM通信驱动程序、IC卡通信驱动程序、实时时钟驱动程序。

除了Android系统本身，在系统启动之前还需要引导系统，本文使用uboot作为启动引导系统。uboot是用一段单片机代码用来作为引导程序，这个引导程序在系统启动时是最先执行的，它的主要任务是初始化硬件设备，将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，再将内核从一种存储介质读入到内存中，然后跳到内核的入口点去运行，即操作系统。

3 应用层软件

Android应用包括四大组件：活动（Activity），服务（Service），内容提供者（Content provider），广播接收者（Broadcast receiver）。

该文描述的电动汽车控制模块中，活动（Activity）就是电动汽车充电应用程序，启动后始终处于前台运行状态，用户可通过应用程序的UI主界面选择执行的操作，包括先择功能、刷卡、开始充电、结束充电、查询余额等操作。

Android系统中，服务（Service）能在后台运行，不需要用户界面，用来执行需要长时间处理的组件，能够在后台持久的运行，其它组件可与Service绑定，甚至能进行跨进程的通讯。本文中服务包括充电桩与主站远程通信、与电能表通信、充电状态监控、充电费用管理、ESAM通信、数据管理、系统管理等操作。

活动（Activity）与服务（Service）之间的通信通过Activity与后台服务绑定，通过中间对象Binder的实例操作后台服务实现，活动与服务绑定后，就可以获取进度信息和服务的状态。

Android平台内置了一套SQLite数据存储机制，并包含了一系列管理SQLiteDatabase的相关方法，如创建、打开数据库以及执行SQL命令等，应用程序可直接使用这些方法来构建私有存储系统，在创建ContentProvider时也可以借用这些方法。该文介绍的充电桩就选用了Android内置的SQLite数据库。

4 结语

该文介绍了基于Android的充电桩嵌入式核心控制模块的硬件和软件设计。虽然现有充电桩已经具有比较完善的解决方案，但基于Android系统的充电桩设计仍处于刚刚起步阶段，尚未经过长期运行实验，其稳定性和安全性仍有待于进一步验证。但可扩展性强、应用丰富、操作简单、界面友好等是本设计的一大优势。

参考文献

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[3]陈宋宋，王丽丽，项彬，等.ESAM在电动汽车充电桩中的应用[J].电力系统通信，2012（4）：42-46.

温度控制模块 篇12

模块化多电平换流器(MMC)自2003年由Marquart和Lesinicar提出以后就备受关注[1,2,3,4,5,6,7]。目前世界上在建的柔性直流输电工程多数采用了MMC或者其类似结构[8]。MMC具备电压源换流器特性,能够实现四象限运行[9]。同时,由于其桥臂由多个功率模块单元级联组成,利于子模块设计与系统扩展,具有无需大量绝缘栅双极型晶体管(IGBT)串联,器件承受电压变化率低并且换流器输出波形谐波含量较低等优势[10],因此成为了高压直流(HVDC)输电领域的研究热点和发展趋势。

对于MMC控制系统的设计,子模块悬浮电容的电压均衡问题是需要考虑的主要问题之一,目前也得到了广泛的研究。现有电压均衡控制策略可以分为三类:第一类为基于电容电压排序的均衡算法,该类策略因其原理清晰、实现简单,为大多数文献所采用。该类策略研究主要目的为减小开关动作的频率及损耗[11,12,13,14];第二类是通过为子模块增加独立的控制系统以实现电容电压稳定控制[15];第三类是通过控制触发方波脉冲的生成形式,实现直流电容存储能量的均衡[16]。基于电容电压排序的电压均衡控制算法需要对采集到的电容电压进行实测和排序。而在实际工程中,子模块数量达到成百上千个,传统均压方法通常采用子模块电容电压排序选通的方法,该类算法的排序运算占用了大量计算资源,难以满足控制系统的要求。文献[11]引入保持因子,使电容电压未越限的子模块具有保持原来开关状态的能力,降低了开关器件的动作频率;文献[12]通过引入子模块间的最大电压偏差量,一定程度上解决了排序算法导致的IGBT开关操作过于频繁的问题;文献[13]同样提出双保持因子来降低开关器件频率;文献[14]设计了一种基于平均值比较电压均衡控制策略,降低了排序环节占用的计算资源及开关频率。但对于文献[11,12,13,14]提出的优化平衡控制策略,均属于非定量控制开关频率的控制方式,无法准确控制频率大小,而MMC中子模块开关频率大小一直是MMC设计及其正常运行的重要参数,开关频率的波动可能会造成子模块电容电压波动幅度较大,从而影响系统的稳定运行以及换流器的运行效率。

