黃順福
（上海貝爾股份有限公司，上海201206）
摘要：熱交換系統(tǒng)是非常重要的換熱設(shè)備，幾乎在所有的工業(yè)領(lǐng)域中都有應(yīng)用。由于熱交換系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧、傳熱強(qiáng)度高、節(jié)能、防污染、環(huán)保、符合當(dāng)今能源技術(shù)發(fā)展的趨勢等特點(diǎn)，近年來，已廣泛地應(yīng)用到通信設(shè)備的換熱降溫系統(tǒng)中。熱交換器技術(shù)使用離心風(fēng)機(jī)控制內(nèi)外循環(huán)的氣流進(jìn)入熱交換芯的流量和壓力，從而實現(xiàn)了隔離的內(nèi)外循環(huán)氣流的熱交換，降低了內(nèi)循環(huán)內(nèi)的通信設(shè)備的熱量，保證了通信設(shè)備的正常工作。通過離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速溫度PWM一次函數(shù)的設(shè)計，使得通信柜熱交換器的軟硬件的設(shè)計大幅簡化，實現(xiàn)了熱交換器連續(xù)跟蹤、快速實時響應(yīng)換熱的功能，提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性，降低了成本，大大提高了公司的經(jīng)濟(jì)效益。
關(guān)鍵詞：熱交換器；離心風(fēng)機(jī)；PWM；溫度；一次函數(shù)
中圖分類號：TP 29文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2016.24.027
引用格式：黃順福. 基于熱交換器擬合ARM PWM一次函數(shù)算法設(shè)計［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35（24）：94-97，104.
0引言
目前在上海貝爾AlcatelLucent生產(chǎn)制造的通信系統(tǒng)中，如固網(wǎng)的MDU（多住戶單元）基站，無線的CDMA（碼分多址）、WCDM（寬帶碼分多址）、LTE基站等，都廣泛采用了熱交換系統(tǒng)（HEX）作為換熱降溫設(shè)備。通信機(jī)柜內(nèi)的設(shè)備在運(yùn)行時功率可以達(dá)到幾千瓦，產(chǎn)生大量的熱量，使得機(jī)柜內(nèi)的溫度急劇上升。為了保證設(shè)備的良好運(yùn)行狀態(tài)，通信機(jī)柜內(nèi)的溫度不能無限上升，應(yīng)被控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。市場上目前通用的做法是：在控制器中把溫度和風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速分別以數(shù)組的方式存儲。這種方法不是連續(xù)的，是間斷式的，沒法進(jìn)行實際意義上的連續(xù)跟蹤，且無法根據(jù)實際情況進(jìn)行靈活的補(bǔ)償，占用存儲器空間大。為了滿足熱交換器需要連續(xù)跟蹤，快速實時響應(yīng)的功能，本文提出了使PWM與離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和環(huán)境溫度擬合成一次函數(shù)的方法，簡化了系統(tǒng)的設(shè)計，并且對包括軟件硬件方面的一系列相關(guān)的研發(fā)工作進(jìn)行了論述。
本通信柜熱交換器［12］由熱交換芯、內(nèi)外循環(huán)離心風(fēng)機(jī)、基于ARM芯片的AT91SAM7S控制器組成。本文主要介紹了控制器的擬合PWM轉(zhuǎn)速溫度一次函數(shù)的軟硬件方法。
1離心風(fēng)機(jī)性能分析及擬合ARM PWM轉(zhuǎn)速溫度一次函數(shù)基礎(chǔ)公式
實際選用的離心風(fēng)機(jī)型號為ebmpapst RI1G175AB4164，該離心風(fēng)機(jī)的工況圖見圖1。圖1中,橫坐標(biāo)是空氣流量,1 CFM(立方英尺每分鐘)=1.7 m3/h;縱坐標(biāo)是氣壓增量,1 lnH2O(水柱)=200 Pa;qv為Air Flow（空氣流量）；pfs為Pressure Increase（壓力增量）［34］ 。
