DOC《数位化温度控制器设计》

数位化温度控制器设计 Design of digital Temperature Controller 黄全富、巫信辉、江士标 国立中央大学机械所 通讯地址U中坜市五权里中央大学 国科会补助编号UNSC 89-2622-E-008-003 摘要:本文是以数位讯号处理器DSP(Digital Singal Processor)之核心架构为主体的数位式温度控制器开发,而其主要分为硬体电路与软体程式两部分来完成.

而就硬体电路来看分为量测电路模组、DSP周边电路及RS232通讯模组、输出模组三个部分,其中在输出上可分为电流输出、电压输出以及binary command给加热驱动装置, RS232 除了可以与PC联络外也可以与具有CPU的热能驱动器做命令传输.在计画中分析现有工业用加热驱动装置和温度曲线的关系,并t解其控制情况.软体方面即是温控器之中央处理器程式,亦即DSP控制程式,其中包括控制理论、感测器线性转换程式、I/O介面及通讯协定相关程式.在控制法则上,提出一个新的加热体描述模型,然后以前馈控制为主并辅以PID控制,得到不错的控制结果. 关键字:温度控制器、感测器、数位讯号处理、PID、前馈控制. 简介 DSP是近年来专为数位讯号处理所开发的处理器,而它与一般处理器最大的优点是运算速度快,所以可以应用於需要大量运算且需处理速度快的用途,而本温控器亦是采用DSP晶片为核心的架构,目的也是为了应映自动调整时所需的大量运算,以及利用其本身所提供的序列埠来达成通讯功能.也因为其运算速度快,故日后温控器的核心控制PID理论便可以更新成更先进的理论,例如系统鉴别的方式等.不仅扩充性大,并且可用来验证理论的可行性及实用性.因为毕竟软体比硬体来的容易变更或改良. 本研究计画成果已完成温控器硬体电路与软体程式撰写,并实际上机测试其系统的稳定性及温度控制的结果.而在控制法则上我们提出一个新的加热体描述模型,并且已经找出了系统的参数,所以在控制法则上我们则选用前馈控制法,然后再辅以PID控制,,

