溫度參數(shù)是工業(yè)生產(chǎn)中常用的被控對象之一，在化工生產(chǎn)、冶金工業(yè)、電力工程和食品加工等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，在醫(yī)療檢測設(shè)備中時常需要模擬人體溫度進行成分檢測。本文介紹一種采用直流電機驅(qū)動芯片DRV8834驅(qū)動帕爾貼制冷和加熱過程的方法，能夠幫助讀者精準測量溫度參數(shù)。
一些醫(yī)療檢測儀器在檢測時需要模擬人體溫度環(huán)境以確保檢測的精確性，本文以STM32為主控制器，電機驅(qū)動芯片DRV8834 為驅(qū)動器，驅(qū)動半導(dǎo)體致冷器(帕爾貼)給散熱片加熱或者制冷。
由于常規(guī)的溫度控制存在慣性溫度誤差問題，無法兼顧高精度和高速性的嚴格要求，所以采用模糊自適應(yīng)PID控制方法在線實時調(diào)整PID參數(shù)，計算PID參數(shù)Kp、Ki、Kd調(diào)整控制脈沖來控制驅(qū)動器的使能。從simulink仿真的和實驗結(jié)果來看模糊PID控制系統(tǒng)精度高、響應(yīng)速度快，能達到預(yù)期效果。
溫度隨時間的變化率和變化的方向不確定且可能大幅度的變化，要求系統(tǒng)的實際溫度快速和精確地跟蹤設(shè)定溫度以滿足加工工藝的要求。時間程序溫度控制系統(tǒng)具有強烈的非線性、強耦合、大時滯和時變等特點，傳統(tǒng)PID控制雖然算法簡單易于實現(xiàn)且調(diào)整時間較快、精度較高，但是抗干擾能力不強，容易產(chǎn)生振蕩;模糊PID不需要精確的數(shù)學(xué)模型，能較好的處理時變、非線性、滯后等問題，有很好的魯棒性，響應(yīng)速度快。
一、過程分析及常規(guī)控制方法
恒溫控制系統(tǒng)具有制冷、加熱等功能，箱體內(nèi)的溫度傳感器DS18B20通過不斷地檢測溫度，與設(shè)置的很定溫度作比較，當室內(nèi)溫度低于設(shè)置溫度值時，加熱模塊工作，使DRV 8834輸出正向直流，驅(qū)動帕爾貼元器件，使其加熱;當溫度高于設(shè)置溫度值時，使DRV8834輸出反向直流，驅(qū)動帕爾貼元器件，使其工作在制冷功能。使室內(nèi)溫度在設(shè)定值范圍內(nèi)震蕩，最終趨向于穩(wěn)定。同時，控制系統(tǒng)將協(xié)調(diào)控制制冷和加熱系統(tǒng)，以達到箱溫波動值最小、高精度控溫的目標。所以溫度控制成為恒溫控制系統(tǒng)的核心問題。
二、模糊PID溫度控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計
如圖所示，系統(tǒng)主要包括以下幾個部分：
1)數(shù)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(tǒng)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(shù)字化溫度傳感器，實現(xiàn)溫度的采集。
2)控制器：采用STM32模塊和存儲器構(gòu)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：采用驅(qū)動芯片DRV8834，是一款雙路橋式步進器或者直流電機驅(qū)動器。由于加熱器帕爾貼是由直流控制發(fā)熱或者制冷，所以用DRV8834用作直流電機驅(qū)動器來驅(qū)動帕爾貼。
DRV8834能夠驅(qū)動兩個直流電機或者一個步進電機，每個H橋的電流輸出為1.5 A，2.2 A峰值電流，所以用1.5 A電流驅(qū)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(nèi)部關(guān)斷功能，此功能用于過流保護、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(jié)約電能和增加元器件使用壽命。
nSLEEP引腳控制驅(qū)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為橋A的兩個輸出端，(這里接帕爾貼的兩個輸入端)，并且在AOUT端串聯(lián)一個0.1歐姆的電阻和1uH的電感來模擬直流電機負載;VREFO為參考電壓的輸出;AVREF和 BVREF通過滑動變阻器改變輸入的電壓，結(jié)合AISEN端的電阻設(shè)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，這里可以控制帕爾貼的加熱或制冷;nFAULT引腳在芯片正常工作時輸出高電平，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作狀態(tài);VM輸入5 V電壓供電。