粗實線是風(fēng)機(jī)的性能曲線，點(diǎn)1、2、3、4為57 V的工況點(diǎn)；點(diǎn)9、10、11、12為36 V的工況點(diǎn)；點(diǎn)5、6、7、8為48 V的工況點(diǎn)。本HEX系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)工作在48 V，選擇工況點(diǎn)6,工作在其左邊，壓降減小，流量增大，滿足了熱交換器的需求。另外，該型號的離心風(fēng)機(jī)在48 V、2970轉(zhuǎn)的噪聲為57 dB（A），也可以滿足本系統(tǒng)對噪聲的要求。48 V工況點(diǎn)的選擇是通過轉(zhuǎn)速、輸入功率、電流來確定的。該風(fēng)機(jī)DUE端口輸出定義為：每轉(zhuǎn)2個脈沖。通過測試該端口的脈沖頻率可得到其轉(zhuǎn)速。例如，已知在DUE口測得87 Hz，其轉(zhuǎn)速計算為：87 Hz=87個脈沖/秒=87/2轉(zhuǎn)/秒=(87/2)轉(zhuǎn)/(1/60)分=(87/2)×60轉(zhuǎn)/分鐘。故可推得該風(fēng)機(jī)通過頻率求轉(zhuǎn)速的一般公式為：
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式中：風(fēng)扇脈沖頻率的單位為Hz。推導(dǎo)出的式（1）是擬合PWM一次函數(shù)的基礎(chǔ)。
2基于ARM芯片AT91SAM7S控制器的擬合PWM轉(zhuǎn)速溫度一次函數(shù)設(shè)計
2.1離心風(fēng)機(jī)控制電路設(shè)計
如圖2所示，PWM信號經(jīng)R10從T2輸入，R10作為圖2離心風(fēng)機(jī)控制電路T2的偏置電阻，R8是T2的集電極負(fù)載電阻，C14是高頻濾波電容，E2是電解電容，起濾除48 V紋波的作用。PWM信號經(jīng)過T2，占空比反相輸入給風(fēng)機(jī)。
風(fēng)機(jī)內(nèi)與風(fēng)機(jī)速度相關(guān)的脈沖輸出驅(qū)動電路是集電極開路通過J5的腳3輸出R的，R12其上拉電阻接3.3 V。風(fēng)機(jī)輸出脈沖通過偏置電阻R14，輸出到T4的基極。T4的發(fā)射極被置為+3.3 V，當(dāng)風(fēng)機(jī)輸出的脈沖為高電平時，其被上拉到+3.3 V，送到T4的基極，T4截止，U1TIOA0為低電平0 V；當(dāng)風(fēng)機(jī)輸出的脈沖為低電平0 V時，T4飽和導(dǎo)通，T4的發(fā)射極與集電極電壓Vce約為0.3 V，U1TIOA0的電壓為+3.3 V-Vce=3 V。
C42為0.01 μF，用于濾除風(fēng)機(jī)輸出的高頻雜波，其一定要可靠焊接在電路板上，否則無法接收到正確的脈沖信號。對讀速電路，T4起整形作用，如無T4，則風(fēng)機(jī)輸出信號無法正確識別。
2.2控制離心風(fēng)機(jī)的ARM PWM信號設(shè)計
求PWM信號的周期算式［5］如下：PWM周期=prescaler/MCK/X。MCK是主時鐘，X是分頻數(shù)，prescaler是需要寫進(jìn)PWM_MR寄存器中DIVA的值。PWM_MR中的PREA選擇分頻如表1所示。prescaler和X的查找算法如下，對PWM周期算式進(jìn)行變形，得到prescaler算式：
prescaler=PWM頻率(MCK/X)
先設(shè)定好頻率和MCK，這里MCK為48 MHz，頻率為4k×100=400 kHz。divider的值為表1中的Divider值，Divider所表示的數(shù)組值即dividors［Divider］，表1中Divider Input Clock列的表達(dá)式的分母即為prescaler算式中的X。
初始時，表1中的Divider從0開始遞增，計算出prescaler。如prescaler小于255，且Divider小于11，則這時的prescaler和Divider就是所需要的參數(shù)。如果初始時的prescaler大于255，但Divider小于11（如表1所示,Divider為0~10），則遞增，直至prescaler小于255，Divider小于11時為止，此時得到的prescaler和Divider就是所需的參數(shù)。將Prescaler填入到PWM_MR寄存器中的PREA，將Divider的值填入到PWM_MR寄存器中的DIVA段中。在PWM_MR寄存器中，DIVA為FF，最大為255，Divider作為DIVA填入該域中。
PWM占空比的算法如下：PWM占空比=(周期CDTY/clock)/周期，其中周期被寫進(jìn)PWM_CPRD寄存器，CPRD為占空比輸入?yún)?shù)。式中的clock就是Divider的值所對應(yīng)的分頻值（表1中Divider Input Clock表達(dá)式的分母值）。若給定占空比、周期，就可以確定CDTY。PWM占空比可變換為：
從公式(2)中可見，控制離心風(fēng)機(jī)速度的占空比與PWM頻率和CDTY有關(guān)。實際設(shè)計時，PWM頻率固定，更改CDTY來改變控制離心風(fēng)機(jī)速度的占空比，具體方法如如圖3所示。當(dāng)CDTY增大時，占空比減小。為了使CDTY與占空比成正比，在設(shè)計電路時，用T2反相，則當(dāng)CDTY增大時，占空比也增大。如圖4所示，當(dāng)CPRD增大時，即周期增加時，頻率減小，占空比增大。為了使頻率與占空比成正比，在設(shè)計電路時，當(dāng)用T2反相時，頻率減小，占空比也實際減小。
