面向電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》實(shí)踐探討

宋春偉 李剛 何金龍 孫冠群 王玉華

摘?要：以微控制及外圍電路實(shí)現(xiàn)電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽電源類項(xiàng)目是“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”課程的典型應(yīng)用。為了提升設(shè)計(jì)電源裝置的自由度與通用性，本文以模塊化設(shè)計(jì)思想作為指導(dǎo)，詳細(xì)介紹了仿真、硬件、程序與實(shí)施步驟。本文面向電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》實(shí)踐探討旨在提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)提高自身的自主創(chuàng)新實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)控制技術(shù)；電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽；模塊化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G642??文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Discussion?on?the?Practice?of?Computer?Control?Technology

for?Electronic?Design?Competition

Song?Chunwei?Li?Gang?He?Jinlong?Sun?Guanqun?Wang?Yuhua

College?of?Modern?Science?and?Technology，China?Jiliang?University?ZhejiangYiwu?322002

Abstract：It?is?a?typical?application?of?the?course?"Computer?Control?Technology"?to?realize?the?power?supply?project?of?the?electronic?design?competition?with?micro?control?and?peripheral?circuits.In?order?to?improve?the?degree?of?freedom?and?universality?of?the?design?of?the?power?supply?device，this?paper?introduces?the?simulation，hardware，program?and?implementation?steps?in?detail?under?the?guidance?of?the?modular?design?idea.This?paper?discusses?the?practice?of?computer?control?technology?for?electronic?design?competition，which?aims?to?enhance?students'?interest?in?learning?and?improve?their?ability?of?independent?innovation?and?practice.

Keywords：Computer?control?technology；Electronic?Design?Competition；Modular?design

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)是本科院校電氣信息類專業(yè)的一門專業(yè)課，該課程理論性較強(qiáng)、綜合性較高［12］?！坝?jì)算機(jī)控制技術(shù)”課程在教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)學(xué)生接受知識(shí)點(diǎn)積極性不高的原因很大程度上是由于對(duì)課程實(shí)用性懷疑。電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽電源類項(xiàng)目如DCDC變換器、并網(wǎng)逆變器、不間斷電源等可選擇的主控制器有專用PWM控制器與微控制器兩種。當(dāng)采用專用PWM控制器方案時(shí)由于其限制條件多且嚴(yán)格可實(shí)現(xiàn)功能單一往往不能很好地完成競(jìng)賽項(xiàng)目。而采用微控制器方案能夠很好地完成競(jìng)賽項(xiàng)目中要求的細(xì)節(jié)功能。數(shù)字控制型電源裝置是“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”極為典型的應(yīng)用場(chǎng)合。電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽與“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”課程的結(jié)合有望對(duì)教師的授課效果與學(xué)生的接受知識(shí)效果得到很大的改善。下面從仿真驗(yàn)證、硬件設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)與具體實(shí)施步驟四方面詳細(xì)介紹如何將電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽融入“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”課程實(shí)踐中。

1?仿真驗(yàn)證

電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽電源類項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵是其主電路結(jié)構(gòu)與控制方案設(shè)計(jì)的合理性。如果直接搭建硬件樣機(jī)后編寫控制程序進(jìn)行調(diào)試其成功概率很低，保穩(wěn)的做法是首先可在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下驗(yàn)證所設(shè)計(jì)軟硬件方案的可行性［3］。借助仿真手段可以避免線路雜散電感與電容、采樣環(huán)節(jié)引入的控制誤差、功率開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路的可靠性等次要矛盾。計(jì)算機(jī)控制與模擬控制的本質(zhì)區(qū)別是具有實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，即在一定的時(shí)間內(nèi)完成信號(hào)的輸入、處理與輸出［4］。為使仿真環(huán)境下的控制效果盡可能接近實(shí)際控制效果，搭建的數(shù)字型電源裝置其控制需體現(xiàn)實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)。根據(jù)實(shí)時(shí)性的要求，最終控制量的輸出需延時(shí)一個(gè)開關(guān)周期且在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)保持不變。利用Matlab/Simulink中的觸發(fā)模塊將延時(shí)一個(gè)開關(guān)周期的控制器輸出量保持更新周期為開關(guān)周期。

2?硬件設(shè)計(jì)

電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽電源類項(xiàng)目涉及《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》硬件部分的知識(shí)點(diǎn)有：模擬量輸入通道、數(shù)字量輸出通道、微控制器及外圍電路、人機(jī)交互等。為了能讓學(xué)生經(jīng)《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》實(shí)踐后能快速切入而后的電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽，我們把電源裝置切割成多個(gè)功能子模塊，學(xué)生根據(jù)任務(wù)要求選取需要的子模塊。功能子模塊與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)各部分的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

如圖1所示，選取的功能子模塊電路板通過(guò)塑料柱子固定在底座板上，底座板可選的規(guī)格有30cm×30cm、40cm×40cm與50cm×50cm，底座板上布滿間隔2cm的圓孔，各功能子模塊電路四個(gè)固定圓孔的間距都為2cm的整數(shù)倍。

