黃順福

　　（上海貝爾股份有限公司，上海201206）

       摘要：熱交換系統是非常重要的換熱設備，幾乎在所有的工業領域中都有應用。由于熱交換系統具有結構緊湊、輕巧、傳熱強度高、節能、防污染、環保、符合當今能源技術發展的趨勢等特點，近年來，已廣泛地應用到通信設備的換熱降溫系統中。熱交換器技術使用離心風機控制內外循環的氣流進入熱交換芯的流量和壓力，從而實現了隔離的內外循環氣流的熱交換，降低了內循環內的通信設備的熱量，保證了通信設備的正常工作。通過離心風機轉速溫度PWM一次函數的設計，使得通信柜熱交換器的軟硬件的設計大幅簡化，實現了熱交換器連續跟蹤、快速實時響應換熱的功能，提高了產品的穩定性，降低了成本，大大提高了公司的經濟效益。

　　關鍵詞：熱交換器；離心風機；PWM；溫度；一次函數

　　中圖分類號：TP 29文獻標識碼：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一次函數算法設計［J］.微型機與應用，2016,35（24）：94-97，104.

0引言

　　目前在上海貝爾AlcatelLucent生產制造的通信系統中，如固網的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（HEX）作為換熱降溫設備。通信機柜內的設備在運行時功率可以達到幾千瓦，產生大量的熱量，使得機柜內的溫度急劇上升。為了保證設備的良好運行狀態，通信機柜內的溫度不能無限上升，應被控制在規定的范圍內。市場上目前通用的做法是：在控制器中把溫度和風機的轉速分別以數組的方式存儲。這種方法不是連續的，是間斷式的，沒法進行實際意義上的連續跟蹤，且無法根據實際情況進行靈活的補償，占用存儲器空間大。為了滿足熱交換器需要連續跟蹤，快速實時響應的功能，本文提出了使PWM與離心風機轉速和環境溫度擬合成一次函數的方法，簡化了系統的設計，并且對包括軟件硬件方面的一系列相關的研發工作進行了論述。

　　本通信柜熱交換器［12］由熱交換芯、內外循環離心風機、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轉速溫度一次函數的軟硬件方法。

1離心風機性能分析及擬合ARM PWM轉速溫度一次函數基礎公式

　　實際選用的離心風機型號為ebmpapst RI1G175AB4164，該離心風機的工況圖見圖1。圖1中,橫坐標是空氣流量,1 CFM(立方英尺每分鐘)=1.7 m3/h;縱坐標是氣壓增量,1 lnH2O(水柱)=200 Pa;qv為Air Flow（空氣流量）；pfs為Pressure Increase（壓力增量）［34］ 。

　　粗實線是風機的性能曲線，點1、2、3、4為57 V的工況點；點9、10、11、12為36 V的工況點；點5、6、7、8為48 V的工況點。本HEX系統的風機工作在48 V，選擇工況點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，該型號的離心風機在48 V、2970轉的噪聲為57 dB（A），也可以滿足本系統對噪聲的要求。48 V工況點的選擇是通過轉速、輸入功率、電流來確定的。該風機DUE端口輸出定義為：每轉2個脈沖。通過測試該端口的脈沖頻率可得到其轉速。例如，已知在DUE口測得87 Hz，其轉速計算為：87 Hz=87個脈沖/秒=87/2轉/秒=(87/2)轉/(1/60)分=(87/2)×60轉/分鐘。故可推得該風機通過頻率求轉速的一般公式為：

　　式中：風扇脈沖頻率的單位為Hz。推導出的式（1）是擬合PWM一次函數的基礎。

2基于ARM芯片AT91SAM7S控制器的擬合PWM轉速溫度一次函數設計

　　2.1離心風機控制電路設計

　　如圖2所示，PWM信號經R10從T2輸入，R10作為圖2離心風機控制電路T2的偏置電阻，R8是T2的集電極負載電阻，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信號經過T2，占空比反相輸入給風機。

　　風機內與風機速度相關的脈沖輸出驅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。風機輸出脈沖通過偏置電阻R14，輸出到T4的基極。T4的發射極被置為+3.3 V，當風機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，U1TIOA0為低電平0 V；當風機輸出的脈沖為低電平0 V時，T4飽和導通，T4的發射極與集電極電壓Vce約為0.3 V，U1TIOA0的電壓為+3.3 V-Vce=3 V。

　　C42為0.01 μF，用于濾除風機輸出的高頻雜波，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，則風機輸出信號無法正確識別。

　　2.2控制離心風機的ARM PWM信號設計

　　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，prescaler是需要寫進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周期算式進行變形，得到prescaler算式：

　　prescaler=PWM頻率(MCK/X)

　　先設定好頻率和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所表示的數組值即dividors［Divider］，表1中Divider Input Clock列的表達式的分母即為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。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。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PWM_CPRD寄存器，CPRD為占空比輸入參數。式中的clock就是Divider的值所對應的分頻值（表1中Divider Input Clock表達式的分母值）。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，控制離心風機速度的占空比與PWM頻率和CDTY有關。實際設計時，PWM頻率固定，更改CDTY來改變控制離心風機速度的占空比，具體方法如如圖3所示。當CDTY增大時，占空比減小。為了使CDTY與占空比成正比，在設計電路時，用T2反相，則當CDTY增大時，占空比也增大。如圖4所示，當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，在設計電路時，當用T2反相時，頻率減小，占空比也實際減小。

