計(jì)算機(jī)控制的帆板控制系統(tǒng)

周成虎，李娜，王克福

（河南工程學(xué)院 電氣信息工程系，河南 鄭州 451191）

0 引言

在礦井通風(fēng)系統(tǒng)中，礦井風(fēng)機(jī)的排風(fēng)量往往受到多種環(huán)境條件影響而難以實(shí)時(shí)監(jiān)測，比如自然風(fēng)向風(fēng)機(jī)的排風(fēng)口吹來時(shí)，排風(fēng)量會(huì)減少。

為了準(zhǔn)確控制排風(fēng)量，確保井下安全，根據(jù)某煤礦要求，設(shè)計(jì)并制作一個(gè)帆板控制系統(tǒng)模擬裝置，通過對風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制，調(diào)節(jié)風(fēng)力大小，改變帆板轉(zhuǎn)角θ。帆板控制系統(tǒng)示意圖如圖 1所示。模擬裝置中的風(fēng)機(jī)暫以12 V直流風(fēng)機(jī)為控制對象，在實(shí)際的排風(fēng)口中，帆板僅用于檢測風(fēng)量，制作的比較小，耗電量小于0.2 W。

1 系統(tǒng)工作原理分析

該系統(tǒng)主要由風(fēng)扇帆板及角度測量模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊、上位機(jī)（電腦）、鍵盤顯示模塊和單片機(jī)最小系統(tǒng)組成。電路原理框圖見圖2。其中帆板的頂端安裝在固定軸上，由角度傳感器測量得到當(dāng)前的角度值，獨(dú)立鍵盤電路可以設(shè)定角度，單片機(jī)根據(jù)設(shè)定的角度值對PWM的占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制LM298輸出功率，改變風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。通過對風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制，調(diào)節(jié)風(fēng)力大小，改變帆板的旋轉(zhuǎn)角θ。采用高精度角度傳感器實(shí)時(shí)檢測帆板偏轉(zhuǎn)角度，將偏轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號(hào)。單片機(jī)通過內(nèi)部集成的10位ADC對角度電壓信號(hào)采樣、數(shù)字濾波處理，并與設(shè)定角度進(jìn)行比較，根據(jù)角度偏差信號(hào)大小不同，采用模糊數(shù)字PID算法調(diào)節(jié)PWM的占空比，控制LM298輸出功率，改變風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。

圖1 帆板控制系統(tǒng)示意圖

風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖3所示。風(fēng)扇采用15 V電源供電， 單 片 機(jī)MEG16控制電路產(chǎn)生PWM控制脈沖，控制L298的輸出功率，從而達(dá)到控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。由于L298N自身有2 V壓降，因而風(fēng)扇電源電壓并沒有超過其額定電壓。

單片機(jī)控制電路圖如圖4所示。選擇ATMEL公司的低功耗單片機(jī)ATMEGA16作系統(tǒng)主控電路。

將角度傳感器固定在帆板的轉(zhuǎn)動(dòng)軸位置，其精度為0.1°，型號(hào)為WDD35D4。角度傳感器實(shí)時(shí)檢測帆板旋轉(zhuǎn)角度，將旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，輸入到單片機(jī)的A/D引腳。由OC1A引腳輸出PWM控制信號(hào)，由LCD1602顯示旋轉(zhuǎn)角度和占空比。

圖2 電路原理框圖

圖3 風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路原理圖

PC0～PC4為4位數(shù)據(jù)輸出端，將控制信號(hào)以并行方式輸出到LCD1602。

2 控制算法與程序設(shè)計(jì)

控制算法主要包含角度測量算法［1］與控制偏轉(zhuǎn)角度算法兩個(gè)方面。

獲取的角度數(shù)字信號(hào)用調(diào)零算法和數(shù)字濾波算法得到可靠的值，由單片機(jī)自動(dòng)檢測并存儲(chǔ)復(fù)位角度值并定義為0度，將以后每次測定的值減去初始值可得到準(zhǔn)確的偏轉(zhuǎn)角度［2］。

在角度測量信號(hào)的采集過程中，用數(shù)字濾波算法來克服低頻振動(dòng)現(xiàn)象以提高精確度。數(shù)字濾波算法的大致思路是:一次采集一定數(shù)量的角度值，去掉最大、最小值，取平均值。這樣可以避免因?yàn)殡娢黄饔|點(diǎn)抖動(dòng)、固定板抖動(dòng)造成的信號(hào)電壓突變。實(shí)際程序中由單片機(jī)的A/D對角度值采樣16次，相鄰4次為一組，去除最高、最低值，然后取平均值，這樣得到4個(gè)數(shù)據(jù);最后對這4個(gè)數(shù)據(jù)再去除最高、最低值，然后取平均值得到穩(wěn)定的角度值。