通過找出適當(dāng)?shù)腜WM頻率作為固定值，本系統(tǒng)設(shè)定PWM頻率為4 kHz，使得CDTY與PWM脈沖占空比成線性關(guān)系。控制器改變CDTY從而正比調(diào)節(jié)輸出的PWM占空比，而PWM輸出的占空比與離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速有某種接近的比例關(guān)系，從而推得CDTY與離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速成一次函數(shù)關(guān)系。為方便起見，這里設(shè)定輸入系統(tǒng)的參數(shù)符號為Duty來代替CDTY。經(jīng)實驗測試，輸入Duty值控制離心風(fēng)機(jī)時，離心風(fēng)機(jī)響應(yīng)的輸出頻率即為Duty值的大小，結(jié)合公式（1），可以得到公式（3），即:
2.3離心風(fēng)機(jī)的讀速設(shè)計
讀取離心風(fēng)機(jī)的速度是通過定時記數(shù)器的捕捉方式實現(xiàn)的。AT91SAM7S64包含3個16位定時計數(shù)器，它可以實現(xiàn)頻率測試、事件計數(shù)、間隔測量、脈沖產(chǎn)生、定時延遲、脈寬調(diào)制。TC(定時計數(shù)器)使用捕捉寄存器A(RA)和B(RB)來計數(shù)外部事件。當(dāng)在TIOA有事件發(fā)生時，寄存器A和寄存器B裝入計數(shù)器值。裝載寄存器A的信號為LDRA，裝載寄存器B的信號為LDRB。置位TC_CMR中的ABETRG位，可以選擇TIOA或者TIOB輸入信號作為外部觸發(fā)器。0定義TIOB作為外觸發(fā)器，1定義TIOA作為外觸發(fā)器。ETRGEDG定義了檢測邊沿的上升、下降或兩者。TIOA可以被載入，而TIOB不可以被載入。所以要使用RA、RB，必須用TIOA。
如圖5中的第1個MODE配置，ABETRG配1,選TIOA作為外觸發(fā)器;ETRGEDG為2，為下將沿觸發(fā)；LDRA為2，為下降沿載入；LDRB為1，則為上升沿載入。通過函數(shù)ConfigureTc(mode)計算出LDRB-LDRA=脈寬長度，即負(fù)脈沖的寬度。同理，如圖6所示，可計算出正脈沖的寬度。
這樣整個信號周期=負(fù)脈沖寬度+正脈沖寬度，具體計算如下：由于在MODE中沒有設(shè)置TCCLKS，因此為0即缺省，選時鐘源為MCC/2=48 MHz/2=24 MHz，1/24 MHz=0.041 66 μs，即計數(shù)一次為0.041 66 μs。總周期=0.041 66(period_low+period_high)μs。其中period_low是負(fù)脈沖寬度，period_high是正脈沖寬度。
2.4用一次函數(shù)描述規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)曲線設(shè)計
規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖7所示，這是系統(tǒng)要求內(nèi)循環(huán)離心風(fēng)機(jī)必須滿足溫度與風(fēng)機(jī)速度的一次函數(shù)關(guān)系。利用一次函數(shù)分段來求該曲線。用公式y(tǒng)-y0=k(x-x0)，對于圖7，在x≤35時，y=800；在x>35且x≤55時，k=(1 500-800)/(55-35)=35，y=800+35(x-35) ；在x>55且x≤60時，k=(2 400-1 500)/(60-55)=180，y=1 500+180(x-55)；在x>60時，y=2 400。這里關(guān)鍵是控制離心風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與溫度成線性關(guān)系，也就是需要離心風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與控制離心風(fēng)機(jī)的PWM占空比成線性關(guān)系，這樣就避免了采用數(shù)組存儲大量數(shù)據(jù)而占用大量Flash存儲空間仍然不能實時反映系統(tǒng)狀態(tài)且系統(tǒng)性能不佳的弊端，達(dá)到精確控制的目的。
2.5控制輸入ARM PWM參數(shù)Duty而擬合離心風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與環(huán)境溫度成一次函數(shù)線性關(guān)系的設(shè)計
