王香梅 ，薛英龍

（1.西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710032；2.北京四方繼保工程技術(shù)有限公司湖州分公司，浙江 湖州 313000）

中冷控制器的研究涵蓋汽車、發(fā)動(dòng)機(jī)、電子電氣以及控制理論等多種科學(xué)技術(shù)，具有一定的開發(fā)難度。發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中，電氣供給、空氣控制、水循環(huán)、燃油供給等則由獨(dú)立于中央測(cè)控系統(tǒng)的環(huán)境控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)[1]。以工業(yè)級(jí)PLC 為中心，借助環(huán)境控制系統(tǒng)與Profibus-DP工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線，中央測(cè)控系統(tǒng)的控制可以延伸至發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室中的各個(gè)角落。這樣不僅可以將分散在實(shí)驗(yàn)室各處的設(shè)備聯(lián)系在一起，而且簡(jiǎn)化了系統(tǒng)布線，節(jié)約了成本[2]。因此，基于Profibus-DP的中冷控制器的設(shè)計(jì)研究具有重要的意義。

1 中冷控制器模塊方案設(shè)計(jì)

1.1 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案

選用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的速度工作模式，使用數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（ADC）將微控制單元（MCU）的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成為模擬量，再經(jīng)放大電路轉(zhuǎn)換成±10 V 模擬量輸出[3]。

1.2 編碼器解碼方案

利用復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD），同時(shí)使用硬件編程語(yǔ)言編寫具有16位或32位長(zhǎng)度的解碼器，通過(guò)串行外設(shè)接口（SPI）或并口與MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[4]。

1.3 溫度采樣方案

PT100 鉑電阻溫度傳感器具有線性好、抗振性能好、測(cè)量精度高、性能可靠穩(wěn)定、機(jī)械強(qiáng)度高、耐壓性能好、價(jià)格適中等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于中低溫測(cè)量場(chǎng)合。采用精密電阻與放大器組成檢測(cè)電橋，將鉑電阻隨溫度變化的阻值轉(zhuǎn)換成為電壓，并使用模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）完成溫度采樣任務(wù)。

1.4 現(xiàn)場(chǎng)總線與串行通信方案

采用Profibus-DP 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線，實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化的嵌入式開發(fā)，設(shè)計(jì)RS232C 與RS485 總線規(guī)范的電平信號(hào)[5]。

2 中冷控制器模塊設(shè)計(jì)

中冷控制器硬件方案示意圖如圖1 所示，中冷控制器硬件電路采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，根據(jù)硬件方案示意圖所規(guī)劃的基本功能，將硬件電路分為輸入接口電路、輸出接口電路、電源電路、控制核心電路以及串行通信電路五大部分。中冷控制器硬件模塊列表如表1所示。

表1 中冷控制器硬件模塊列表

圖1 中冷控制器硬件方案示意圖

中冷控制器硬件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)基于伺服驅(qū)動(dòng)的溫度控制器，本文將重點(diǎn)介紹溫度測(cè)量接口以及伺服驅(qū)動(dòng)接口設(shè)計(jì)，并概述現(xiàn)場(chǎng)總線接口的設(shè)計(jì)方法。

3 中冷控制器接口設(shè)計(jì)及算法

3.1 電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)接口設(shè)計(jì)及算法

伺服驅(qū)動(dòng)器速度控制模式擁有-10 V~+10 V雙極性電壓的用戶接口，線性對(duì)應(yīng)伺服電機(jī)反向最高轉(zhuǎn)速至正向最高轉(zhuǎn)速。但是，通用型ADC 常常僅有單極性電壓輸出。因而，在使用運(yùn)算放大器將ADC 電壓信號(hào)放大的同時(shí)，還需要設(shè)計(jì)偏置電路將ADC 電壓信號(hào)變換成雙極性電壓輸出。

如圖2（a）所示，根據(jù)運(yùn)算放大器同相相加以及負(fù)反饋工作原理，當(dāng)其工作于線性區(qū)時(shí)，輸出電壓uo與輸入電壓ui以及偏置電壓ubias之間滿足下式：