　　通過找出適當的PWM頻率作為固定值，本系統設定PWM頻率為4 kHz，使得CDTY與PWM脈沖占空比成線性關系。控制器改變CDTY從而正比調節輸出的PWM占空比，而PWM輸出的占空比與離心風機轉速有某種接近的比例關系，從而推得CDTY與離心風機轉速成一次函數關系。為方便起見，這里設定輸入系統的參數符號為Duty來代替CDTY。經實驗測試，輸入Duty值控制離心風機時，離心風機響應的輸出頻率即為Duty值的大小，結合公式（1），可以得到公式（3），即:

　　2.3離心風機的讀速設計

　　讀取離心風機的速度是通過定時記數器的捕捉方式實現的。AT91SAM7S64包含3個16位定時計數器，它可以實現頻率測試、事件計數、間隔測量、脈沖產生、定時延遲、脈寬調制。TC(定時計數器)使用捕捉寄存器A(RA)和B(RB)來計數外部事件。當在TIOA有事件發生時，寄存器A和寄存器B裝入計數器值。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器。0定義TIOB作為外觸發器，1定義TIOA作為外觸發器。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作為外觸發器;ETRGEDG為2，為下將沿觸發；LDRA為2，為下降沿載入；LDRB為1，則為上升沿載入。通過函數ConfigureTc(mode)計算出LDRB-LDRA=脈寬長度，即負脈沖的寬度。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=負脈沖寬度+正脈沖寬度，具體計算如下：由于在MODE中沒有設置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，即計數一次為0.041 66 μs。總周期=0.041 66(period_low+period_high)μs。其中period_low是負脈沖寬度，period_high是正脈沖寬度。

　　2.4用一次函數描述規定標準曲線設計

　　規定標準曲線如圖7所示，這是系統要求內循環離心風機必須滿足溫度與風機速度的一次函數關系。利用一次函數分段來求該曲線。用公式y-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。這里關鍵是控制離心風機的轉速與溫度成線性關系，也就是需要離心風機的轉速與控制離心風機的PWM占空比成線性關系，這樣就避免了采用數組存儲大量數據而占用大量Flash存儲空間仍然不能實時反映系統狀態且系統性能不佳的弊端，達到精確控制的目的。　

　　2.5控制輸入ARM PWM參數Duty而擬合離心風機的轉速與環境溫度成一次函數線性關系的設計

　　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，根據公式（1），讀出的頻率乘以30就是轉速。再結合圖7的曲線要求，可得出輸入進AT91SAM7S64的Duty恰好與讀出的風機頻率接近，所以公式（3）完全反映了離心風機的實際工作狀態。這為實時精確控制離心風機的狀態，運用PID或模糊PID算法進行閉環控制提供了可能。

　　在實際運行中，由于系統的箱體是密閉的，在離心風機運行時，在密閉的箱體內的氣流對離心風機的運轉產生阻力即風阻，使得離心風機的運轉速度下降。根據實際測試，必須增加Duty作為校正值，增加相應的轉速，克服相應的風阻，來達到圖7曲線所需的風機的速度與溫度的線性關系。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。經實際運行測試，滿足圖7的曲線要求。現該種算法已在產品中實際應用。圖8是外循環標準曲線，與圖7做法類似，這里不再贅述。

　　3擬合ARM PWM一次函數算法在通信柜熱交換器產品中的應用舉例

　　在上海貝爾AlcatelLucnt公司的MDU通信機柜熱交換器中，使用了擬合PWM轉速溫度一次函數算法，實際算法示例如下：

　　在系統運行時，可從上位機監控界面中看到實際的溫度和轉速的曲線圖，從界面中還可讀到環境溫度和內外循環離心風機的轉速。經過實際測試，完全符合圖7和圖8的線性控制要求。如當通信設備環境溫度為40℃時，無負載時（通信設備未啟動，沒有發熱），離心風機的轉速應是1 000轉/分鐘左右，實際測試時為995轉/分鐘。實際測試時，產品放在溫箱中，不但要測試無負載時各個環境溫度點的轉速，在設置一定的環境溫度（溫箱內溫度）下，還要測通信機柜內加負載（模擬調試設備的發熱量）為300 W和1 000 W熱量時的離心風機的轉速及機柜內的溫度。以上各種測試均符合溫度轉速的線性控制要求，并且控制響應快，換熱效果好。由于篇幅限制，關于這方面實際測試方面的驗證數據不再贅述。

4結論

　　通過擬合一次函數的方法，不僅簡化了軟件硬件的設計，節約成本，而且能夠連續實時地跟蹤環境溫度，實時有效控制離心風機轉速，達到逼近直線、快速響應、快速換熱的目的，從而使得整個系統的換熱性能大大提高。目前該設計已投入了生產，已有千臺HEX系統在印度尼西亞、菲律賓的MDU通信基站上使用，效果良好。以擬合一次函數的方法作為基礎，還可以方便地引入PID控制或模糊PID控制，使得系統成為一個有效的閉環控制系統。由于篇幅限制，在這方面的應用不再贅述。

　　參考文獻

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