因此,本文提出一种MMC子模块平均开关频率(下文称为子模块开关频率)精确控制方法,在降低器件开关动作频率、降低损耗的同时能够精确控制开关频率,该策略基于比例—积分(PI)控制器的精确控制子模块开关频率原理,能够精确地控制开关频率并实现电压的均衡控制。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建了双端101电平的模块化多电平换流器型高压直流(MMC-HVDC)模型,对所提出的控制策略进行了较为全面的仿真验证。

1 MMC拓扑与基本运行原理

图1为三相MMC等效电路示意图,换流器由三相六桥臂组成[17,18,19],其中每相由上下两个桥臂构成,每个桥臂由N个子模块和1个桥臂等效电感L组成。如图1所示,半桥子模块由2个IGBT(T1和T2)、2个反并联二极管(D1和D2)和1个直流电容C组成,其中半桥子模块的2个IGBT正常运行状态下的开关状态互补,通过控制IGBT的投切状态来控制子模块电容的投入或者切除状态。换流器的交流侧可通过变压器与交流系统连接。图中交流侧线电流为isj(j=a,b,c,下同);vj_up和vj_down分别为各相上、下桥臂的桥臂电压;iupj和idownj分别为流经各相上、下桥臂的桥臂电流;Udc和idc分别为直流侧电压和电流;O为直流侧虚拟零电位点。

图1中任意时刻上下桥臂投入的子模块数量之和保持为n,这样可以产生一个恒定的直流电压Udc,所以上、下桥臂电压va_up和va_down可表示为:

式中:m为电压调制比。

对于MMC调制方式,本文采用适用于模块数较多情况下的最近电平逼近调制(NLM)[20,21],其控制流程图见附录A。

2 子模块电容电压平衡控制策略

2.1 传统的电容电压控制方法

MMC的直流电压控制和三个相单元的并联结构可以维持直流电压平衡,随着相单元上、下桥臂子模块投切状态的切换,其上、下桥臂子模块电容电压之间也能够实现平衡。

传统均压法是通过对桥臂子模块电容电压进行排序,并根据桥臂电流的方向进行导通和旁路。由文献[11]可知,当子模块放电时,选择电容电压较高的子模块放电,使得被选中的相应子模块电容电压降低;反之,当子模块充电时,选择电容电压较低的子模块充电,使得被选中的相应子模块电容电压升高。根据子模块的运行状态选择合适的子模块,就可对电容电压进行调整,最终实现电容电压的均衡。

由此可见,由于采用传统的排序方法,在每个周期内均会对所有子模块电容电压进行重新采集电压信息并全排序,因此会造成子模块开关频率过高导致IGBT损耗较大,增加换流器损耗,降低功率器件的使用寿命。

2.2 电容电压的优化平衡控制策略

在传统均压法中,并未考虑降低器件开关频率的要求,因此子模块的投切仅根据电容电压排序结果,并未考虑子模块的上一时刻投切状态。

而对于电容电压优化平衡控制策略[11,13],在电容电压额定值附近设定一组电压上、下限值,对于电压越限的子模块,则不做任何处理,直接进入排序模块,而对于电压未越限的子模块则希望保持原投切状态。所以针对电压值未越限的桥臂子模块,结合桥臂电流的充放电情况对其电容电压进行处理,然后再做排序,这种处理的目的是在一定程度上增加电压值未越限的子模块在触发控制下一次动作时保持原来投切状态的概率,以降低器件的开关频率。具体处理方法为通过引入双保持因子HF1和HF2对传统均压方法进行优化,其中HF1>1,两个保持因子的关系是:

1)若桥臂电流为充电方向,触发控制下一次动作时投入电容电压较低的子模块。将处于投入状态且电容电压大于电压上限的子模块不做处理,直接输入至排序模块;将处于投入状态且电容电压小于电压上限的子模块的电容电压乘以HF2后再做排序,这样,通过人为降低排序模块中储存的电容电压值,增大了这些子模块在触发控制下一次动作时保持投入状态的可能性。