3?程序設(shè)計(jì)

數(shù)字型電源裝置中微控制程序需完成信號(hào)讀入、信號(hào)處理與信號(hào)輸出。信號(hào)讀入包含給定量的讀取以及經(jīng)AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的數(shù)字反饋量的讀取，給定量的設(shè)定方式具體有直接在程序中設(shè)定、人機(jī)交互設(shè)備輸入與模擬電壓經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后輸入。為簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)AD轉(zhuǎn)換器可采用微控制器內(nèi)部AD，信號(hào)處理的核心任務(wù)是數(shù)字控制器控制量的計(jì)算，控制器采用數(shù)字PID［56］。由于電源裝置非線性因素的存在，很難準(zhǔn)確地對(duì)實(shí)際系統(tǒng)建模，因此理論上整定的PID參數(shù)也不一定很合理。較簡(jiǎn)單的做法是首先選取仿真模型中的PID參數(shù)，然后在此參數(shù)附近選取多組參數(shù)，經(jīng)多次調(diào)試選取合理的PID參數(shù)，這種做法對(duì)于理論功底較弱的學(xué)生來(lái)說(shuō)很合適，信號(hào)的輸出主要是數(shù)字控制信號(hào)的輸出。整個(gè)控制過(guò)程如圖2所示，設(shè)置定時(shí)器為增減模式，定時(shí)器周期到來(lái)時(shí)啟動(dòng)AD，AD轉(zhuǎn)換結(jié)束程序轉(zhuǎn)入AD中斷子程序，在AD中斷子程序中讀取采樣反饋值與外部人機(jī)設(shè)備給定設(shè)定值，而后由數(shù)字PID計(jì)算出控制量，在下一個(gè)周期值到來(lái)時(shí)刻將控制量裝載比較器獲得PWM波或是數(shù)字控制量。

為使學(xué)生能夠容易掌握，按由易到難的原則，將整個(gè)控制程序分解為若干個(gè)功能子程序?？刂七^(guò)程與功能子程序的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。所有功能子程序都理解掌握后，學(xué)生按實(shí)際情況選取所需子程序后拼接成完整程序進(jìn)行調(diào)試。

4?具體實(shí)施步驟

在具體實(shí)踐之前需讓學(xué)生回顧一下計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)以及各部分的功能。尤其是數(shù)字控制器區(qū)別于看得見(jiàn)摸得著的模擬控制器，讓學(xué)生掌握如何通過(guò)數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)獲得關(guān)于誤差輸入和控制量輸出的差分方程，然后根據(jù)差分方程編寫實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制器的程序代碼。選擇控制量是直流信號(hào)的DCDC變換器以及控制量是交流信號(hào)的逆變器這兩個(gè)最為典型的電源裝置作為課程實(shí)踐內(nèi)容。確定電源裝置輸入輸出設(shè)計(jì)參數(shù)后，在Matlab/Simulink中搭建仿真模型。對(duì)提出的數(shù)字控制方案進(jìn)行仿真驗(yàn)證后，進(jìn)入實(shí)際的樣機(jī)搭建。選擇所需的硬件子模塊，統(tǒng)計(jì)并購(gòu)買元器件，硬件子模塊焊接完成后進(jìn)行拼接。硬件樣機(jī)搭建完成后進(jìn)入程序的編寫調(diào)試。整個(gè)課程實(shí)踐完成后選取電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽往年試題中的電源類項(xiàng)目，若能完成則說(shuō)明真正掌握了如何設(shè)計(jì)數(shù)字控制系統(tǒng)。整個(gè)具體實(shí)施步驟簡(jiǎn)化流程如圖3所示。

結(jié)語(yǔ)

面向電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程實(shí)踐的初衷是將學(xué)生的發(fā)展前途與課程學(xué)習(xí)相結(jié)合，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣與動(dòng)力，達(dá)到提高學(xué)生獨(dú)立實(shí)踐能力與教師授課效果的雙贏。本文詳細(xì)分析了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與數(shù)字型電源裝置各部分的對(duì)應(yīng)關(guān)系。并且在模塊化分解與整合的思想指導(dǎo)下，闡述了仿真驗(yàn)證、硬件設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)與具體實(shí)施步驟的內(nèi)容與相互之間的關(guān)系。

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基金項(xiàng)目：中國(guó)計(jì)量大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院教改項(xiàng)目“《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》課程實(shí)踐教學(xué)探討”；中國(guó)計(jì)量大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院重點(diǎn)專業(yè)校級(jí)培育項(xiàng)目“電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)建設(shè)研究”；浙江省高校領(lǐng)軍人才培養(yǎng)計(jì)劃；浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（LY22E070008）

作者簡(jiǎn)介：宋春偉（1987—?），男，漢族，浙江嘉興人，博士，講師，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)與科研。