圖2 雙極性伺服驅(qū)動(dòng)電路

當(dāng)ui在0~+5 V 之間變化、ubias=-5 V 時(shí)，Rf=Rbias=20 kΩ、Ri=10 kΩ、R1=4.7 kΩ、R2=5.1 kΩ，則輸出電壓uo在-9.607 8 V~+9.607 8 V 之間隨輸入電壓ui呈反比例。

如圖2（b）所示，偏置電壓可以由雙極性電源的負(fù)極性端-12 V 經(jīng)電阻分壓、運(yùn)算放大器隔離并輸出。調(diào)節(jié)R2電阻阻值，可以調(diào)節(jié)ubias的輸出至-5 V。

如圖2（c）所示，偏置電壓還可以由控制器電路板上的模擬5 V（即+5 VA）進(jìn)行反向等比例放大。+5 VA 同時(shí)也是DAC 輸出的參考電壓，可以消除偏置電壓ubias與輸入電壓ui共同的系統(tǒng)偏差。此時(shí)，R=Rf，Rp=R/2。

電阻精度的問題同樣存在于伺服驅(qū)動(dòng)電路中。因而，選用高精度電阻或者挑選并使用匹配良好的普通精度電阻，有助于減小電路輸出與設(shè)計(jì)之間的誤差。

3.2 溫度測(cè)量接口設(shè)計(jì)及算法

在溫度測(cè)量接口設(shè)計(jì)電路中，選用了鉑電阻，而PT100 在0 ℃時(shí)阻值為100 Ω，在100 ℃時(shí)阻值約為138.5 Ω。溫度與電阻值并非嚴(yán)格的正比例關(guān)系，而是趨近于一條拋物線。當(dāng)溫度在0~850 ℃范圍內(nèi)時(shí)，二者滿足下式[6]：

式中，R0為0 ℃時(shí)的阻值，單位為Ω；Rt為t℃時(shí)的阻值，單位為Ω；t為溫度，單位為oC；A、B為試驗(yàn)測(cè)定系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)值為A=3.908 02×10-3，B=5.802×10-7。

橋式放大電路將PT100 鉑電阻轉(zhuǎn)變成為等比例的電壓變化量，隨后使用AD 采樣供系統(tǒng)識(shí)別。常用AD 轉(zhuǎn)換器為單極性（例如：0~5 V 或0~2.5 V），因而需要將被測(cè)阻抗變化范圍均勻地放置于運(yùn)算放大器輸出電壓以及ADC 模擬電壓采樣的范圍之內(nèi)，最高效地利用系統(tǒng)資源。利用運(yùn)算放大器組成橋式運(yùn)算放大電路，電路圖如圖3（a）所示。在特定條件下，獲得被測(cè)溫度與輸出電壓間的關(guān)系如圖3（b）所示，其輸出電壓與被測(cè)溫度之間滿足式（3）[7]。通常，中冷器的工作溫度（即增壓前后的空氣溫度）在25℃~60 ℃范圍內(nèi)，折算電壓約為1.6 V~3.3 V。軌到軌輸出型運(yùn)算放大器死區(qū)電壓極小，基本可實(shí)現(xiàn)0~5 V供電范圍內(nèi)線性工作。

圖3 PT100鉑電阻橋式放大電路及其輸出曲線

其中，a1=R1·RPT，a2=R1·R6，a3=R6·RPT；b1=R3·R4，b2=R3·R5，b3=R4·R5。

通常，電阻具有制造精度。E24 系列電阻精度為±5%，E96 系列電阻精度為±1%。以電阻阻值在制造精度內(nèi)極端變換（即分別取制造精度的最大值和最小值）作為研究條件，鉑電阻橋式放大電路隨被測(cè)溫度的輸出關(guān)系如圖4所示。

圖4 電阻精度對(duì)橋式放大電路的影響

研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用±5%精度電阻時(shí)，最大誤差可達(dá)+55%和-45%。其中，R1、R3、R4的影響最大，約占總誤差的90%；R6的影響最小，不到總誤差的2%。當(dāng)采用±1%精度電阻時(shí)，最大誤差降低至+10%和-10%。與前者相比，電阻精度提高了80%，誤差也縮小了80%。因此，橋式放大電路周邊電阻應(yīng)采用精度在±1%以內(nèi)的高精度電阻[8]。