2)若桥臂电流为放电方向,触发控制下一次动作时投入电容电压较高的子模块。把处于投入状态且电容电压小于电压下限的子模块不做处理直接输入至排序模块;将处于投入状态且电容电压大于电压下限的子模块的电容电压乘以HF1后再做排序,这样,通过人为增大排序模块中储存的电压电容值,增大了这些子模块在触发控制下一次动作时保持投入状态的可能性。

以上部分即为电容电压优化平衡控制策略,通过双保持因子的引入,使得无论在充电还是放电时,子模块都有更大的概率保持原先的投切状态,以避免子模块的频繁投切,从而降低子模块的开关频率。具体流程图如图2所示。根据原理易知,在传统电容电压控制方法中HF1=HF2=1。

3 MMC子模块开关频率精确控制方法

子模块开关频率是换流器正常运行的一项重要指标,过高的开关频率会增加换流器的损耗,降低功率器件的使用寿命。准确地在线测量子模块开关频率是实现频率控制的基础,本文设计了一种基于PI控制器的测量子模块开关频率控制模块,如图3中频率测量模块(绿色虚线框)所示。首先,根据任一相桥臂输入的N维桥臂子模块触发信号Ti(K+1)和上一时刻触发信号Ti(K),统计触发脉冲0和1变化的次数;其次,除以桥臂子模块数目的两倍(变化两次为开关一次),计算得到此时刻的子模块开关频率;最后,通过滑窗(蓝色虚线)的不断移动统计出固定滑窗时间内的平均开关频率,本文中固定滑窗数目取20 000个。

在每一采样时刻计算得到新的子模块开关频率值fK+1以后,则滑窗会移动一位,同时计算并输出固定滑窗时间内的子模块开关频率fins,满足:

由2.2节结论可知,通过在排序模块中添加保持因子,可在一定程度上降低开关频率,而且易知随着保持因子的增加,开关频率会进一步降低,因此子模块开关频率与保持因子的大小存在一定的反比例关系。因此,可以提出一种基于PI控制器的子模块平均开关频率控制方法,利用保持因子的闭环反馈控制,可实现对系统频率的快速主动定量控制,有效降低系统运行损耗。

图3中为本文所提出的子模块开关频率控制方法的原理框图,基于PI控制器(红色虚线框)的频率控制环节与排序模块、频率测量模块组成了一个闭环控制系统。当实测子模块开关频率fins与频率参考值fref不同时,两者偏差值输入PI环节以后经过限幅环节输出保持因子HF1,进而通过调整排序均压模块使得fins快速趋近于目标值fref,实现系统频率的精确定量控制,保证系统的稳定运行。

4 仿真分析

为了验证本文提出的子模块开关频率精确控制方法的有效性,在PSCAD/EMTDC中搭建了101电平双端MMC-HVDC系统,系统详细参数如下:交流系统的交流电压UBus(L-L_RMS)=230kV,有功功率P=1 000 MW;变压器的额定容量STN=1 060 MVA,类型为YN/d型,变比为220kV/341.3kV,漏抗LT=0.15(标幺值);MMC的单桥臂子模块数n=100,桥臂电抗L0=85mH,子模块电容CDM=5mF,子模块电压USM=6.4kV;直流系统的直流电压Udc=±320kV。仿真步长为30μs。

1)稳态仿真

对PSCAD/EMTDC中所搭建的101电平双端MMC-HVDC系统进行稳态情况下的仿真,开关频率参考值设定为120Hz,仿真结果如图4所示。

由于本文研究的重点为子模块开关频率的定量控制策略,因此忽略了系统的启动过程。直流电压波形如图4(a)所示,其相较于额定值的波动幅度百分比小于5%,满足系统稳定运行的条件。如图4(b)各子模块电容电压仿真波形所示,子模块电容电压波动的幅值较小,满足纹波波动阈值的要求。图4(c)为换流器传输的有功功率和无功功率的仿真结果,可以看出系统能够保证稳定的功率传输。图4(d)为子模块开关频率fins的仿真结果,由图可知在PI控制器的作用下,子模块开关频率稳定在目标值120Hz,波动幅度很小,保证了功率器件的安全稳定运行。图4(e)为稳态情况下得到HF1的实际仿真结果,可以看出,在系统运行时,PI控制器可以很好地实现其动态调节的功能。

