基於STM32的半導體制冷片(TEC)溫度控制系統設計

一些醫療檢測儀器在檢測時須要模擬人體溫度環境以確保檢測的精確性，本文以STM32爲主控制器，電機驅動芯片DRV8834 爲驅動器，驅動半導體致冷器(帕爾貼)給散熱片加熱或者製冷。但因爲常規的溫度控制存在慣性溫度偏差的問題，沒法兼顧高精度和高速性的嚴格要求，因此採用模糊自適應PID控制方法在線實時調整PID參數，計算PID參數Kp、Ki、Kd調整控制脈衝來控制驅動器的使能。從simulink仿真的和實驗結果來看模糊PID控制系統精度高、響應速度快，能達到預期效果。

溫度參數是工業生產中經常使用的被控對象之一，在化工生產、冶金工業、電力工程和食品加工等領域普遍應用，在醫療檢測設備中時常須要模擬人體溫度進行成分檢測。採用直流電機驅動芯片DRV8834驅動帕爾貼的製冷和加熱過程。溫度隨時間的變化率和變化的方向不肯定且可能大幅度的變化，要求系統的實際溫度快速和精確地跟蹤設定溫度以知足加工工藝的要求。時間程序溫度控制系統具備強烈的非線性、強耦合、大時滯和時變等特色，傳統PID控制雖然算法簡單易於實現且調整時間較快、精度較高，可是抗干擾能力不強，容易產生振盪;模糊PID不須要精確的數學模型，能較好的處理時變、非線性、滯後等問題，有很好的魯棒性，響應速度快。

1 過程分析及常規控制方法

恆溫控制系統具備製冷、加熱等功能，箱體內的溫度傳感器DS18B20經過不斷地檢測溫度，與設置的很定溫度做比較，當室內溫度低於設置溫度值時，加熱模塊工做，使DRV 8834輸出正向直流，驅動帕爾貼元器件，使其加熱;當溫度高於設置溫度值時，使DRV8834輸出反向直流，驅動帕爾貼元器件，使其工做在製冷功能。使室內溫度在設定值範圍內震盪，最終趨向於穩定。同時，控制系統將協調控制製冷和加熱系統，以達到箱溫波動值最小、高精度控溫的目標。因此溫度控制成爲恆溫控制系統的核心問題。

2 模糊PID溫度控制系統的硬件電路設計

如圖1，系統主要包括如下幾個部分：

1)數字溫度傳感器：DS18B20是一種「一線總線」接口的溫度傳感器。與傳統的熱敏電阻等測溫元件相比，它是一種新型的體積小、適用電壓寬、與微處理器接口簡單的數字化溫度傳感器，實現溫度的採集。

2)控制器：採用STM32模塊和存儲器構成，以其豐富的外部資源和高達72 MHz的主頻完成大量的PID運算。

3)加熱模塊：採用驅動芯片DRV8834，是一款雙路橋式步進器或者直流電機驅動器。因爲加熱器帕爾貼是由直流控制發熱或者製冷，因此用DRV8834用做直流電機驅動器來驅動帕爾貼。

DRV8834可以驅動兩個直流電機或者一個步進電機，每一個H橋的電流輸出爲1.5 A，2.2 A峯值電流，因此用1.5 A電流驅動帕爾貼加熱元器件。該器件提供了帶有一個故障輸出引腳的內部關斷功能，此功能用於過流保護、短路保護、欠壓閉鎖和過熱。另外，還提供了一種低功耗睡眠模式以節約電能和增長元器件使用壽命。如圖2，nSLEEP引腳控制驅動芯片的睡眠模式，低電平進入睡眠模式，由STM32的I/O控制;AOUT1和AOUT2爲橋A的兩個輸出端，(這裏接帕爾貼的兩個輸入端)，而且在AOUT端串聯一個0.1歐姆的電阻和1uH的電感來模擬直流電機負載;VREFO爲參考電壓的輸出;AVREF和 BVREF經過滑動變阻器改變輸入的電壓，結合AISEN端的電阻設置斬波電流的輸出，斬波電流計算公式：AENABL引腳是DRV8834芯片的使能芯片;DIR引腳控制橋電流的輸出方向，這裏能夠控制帕爾貼的加熱或製冷;nFAULT引腳在芯片正常工做時輸出高電平，當輸出低電平時表示芯片過溫、過流或者欠壓以指示芯片的工做狀態;VM輸入5 V電壓供電。
3 模糊PID溫度控制系統的軟件設計
3. 1 模糊控制基本原理
模糊控制是以模糊集合理論、模糊語言及模糊邏輯爲基礎的控制，它是模糊數學在控制系統中的應用，是一種非線性智能控制。本文在常規PID基礎上，以溫度反饋值與目標值的偏差e和偏差變化率ec做爲輸入，一方面送入模糊控制器用模糊推理的方法計算PID參數的調整係數，進行在線自整定，以知足不一樣e和ec對控制器參數的不一樣要求。