3.3 編碼器脈沖計(jì)數(shù)接口設(shè)計(jì)

在CPLD 器件上，采用VHDL 語(yǔ)言或圖形化編程，對(duì)三相編碼脈沖進(jìn)行信息解析，稱為解碼。通常，需要進(jìn)行硬件濾波、倍頻處理、鑒向處理、計(jì)數(shù)和鎖存處理。解碼器的結(jié)構(gòu)與內(nèi)部關(guān)系如圖5所示。

圖5 CPLD解碼器示意圖

其中，硬件濾波起濾除信號(hào)毛刺的作用。通常，使用DQ 觸發(fā)器和與門電路組成“三次有效濾波”電路。四倍頻的作用是將A、B 相信號(hào)的上升沿與下降沿分別做單獨(dú)的脈沖處理，供后續(xù)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)使用，以計(jì)數(shù)分辨率[9]。根據(jù)A、B 相信號(hào)的超前、滯后特性，鑒向電路解析增量式編碼器的旋轉(zhuǎn)方向。

3.4 Profibus-DP總線接口設(shè)計(jì)

嵌入式總線橋是以微控制器與ASIC 專用芯片為核心，開發(fā)出Profibus-DP 從站專用電路板。面向用戶僅留有友好而簡(jiǎn)單的交互接口，進(jìn)一步屏蔽復(fù)雜的ASIC 芯片的驅(qū)動(dòng)與配置工作，經(jīng)過(guò)測(cè)試形成較為成熟化的嵌入式產(chǎn)品。實(shí)質(zhì)上，嵌入式總線橋產(chǎn)品是方案二具體的實(shí)現(xiàn)，并經(jīng)過(guò)了有效測(cè)試與認(rèn)證的產(chǎn)品。

應(yīng)用人員無(wú)需了解開發(fā)技術(shù)細(xì)節(jié)，便可以在短時(shí)間內(nèi)推出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的Profibus-DP從站產(chǎn)品。而且，該總線橋經(jīng)過(guò)了Profibus實(shí)驗(yàn)室的驗(yàn)證與測(cè)試[10]。盡管其成本在四種方案中較高，但是卻有利于保證Profibus-DP從站工作的穩(wěn)定性與可靠性，對(duì)于短時(shí)間內(nèi)工業(yè)級(jí)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

Profibus-DP 嵌入式總線橋是一個(gè)嵌入用戶產(chǎn)品電路結(jié)構(gòu)中的Profibus-DP 從站接口。它一端通過(guò)雙口RAM、異步串行接口或TTL 格式I/O 接口實(shí)現(xiàn)與用戶電路的數(shù)據(jù)交換，另一端則是標(biāo)準(zhǔn)的Profibus-DP從站接口[11]。

4 中冷控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 硬件電路原理圖設(shè)計(jì)

根據(jù)上述思路，設(shè)計(jì)中冷控制器硬件電路，部分原理圖如圖6所示。

4.2 溫度控制算法及編程

在工業(yè)控制系統(tǒng)中，溫度控制具有很重要的應(yīng)用。由于溫度傳導(dǎo)具有極大的遲鈍感和滯后性，因而該系統(tǒng)具有時(shí)變、易擾動(dòng)、滯后、大慣性以及難以精確建模等缺陷。在控制理論研究中，具有大滯后的過(guò)程控制被公認(rèn)為難題之一[12]。

由于Smith 預(yù)估器中含有被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，因而在使用C 語(yǔ)言編程之前，對(duì)該數(shù)學(xué)模型進(jìn)行離散化處理，控制系統(tǒng)離散化示意圖如圖7所示。

圖7 控制系統(tǒng)離散化示意圖

系統(tǒng)無(wú)延時(shí)離散化表達(dá)式如下：

系統(tǒng)無(wú)延時(shí)離散化差分方程如下：

采樣周期在計(jì)算機(jī)控制中是一個(gè)重要的參數(shù)。從信號(hào)保真度來(lái)看，采樣周期不宜過(guò)長(zhǎng)，即采樣頻率不應(yīng)該過(guò)低。Shannon 采樣定理推薦下限角頻率至少為信號(hào)最高頻率的兩倍。但是，過(guò)高的采樣頻率也增加了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的深度。當(dāng)純滯后較大不可忽略時(shí)，選擇采樣周期T為0.2τ。