角度計(jì)算采用下述方法:在角度傳感器的電源端加上5V的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)帆板轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)帶動(dòng)角度傳感器的轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，角度傳感器輸出的電壓信號(hào)就會(huì)隨之變化，單片機(jī)實(shí)時(shí)檢測角度傳感器的輸出電壓，由于當(dāng)角度傳感器兩端加5 V電壓時(shí)，每一度對應(yīng)的電壓將是360°/5 V，可以通過如下公式實(shí)現(xiàn)角度的計(jì)算，

其中X是當(dāng)前的帆板角度，V是當(dāng)前角度傳感器的輸出電壓。

圖5 改進(jìn)的PID算法原理示意圖

圖6 程序流程圖

在單片機(jī)接到角度調(diào)節(jié)命令后，采用改進(jìn)的數(shù)字PID算 法［3－6］加速控制目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，這是一種變速調(diào)節(jié)的辦法。在調(diào)節(jié)的過程中，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對當(dāng)前角度與需要調(diào)節(jié)的角度進(jìn)行對比，當(dāng)計(jì)算出角度差值之后，調(diào)用預(yù)存信息，計(jì)算風(fēng)扇可以全速運(yùn)行（或關(guān)閉）的時(shí)間，風(fēng)扇先全速運(yùn)行（或關(guān)閉），在接近于設(shè)定值的時(shí)候，采用變速調(diào)節(jié)的辦法逐步達(dá)到設(shè)定的角度值。其原理示意圖見圖5。變速調(diào)節(jié)是單片機(jī)根據(jù)差值大小，每次步進(jìn)增減不同的PWM值，當(dāng)帆板的角度接近目標(biāo)時(shí)，步進(jìn)增減的PWM值最小。用這個(gè)PWM信號(hào)控制專用電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊LM298。由電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊直接驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

主程序和中斷子程序流程圖如圖6所示。

圖7 電腦顯示上位機(jī)軟件運(yùn)行狀態(tài)

上位機(jī)控制軟件可以實(shí)時(shí)顯示帆板角度。如圖7所示。上位機(jī)軟件“帆板控制臺(tái)”可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前狀態(tài)、當(dāng)前角度、當(dāng)前角度設(shè)定值、當(dāng)前占空比、轉(zhuǎn)速信息。其中上位機(jī)與MEGA16的通訊方式為USB轉(zhuǎn)RS－485模式，這種模式便于實(shí)現(xiàn)多個(gè)風(fēng)機(jī)集中遠(yuǎn)程控制。其編譯工具為VC，使用開源的Serial port類。

電路具有測速功能，在風(fēng)扇轉(zhuǎn)軸上吸附1個(gè)磁柱，并將1個(gè)霍爾應(yīng)變片固定在風(fēng)扇支架上，當(dāng)磁柱轉(zhuǎn)動(dòng)到與霍爾應(yīng)變片相對時(shí)，霍爾應(yīng)變片信號(hào)端輸出大約2 V的脈沖，輸入到單片機(jī)的PD3（INT0）引腳，單片機(jī)采用外部中斷計(jì)數(shù)方式檢測轉(zhuǎn)速。

3 測試結(jié)果與分析

在電路中，采用MEG16單片機(jī)控制電路產(chǎn)生PWM控制脈沖，風(fēng)扇電壓為12 V。

表1為顯示器顯示的單片機(jī)的PWM占空比輸出結(jié)果。

表1 單片機(jī)的PWM輸出端占空比測試結(jié)果

根據(jù)測試數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論:

帆板轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，能夠數(shù)字顯示帆板的轉(zhuǎn)角 θ。顯示范圍為－60°～120°，分辨力為 0.1°，絕對誤差≤2°。當(dāng)間距d=10 cm時(shí)，通過操作鍵盤控制風(fēng)力大小，使帆板轉(zhuǎn)角θ能夠在0～78°范圍內(nèi)變化，能在電腦上和LCD顯示器實(shí)時(shí)顯示θ值?？刂七^程在2秒內(nèi)完成，實(shí)時(shí)顯示θ，并由聲光提示。最大誤差的絕對值不超過3°。電路具有測速功能，在電腦上編寫的上位機(jī)控制軟件可以實(shí)時(shí)顯示帆板角度。

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)并制作了一種用于礦井通風(fēng)機(jī)風(fēng)道的帆板控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠智能檢測與控制礦井風(fēng)機(jī)的排風(fēng)量，且可由電腦遠(yuǎn)程控制。眾所周知，風(fēng)機(jī)的排風(fēng)量受到外部風(fēng)向、風(fēng)道暢通程度影響，而通過帆板偏轉(zhuǎn)角度測試可以準(zhǔn)確檢測礦井的排風(fēng)量。為了保證測量和控制的準(zhǔn)確性，采用了數(shù)字濾波算法和改進(jìn)的PID積分算法。電腦可實(shí)時(shí)顯示并控制帆板角度和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。實(shí)驗(yàn)證明其控制速度快、超調(diào)量小、穩(wěn)定性好。

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