2)潮流翻转仿真

与稳态运行情况相同,在5s时令定有功功率侧的有功功率指令由1 000 MW跳变为-1 000 MW(即有功功率由定有功功率侧向定直流电压侧传输),仿真结果如图5所示。

如图5(a)所示,直流电压在5s时发生较大波动,在5.25s时又恢复至正常运行状态,同时直流电压波动幅度也满足系统正常运行的条件。如图5(b)所示,各子模块电容电压在5s前后均能保持稳定运行。图5(c)为系统传输的有功功率和无功功率仿真结果,由图可知,有功功率能够较好地跟随参考值变化,无功功率在潮流翻转时刻有较小的波动,其后能够保持为初始额定值。由图5(d)可知,子模块开关频率fins在潮流翻转前后波动很小,能很好地跟随参考值。

3)控制器动态响应

同时,为了测试本文所提出控制器的适用性,对子模块开关频率参考值进行阶跃变化,在8s时和11s时分别阶跃至100 Hz和80 Hz,仿真结果如图6所示。

如图6(a)至图6(c)所示,在频率阶跃变化过程中直流电压、子模块电容电压、有功功率和无功功率都可以保持稳定运行,说明该控制器可以在不影响系统稳定运行的前提下对子模块开关频率进行有效控制。子模块开关频率如图6(d)所示,在参考值阶跃变化时,可以很好地跟随参考值的变化,所以由仿真结果可知,PI控制器具有很强的适用性。

4)固定HF1与动态HF1的对比验证

本文的工作重心是提出一种子模块开关频率精确控制方法,即通过设计PI控制环节,对MMC子模块开关频率进行定量控制,同时保证其余指标在合理的范围内,降低了采用非脉宽调制(PWM)类均压控制算法时功率器件动作频率的随机性,便于降频和降损运行以及模块冷却系统设计。因此,为了控制子模块开关频率,作为均压环节的重要指标,HF1需要动态调节,比如文中固定频率fref为120Hz时,HF1为一动态调节的变量(如图4(e)所示)。同时,为了考虑固定HF1对开关频率的影响,下文将展示其相应仿真结果,并与动态调节HF1的仿真结果进行对比,重点对比子模块开关频率以及电压、电流谐波含量等。其中对于固定保持因子,经过反复实验,最终取得HF1=1.038 5时,其所对应的开关频率最接近120 Hz,所以取HF1=1.038 5,仿真波形图如图7所示。

由图7(a)和(b)可知,固定HF1与动态调节HF1相比,换流器电压、电流的总谐波畸变率(THD)更小一些,但都在可以接受的范围之内,这是由两种完全不同的控制目标引起的。由图7(c)可知,两种方法对于fins的控制并无明显差别,而动态调节HF1时,可以在MMC运行范围内对子模块开关频率达到快速精确控制。由图7(d)可知,固定HF1与动态调节HF1相比较,子模块电容电压波动略小,但均在可接受的范围内。

通过以上仿真结果可知,通过采用子模块开关频率主动定量的精确控制方法,无论是稳态期间还是暂态期间,子模块开关频率都能够保持稳定,说明所提出的开关频率的定量控制方法具备较好的适用性。

5 结语

本文提出了一种基于PI控制器的MMC子模块开关频率精确控制方法,可以精确定量控制子模块开关频率。分析了在排序模块中添加双保持因子的原理和效果,为PI控制器的设计提供了一定的依据。同时,本文设计了测量子模块开关频率的模块,最后搭建了基于PI控制器的子模块开关频率的闭环控制器,通过设定子模块开关频率为120Hz参考值的仿真可以发现,在稳态、潮流翻转等情况下,子模块的实际开关频率都可以控制在120 Hz,并且其余控制量都可以保证稳定运行;接下来对频率参考值进行了阶跃变化,频率仍然能够跟随参考值的变化,证明了PI控制器的适用性。以上仿真结果都表明了本文设计的控制策略的准确性和有效性。