阀控伺服系统驱动及控制设计

2024-04-13 来源：好走旅游网

山东科技大学

课程设计

题目阀控伺服系统驱动及控制设计

学院名称信息与电气工程学院

专业班级电气工程及其自动化（定单）08级2班学生姓名郝天坤学号 200801101412 指导教师

摘要

阀控伺服系统凭借其经济型、实用性等诸多优点，已成为现代控制手段的重要分支，在军用、民用和工业等几乎所有机械行业中得到了广泛的应用，成为衡量一个国家工业水平的重要指标。随着嵌入式技术的引进，阀控制朝着数字化、智能化与网络化的趋势发展。

论文以电磁阀的驱动控制为研究对象，在综合分析了涉及的相关技术以后，对这一领域进行了深入的研究。论文在对阀控伺服系统进行了系统研究并总结的基础上，分析了电磁阀的关键性技术，集中进行了单片机、驱动电路及PWM输出的研究。在单片机的设计中，选用了ATMEGA8L单片机并确定了单片机电源电路与单片机控制程序；在驱动电路设计上，设计了一个以IGBT为主要器件的功率放大电路。

关键字：阀控伺服系统、电磁阀、 PWM、 IGBT、 ATMEGA8L

1 绪论 ................................................................................................................................ 5

1.1近代液压伺服系统概述 .................................................................................. 5 1.2国内外发展状况 ................................................................................................ 6 1.3本课题主要研究工作 ..................................................................................... 13 1.4本章小结 ............................................................................................................ 13

2 阀控伺服系统驱动控制的总体原理 ......................................................... 14

2.1阀控伺服系统驱动控制总体框图 .............................................................. 14 2.2阀控伺服系统驱动控制各部分工作原理 ................................................ 15 2.3本章小结 ............................................................................................................ 21

3 系统硬件设计......................................................................................................... 23

3.1硬件设计流程图 .............................................................................................. 23 3.2硬件电路器件选择 ......................................................................................... 23 3.3 硬件电路图 ...................................................................................................... 24 3．4本章小结 ......................................................................................................... 29

4 系统软件设计......................................................................................................... 30

4.1主程序流图 ....................................................................................................... 30 4.2 A/D采样 ............................................................................................................ 30 4.3PWM控制 .............................................................................................................. 33 4.4本章小结 ............................................................................................................ 36

5 全文总结与展望 ................................................................................................... 37

5.1全文总结 ............................................................................................................ 37 5.2 展望.................................................................................................................... 39

参考文献 ........................................................................................................................ 39 致谢 ................................................................................................................................... 40 附录 ................................................................................................................................... 41

英文文献.................................................................................................................... 42 中文翻译.................................................................................................................... 50

阀控伺服系统驱动控制的总体原理上次保存者：Chinese User

1 绪论

1.1近代液压伺服系统概述

液压伺服控制系统的经典控制理论50年代初由美国麻省理工学院开始研究，到60年代初构成了其基本类型。经典控制理论采用基于工作点附近的增量线性化模型来对系统进行分析与综合，设计过程主要在频域中进行，控制器的形式主要为迟后/超前网络和PID控制等。目前，液压伺服系统的经典控制理论已经成熟。对于一些频宽不太高（50HZ以下）、参数变化和外干扰不太大的液压伺服系统，采用经典方法进行设计已经能够满足工程需要。

近年来，随着机械工作精度、响应速度和自动化程度的提高，对液压控制技术提出了越来越高的要求，液压控制技术也从传统的机械、操纵和助力装置等应用场合开始向航空航天、海底作业和车辆与工程机械等领域（如模拟加载装置、发动机然料进给控制与转速控制、车辆主动悬挂装置、车轮防抱死制动系统和机器人电液伺服系统等）扩展。在这种情况下，仅采用液压控制技术已难以满足上述应用场合提出的要求，机、电、液一体化技术正是在这种背景下产生的。70年代末至80年代初逐渐完善和普及的计算机控制技术和集成传感技术为电子技术和液压技术的结合奠定了基础。计算机控制在液压控制系统中的应用大大地提高了控制精度和工作可靠性，使得以往难于用模拟控制实现的复杂控制策略的实现成为可能。为了便于使微机和电液控制系统进行接口，近年来除继续采用