通過實驗的方法可以驗證公式（3），如表2所示。從表2中可看出，根據(jù)公式（1），讀出的頻率乘以30就是轉(zhuǎn)速。再結(jié)合圖7的曲線要求，可得出輸入進(jìn)AT91SAM7S64的Duty恰好與讀出的風(fēng)機(jī)頻率接近，所以公式（3）完全反映了離心風(fēng)機(jī)的實際工作狀態(tài)。這為實時精確控制離心風(fēng)機(jī)的狀態(tài)，運(yùn)用PID或模糊PID算法進(jìn)行閉環(huán)控制提供了可能。
在實際運(yùn)行中，由于系統(tǒng)的箱體是密閉的，在離心風(fēng)機(jī)運(yùn)行時，在密閉的箱體內(nèi)的氣流對離心風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生阻力即風(fēng)阻，使得離心風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度下降。根據(jù)實際測試，必須增加Duty作為校正值，增加相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，克服相應(yīng)的風(fēng)阻，來達(dá)到圖7曲線所需的風(fēng)機(jī)的速度與溫度的線性關(guān)系。實際所加校正值為3和1。在35<x≤55時，k=(1 500-800)/(55-35)=35，y=800+35(x-35)，這里y為速度，根據(jù)公式（3），得出Duty=(800+35(x-35))/30(x為溫度)，再加上校正值，Duty=(800+35(x-35))/30+3。在55<x≤60時，k=(2 400-1 500)/(60-55)=180，y=1 500+180(x-55)，根據(jù)公式（1），得出y=(1 500+180(x-55))/30，再加上校正值，Duty=(1 500+180(x-55))/30+1。經(jīng)實際運(yùn)行測試，滿足圖7的曲線要求。現(xiàn)該種算法已在產(chǎn)品中實際應(yīng)用。圖8是外循環(huán)標(biāo)準(zhǔn)曲線，與圖7做法類似，這里不再贅述。
3擬合ARM PWM一次函數(shù)算法在通信柜熱交換器產(chǎn)品中的應(yīng)用舉例
在上海貝爾AlcatelLucnt公司的MDU通信機(jī)柜熱交換器中，使用了擬合PWM轉(zhuǎn)速溫度一次函數(shù)算法，實際算法示例如下：
在系統(tǒng)運(yùn)行時，可從上位機(jī)監(jiān)控界面中看到實際的溫度和轉(zhuǎn)速的曲線圖，從界面中還可讀到環(huán)境溫度和內(nèi)外循環(huán)離心風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。經(jīng)過實際測試，完全符合圖7和圖8的線性控制要求。如當(dāng)通信設(shè)備環(huán)境溫度為40℃時，無負(fù)載時（通信設(shè)備未啟動，沒有發(fā)熱），離心風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)是1 000轉(zhuǎn)/分鐘左右，實際測試時為995轉(zhuǎn)/分鐘。實際測試時，產(chǎn)品放在溫箱中，不但要測試無負(fù)載時各個環(huán)境溫度點(diǎn)的轉(zhuǎn)速，在設(shè)置一定的環(huán)境溫度（溫箱內(nèi)溫度）下，還要測通信機(jī)柜內(nèi)加負(fù)載（模擬調(diào)試設(shè)備的發(fā)熱量）為300 W和1 000 W熱量時的離心風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速及機(jī)柜內(nèi)的溫度。以上各種測試均符合溫度轉(zhuǎn)速的線性控制要求，并且控制響應(yīng)快，換熱效果好。由于篇幅限制，關(guān)于這方面實際測試方面的驗證數(shù)據(jù)不再贅述。
4結(jié)論
通過擬合一次函數(shù)的方法，不僅簡化了軟件硬件的設(shè)計，節(jié)約成本，而且能夠連續(xù)實時地跟蹤環(huán)境溫度，實時有效控制離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到逼近直線、快速響應(yīng)、快速換熱的目的，從而使得整個系統(tǒng)的換熱性能大大提高。目前該設(shè)計已投入了生產(chǎn)，已有千臺HEX系統(tǒng)在印度尼西亞、菲律賓的MDU通信基站上使用，效果良好。以擬合一次函數(shù)的方法作為基礎(chǔ)，還可以方便地引入PID控制或模糊PID控制，使得系統(tǒng)成為一個有效的閉環(huán)控制系統(tǒng)。由于篇幅限制，在這方面的應(yīng)用不再贅述。
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