溫度控制的軟件設計主要包含3個部分：系統的初始化，模糊PID的計算，驅動電路的控制。其控制流程如圖4所示。其中系統初始化包含STM32系統時鐘的初始化，I/O口的初始化，數字溫度傳感器DS18B20的初始化，顯示模塊的初始化等。模糊PID的計算是 e(k)和ec(k)的值輸入到模糊控制規則表而後去模糊化算出Kp、Ki、Kd的當前值。PID控制輸出的控制量是STM32定時器的計數值以控制 PWM輸出的佔空比，PWM輸出鏈接到帕爾貼驅動器的使能引腳控制電流的輸出的通斷，從而控制帕爾貼的發熱量。
3.2 模糊劃分及模糊化
設溫度誤差e的基本論域爲[-30℃，+30℃]，溫度誤差變化率ec的基本論域爲[-12，+12]，輸出u的基本論域爲 [-0.4，+0.4]，e、ec和u的語言變量E、EC和U，均劃分爲7個變量等級(NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB)，各個變量的模糊論域範圍爲：

{E)={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6};

{Ec}={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6};

{U}={-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7}。

對於模糊控制器而言，溫度誤差及其變化率都是精確輸入量，爲了對肯定的精確量進行模糊化，必須把它們轉換成模糊集合的隸屬函數。因爲三角形函數計算較簡單、性能較好，輸入/輸出變量的隸屬度函數都採用三角形分佈。
3.3 模糊控制規則
肯定模糊控制規則的原則必須是系統輸出響應的動、靜態特性達到最佳。當偏差大或較大時，選擇控制量以儘快消除偏差爲主;而當偏差較小時，選擇控制量要注意防止超調，以系統的穩定性爲主要出發點。

本研究根據實際運行經驗進行了試驗、分析、概括，並得出一系列控制規則爲：3.4 simulink的仿真對比

採用模糊自適應PID控制與常規PID控制做對比，體現出模糊自適應在溫度控制方面的優越性。帕爾貼加熱散熱片能夠當作是一個具備時滯特性的一階慣性環節，其傳遞函數爲：其中k取4，τ取500，延時部分在simulink中串聯一個Transport Delay模塊，延時時間取3 s。

如圖5，上半部分爲模糊自適應PID控制，輸入的信號經過迷糊控制器算出Kp、Ki、Kd的修正值，而後加上Kp、Ki、Kd的經驗值來對傳遞函數起做用。下面半部分就爲普通的PID控制。經過虛擬的示波器觀察兩種控制方法的控制效果。紅色曲線爲普通PID控制的輸出曲線，黃色曲線爲模糊自適應PID控制的輸出曲線，經過對比能夠發現，傳統的PID控制存在嚴重的超調，並在預期值上下震盪，調整時間長。模糊自適應PID控制很好的解決了這個問題，以最快的時間最小的超調達到系統穩定。

4 結束語

本次實驗採用了經常使用的直流電機驅動器經過適當調整電路運用到半導體制冷器件上，電路簡單成本也較低。軟件設計上運用PID模糊控制有效的解決了溫度控制的慣性和延遲問題，實驗基於STM32控制器充分利用其固件庫函數大大減小了開發週期，提升了效率。此係統能夠運用在醫療設備、家用小電器等一些用到溫度控制的場合中，具備必定表明性。