阀控伺服系统驱动控制的总体原理上次保存者：Chinese User

传统的电液伺服阀和比例阀作为电液转换与放大元件外， 80年代初还出现了采用高速开关阀和步进电机拖动的数字阀的脉宽调制PWM型电液伺服系统和数字增量控制IDC型电液伺服系统。上述电液伺服系统与在传统的工业场合中应用的电液伺服系统相比具有明显的不同之处，主要表现在：（1）环境和任务复杂，普遍存在较大程度的参数变化和外负载干扰（有时甚至还存在多对象间的交叉干扰）；（2）电液转换元件不同，采用了各种型式的数字阀，省去了D/A转换装置；（3）控制策略变为以近代控制方法、智能控制方法和鲁棒控制方法为主，控制器由以模拟实现为主变为以数字控制和微机控制实现为主。凡是具备上述特征之一的电液伺服系统称为近代电液伺服系统。

本课题所研究的阀控伺服系统为液压伺服系统的一种。运用单片机控制，输出PWM信号，经过功率放大电路输出两路电流信号分别传送到电磁阀的两片电磁铁上，控制电磁阀动作，到执行机构，完成整个前向通路；在执行机构中，使用位置传感器获得动作信号，经A/D转换，反馈到控制机构，完成反馈回路。

1.2国内外发展状况

1.2.1电液比例技术发展概述

早期出现的传统的电液开关阀，由于不能满足高质量的控制系统的要求，于是在1940年底首次在飞机上出现了电液伺服系统。经过20多年的发展，电液伺服控制技术逐渐成熟，但电液伺服阀对液体介质要求苛刻以及制造成本和维护费用比较高，难以被一般工业用户所接受。因此，在20世纪60年代末，即比例技术的诞生时期，出现了一种在传统工业用液

阀控伺服系统驱动控制的总体原理上次保存者：Chinese User

压阀基础上改进的，在可靠性，成本上，控制精度和频响都能满足一般工程技术要求的早期比例阀，电液比例控制技术应运而生，并迅速发展起来。此时的电液比例控制刚起步，其性能还是比较差的，频响在1SHz稳态滞环介于4%-7%，主要用于开环。同时，在高性能伺服阀上经过增加电一机转换器的功率，适当简化伺服阀的结构以及着重改善阀抗污染性能和降低制造成本后的工业伺服阀问世，工业伺服控制技术也随之发展起来。

在1975年到1980年期间，即比例技术的发展进入了第二阶段，大量的比例元件采用内反馈，比例控制器和耐高压比例电磁铁在技术上也逐渐成熟，频响达到了5-15Hz，稳态滞环也降至了3%左右，应用也越来越广泛，不仅应用于开环控制，还应用于闭环控制。

到了20世纪80年代，进入了比例技术发展的第三阶段。在这一阶段的最大进展是比例技术开始和插装阀相结合，形成了80年代的电液比例插装技术。同时，由于电子元件和传感器的小型化，出现了电液一体化的比例技术，形成了80年代的集成化电液比例技术。此时，比例阀的稳态和动态性能都与工业伺服阀相当。

20世纪90年代至今，在这一阶段，电液比例技术得到进一步完善。推出了伺服比例阀，解决了闭环控制死区的问题，其价格和性能介于普通比例阀和伺服阀之间。同时，比例元件与计算机技术相结合，产生了数字式比例元件及其控制系统。 1.2.2电磁阀的发展

电磁阀里有密闭的腔，在不同位置开有通孔，每个孔都通向不同的油管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来挡住或漏出不同的排油的孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油