三、模糊PID溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)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為基礎(chǔ)的控制，它是模糊數(shù)學(xué)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，是一種非線性智能控制。
本文在常規(guī)PID基礎(chǔ)上，以溫度反饋值與目標值的誤差e和誤差變化率ec作為輸入，一方面送入模糊控制器用模糊推理的方法計算PID參數(shù)的調(diào)整系數(shù)，進行在線自整定，以滿足不同e和ec對控制器參數(shù)的不同要求。
溫度控制的軟件設(shè)計主要包含3個部分：系統(tǒng)的初始化，模糊PID的計算，驅(qū)動電路的控制。
其中系統(tǒng)初始化包含STM32系統(tǒng)時鐘的初始化，I/O口的初始化，數(shù)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(guī)則表然后去模糊化算出Kp、Ki、Kd的當前值。PID控制輸出的控制量是STM32定時器的計數(shù)值以控制 PWM輸出的占空比，PWM輸出連接到帕爾貼驅(qū)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(fā)熱量。
3.2 模糊劃分及模糊化
設(shè)溫度偏差e的基本論域為[-30℃，+30℃]，溫度偏差變化率ec的基本論域為[-12，+12]，輸出u的基本論域為 [-0.4，+0.4]，e、ec和u的語言變量E、EC和U，均劃分為7個變量等級(NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB)，各個變量的模糊論域范圍為：
{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}。
對于模糊控制器而言，溫度偏差及其變化率都是精確輸入量，為了對確定的精確量進行模糊化，必須把它們轉(zhuǎn)換成模糊集合的隸屬函數(shù)。由于三角形函數(shù)計算較簡單、性能較好，輸入/輸出變量的隸屬度函數(shù)都采用三角形分布。
3.3 模糊控制規(guī)則
確定模糊控制規(guī)則的原則必須是系統(tǒng)輸出響應(yīng)的動、靜態(tài)特性達到最佳。當誤差大或較大時，選擇控制量以盡快消除誤差為主;而當誤差較小時，選擇控制量要注意防止超調(diào)，以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主要出發(fā)點。
3.4 simulink的仿真對比
采用模糊自適應(yīng)PID控制與常規(guī)PID控制作對比，體現(xiàn)出模糊自適應(yīng)在溫度控制方面的優(yōu)越性。帕爾貼加熱散熱片可以看成是一個具有時滯特性的一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為：
其中k取4，τ取500，延時部分在simulink中串聯(lián)一個Transport Delay模塊，延時時間取3 s。
上半部分為模糊自適應(yīng)PID控制，輸入的信號通過迷糊控制器算出Kp、Ki、Kd的修正值，然后加上Kp、Ki、Kd的經(jīng)驗值來對傳遞函數(shù)起作用。下面半部分就為普通的PID控制。通過虛擬的示波器觀察兩種控制方法的控制效果。
紅色曲線為普通PID控制的輸出曲線，黃色曲線為模糊自適應(yīng)PID控制的輸出曲線，通過對比可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的PID控制存在嚴重的超調(diào)，并在預(yù)期值上下震蕩，調(diào)整時間長。模糊自適應(yīng)PID控制很好的解決了這個問題，以最快的時間最小的超調(diào)達到系統(tǒng)穩(wěn)定。
四、結(jié)束語
本次實驗采用了常用的直流電機驅(qū)動器通過適當調(diào)整電路運用到半導(dǎo)體制冷器件上，電路簡單成本也較低。軟件設(shè)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，實驗基于STM32控制器充分利用其固件庫函數(shù)大大減少了開發(fā)周期，提高了效率。此系統(tǒng)可以運用在醫(yī)療設(shè)備、家用小電器等一些用到溫度控制的場合中，具有一定代表性。