并且对各方法实际作控制,分析其结果,得到 不错的控制效果. 2温度控制系统硬体架构 在设计控制器之前,我们必须先对整体架构作分析,然后订出所需的规格,根┒ǖ墓娓癫拍茏龅侥Ｗ榛纳杓. 1系统架构 控制器主要是以DSP为核心,加上周边的数位及类比电路而构成.而数位电路主要功能在显示、调整、传输与记忆等功能,类比电路的主要功能则是作感测器讯号的处理与输出的驱动电路.如图一为其系统硬体架构图. 2.2感测器 在感测器的使用上,我们主要以热电偶与RTD为主,辅以热敏电阻来使热电偶作冷接点补偿.接下 图一系统硬体架构图 来我们将分别说明感测器的特性并讨论其改良方法. 2.2.1热电偶 一般工业上在量测温度时,主要以热电偶做为温度计使用,因为其可量测的温度围较广,从数百度到一千多度之间皆可,适合於中高温量测.而其量测的原理是在1822年席贝克博士所发现的,所以称为席贝克效应或热电效应.如图二发现为两种不同金属连接在一起,而形成一个闭回路,将其两端产生一个温度差,则在回路里就会有电流通过,而温度较高的接点称为热接点(hot junction),温度较低的点称为冷接点(cold junction).一般在量测时我们接将热接点至於「测温处」,然后在根坎獾降闹绷餮逗庞肜浣拥阕骼浣拥悴钩. 图二热电偶的席贝克效应 热电偶的热电动势,是依饬康阌肜浣拥愕奈露炔疃龆ǖ,一般量测时,从量测点到基准点有相当的长度,若用一般的铜线来连接的话,又因为两端点有温度差而又形成一个新的热电偶电路,所以一般使用热电偶材料性质相近的补偿导线以减少误差.但是还有一误差需要补偿,即所谓的冷接点补偿,在本温控器所使用的补偿方式为电路补偿法. 如图三所示,使用一个自我补偿电路,利用对温 图三电路设计冷接点补偿法 度敏感的热敏电阻(温度围在-10C~70C),将其接於热电偶的冷接点端,如此便可测出冷接点温度,依温度转换得到冷接点热电动势,然后将热电偶的热电动势作软体补偿,透过线性转换的方式将补偿后的热电动势转换成对应的温度,即可对此值作控制法则的运算.而表为热电偶的特性,在本温控器先以K type为发展,若日后需应用其他type的热电偶,则只需将线性转换表更新为该型式的热电偶线性转换表即可.图四可解释了整体的热电偶感应架构. 图四热电偶感应架构 由於热电偶的讯号相当小,所以在量测时是利用差动式的电压量测法,这个方法是利用一个差动放大器以量测2条信号导线电压的差值,而差动式电压量测提供较大的抗杂讯能力,如图五描绘出热电偶量测与差动式放大器的连接方式.10K欧母电阻介於低电位端及接地,虽然放大器量测两个输入点之间的电位差,放大器的输入端至少要有一个接地路径.这个电路提供了放大器偏压电流的路径,若没有安装或阻值太高则放大器的偏压电流将会使其输入达到供应电源的准位,并超过放大器共同点模式的围.而Common mode rejection ration (CMRR)为差动放大器重要的特性参数,在一个很大的共接模式电压中要很精确的量到很小的差动讯号,需要很大的CMRR值,如此才可提高其抗杂讯的能力. 图五差动式热电偶量测 2.2.2 RTD电阻式温度感测器 RTD为一种「电阻」随温度改变而变化的温度侦测装置,由於它具有低价与高精度的优点,所以常被使用於-200C~700C之间,做为工业温度控制的检测装置.一般而言,金属皆具有正温度系数(PTC),及电阻的变化会随著温度增加而增加,所以当温度升高时,会使金属内部的自由电子便多而且活跃,而增加彼此的碰撞机会,使的电流较不易通过,也就是电阻变大.在RTD中,一般最常使用的金属为白金(Pt),这乃是因白金线的纯度可以做的相当高,而获得比较精密及稳定的输出结果.一般以0C时的电阻为100Omega的白金线所做成的感测元件为国际标准规格,即所谓的PT100.图六为其硬体架构. 图六PT100感测电路硬体架构 2.3输出命令格式 本温控器在控制命令的输出上分为四种,分别是继电器输出、电压输出、电流输出、数位讯号输出,就目前实验设备而言,接受这些命令格式的驱动装置有SCR、SSR、SSPR及PC.由於我们所使用的是DSP的PWM输出,如图七. 此外我们需将PWM讯号经过低通滤波器后,得到一个直流的电压讯号,而为防止下一级的讯号影响 图七PWM输出模式 到上一级的讯号,所以在电路上我们利用光耦合器来作隔离,确保不被干扰.在另一方面为了预防DSP的输出过负载,所以我们利用PWM讯号去开启一NPN电晶体,然后去导通一个电源讯号再去驱动光耦合器,而图八为将PWM讯号转成直流电压讯号的电路图.而以下各小节就上述的直流讯号作各种的输出,并说明其围与电路. 图八PWM转直流讯号 2.3.1继电器输出 继电器为一般工业界最常使用的驱动装置,其构造相当简单,为一种机械式的开关,但是当继电器在作ON/OFF切换时会造成电压的瞬间变化,所以容易产生火花,而且继电器的寿命也不常,一般大约是几万次的切换而已.图九为继电器输出的电路图 图九继电器输出电路 由图上可知,为了防止DSP输出过负载,所以会经过一NPN电晶体来导入一个电源讯号,然后利用光耦合器来隔离继电器切换时的高频杂讯.除此之外,在继电器旁益加有二极体与电容,目的是用来吸收及保护当继电器切换时所产生的反电动势.而继电器输出的围则因所选用的继电器的不同而有所差异,在本温控器里,所选用的继电器为耐压AC220V,耐电流5A. 2.3.2电压输出 在这部分的输出电路主要与图九相似,唯一不同处就是将PWM转成直流的讯号后,再经过放大器作两倍的放........