溫度控制PID 控制算法流程如圖8 所示。首先，根據(jù)實(shí)測(cè)溫度與設(shè)定溫度計(jì)算溫度誤差e，若使用該誤差直接輸入PID 算法，則會(huì)導(dǎo)致大滯后系統(tǒng)的不穩(wěn)定。因而，必須通過(guò)溫度控制算法予以修正。先將上次PID 計(jì)算的輸出量輸入系統(tǒng)無(wú)延時(shí)離散化表達(dá)式[13]，將獲得的直接輸出量進(jìn)行存儲(chǔ)供下次使用。計(jì)算直接輸出量與延時(shí)τ的輸出量之差，使用該差值對(duì)PID 算法輸出結(jié)果進(jìn)行最終修正。如此一來(lái)，系統(tǒng)滯后與延時(shí)特性被算法中的無(wú)延時(shí)模型以及延時(shí)系統(tǒng)τ所補(bǔ)償[14]，從而提高了溫度控制性能。

圖8 溫度控制PID 控制算法流程圖

溫度控制PID算法的部分代碼如下：

int Temperature_Arithmetic(int error) //輸入溫度誤差

{ static c_delay[10];

Lint error_lint, pid_lint;

error_lint = error;

pid_lint = PID[1];

c_delay[0] = pid_lint * sys_wo_delay();

tmp_lint = c_delay[0] - c_delay[4]; //求差值

c_delay[4] = c_delay[3];

c_delay[3] = c_delay[2];

c_delay[2] = c_delay[1];

c_delay[1] = c_delay[0];

return tmp_lint - error_lint; //求差值，修正誤差

}

5 溫升實(shí)驗(yàn)與分析

完全關(guān)閉試驗(yàn)臺(tái)架中冷控制器，調(diào)節(jié)渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下運(yùn)行，考核發(fā)動(dòng)機(jī)在缺少中冷控制器時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。三種工況的選擇均以50%油門為準(zhǔn)，轉(zhuǎn)速分別選擇1 400 rpm、1 800 rpm 和2 000 rpm[15]。

渦輪增壓后空氣的溫升、壓降曲線如圖9 所示。由圖9（a）可知，在不同運(yùn)轉(zhuǎn)工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)溫升速度均不相同，功率越大、負(fù)荷越高，則溫升速率越快。由圖9（b）可知，隨著溫度升高，渦輪增壓的空氣壓力反而下降。這是由于溫度升高導(dǎo)致空氣稀薄，渦輪增壓器效率下降，增壓空氣壓力下降。

圖9 發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓后空氣溫升/壓降試驗(yàn)曲線

發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓溫升扭矩降曲線如圖10 所示。由圖10 可知，隨著渦輪增壓后空氣的溫升，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩下降。以1 400 rpm、252 N·m 工況為例，溫度升高約30 °C，扭矩下降約2%。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)工況的提高，扭矩降呈減少趨勢(shì)，這是由于發(fā)動(dòng)機(jī)工況提高，渦輪增壓器轉(zhuǎn)速提高，工作效率提高的緣故[16]。但是，依然不能掩蓋渦輪增壓后空氣的溫升導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩降低的事實(shí)。

圖10 發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓溫升扭矩降曲線

6 結(jié)束語(yǔ)

本文敘述了電路的模塊化設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)方法，重點(diǎn)研究了溫度測(cè)量接口、電機(jī)伺服接口電路的設(shè)計(jì)與輸出精度問題。同時(shí)，討論了Profibus-DP 總線接口的實(shí)現(xiàn)方案。通過(guò)比較，選用總線橋產(chǎn)品，大大縮短了課題開發(fā)時(shí)間，提高了總線應(yīng)用的穩(wěn)定性與可靠性。最后，提出了部分硬件設(shè)計(jì)原理圖，為中冷控制器設(shè)計(jì)提供了穩(wěn)固、可靠的硬件基礎(chǔ)。