阀控伺服系统驱动控制的总体原理上次保存者：Chinese User

的压力来推动油缸的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞杆带动机械装置动。这样通过控制电磁铁的电流通断就控制了机械运动。 1.2.2.1精简化方向的发展

至精必至简，唯有简单的才能长久流。这也是科学家和工程师的永久追求。 (1)简化控制回路

以往的执行器大量采用气动和电动的控制回路，这增加了系统的复杂性，而先导型电磁阀则在阀内形成利用工作介质自身的控制回路，结构甚为简单。过去国内外电磁阀多项技术参数还受限制，现在国内电磁阀通径已扩展至30Omm；介质温度低至—200 ℃，高至450 ℃；工作压力从真空到25MPa。动作时间从十几秒到几毫秒。这些技术的新发展已完全可以取代原有体积庞大价格昂贵的两位控制的快速切断阀和气动开关阀，电动开关阀，也能部分取代连续调节的气动、电动调节阀。国外的纺织、轻工、城建等行业已大量改用电磁阀，而冶金、化工等行业则率先在辅助系统中使用越来越多的电磁阀。（2）简化管路系统

自动控制阀工作时在管路上还须配用一些辅助阀门和管件。自动控制阀的前面需加装过滤器。多个自控阀联合使用还常需安装单向阀以防管道之间的干扰。现在，单向电磁阀、组合电磁阀和带过滤的电磁阀都已在简化管路方面发挥了作用。（3）简化阀门结构和工艺

电磁阀属于原理和结构都简单的自动控制阀，但还要进一步简

化。

阀控伺服系统驱动控制的总体原理上次保存者：Chinese User

家电行业洗衣机、电冰箱所配的电磁阀，其零部件的结构和工艺都适合于大批量生产。普通电磁阀线圈部件已采用塑料封装，减少引出线断裂的故障，同时易实现防水、防爆等防护要求。阀体、阀盖等部件都已采用精密铸造，锻造等工艺，工程塑料电磁阀也已批量上市。国内防爆电磁阀已不只是隔爆型，还有浇封型、本安型。高压和高温的电磁阀也出现了简化了结构和工艺。 1.2.2.2智能化方向上的发展

这主要是指电磁阀如何与智能仪表更好配合，去提高系统的控制精度和可靠性。

一般认为位式调节难以达到很高精度，然而在好多场合采用恰当的方式却可以达到所需的相当高精度，而大大节省了成本。（1）双联组合电磁阔。

这是一种不同大小的电磁阀组合在一起。

双联组合阀还常用来控制温度、压力、液位等参数。大阀保证基础量，小阀提供补偿量。在参数相对稳定的系统中，这种位式控制能达相当高精度。好些参数变化较大的系统，变化的速率仍受一定制约，例如温度控制系统，仍受热惯性的影响。所以运用得当的双联组合阀在满足控制要求的前提下相对于调节阀能大幅降低成本。

（2）三位电磁阀与数字阀

三位电磁阀的阀芯有三个工作位置，平时不通电，处于微启状态，阀门提供初始流量；给一种电信号，电磁阀全开，提供大流量；给另种电信号，阀门关阀。阀门还带有手动装置，使得长期关阀时也不需耗电。三位电磁阀可视为一种结构更为紧凑的双联电磁阀，它很方便地实现三位调节，得到了很多应用。

阀控伺服系统驱动控制的总体原理上次保存者：Chinese User

进一步的思路是n个大小成一定比例的电磁阀组成2n种流量，类似于数字电路称这种组合阀为数字阀。实际上两个大小不同的双联阀或三位阀就可产生24=16或32=9种流量，已经能达非常高的精度。从原理上说，它与工控计算机配套具有优势，但由于应用领域还没有提出大量的需求，这项技术尚处于试验阶段。

(3)自保持型电磁阔

自保持型电磁阀就是只需瞬间通电即完成阀门开关动作，阀芯位置不需电来保持。它的优点在于节约能源尤其是用电池作电源的场合，而且可不考虑温升，从而线圈寿命长，在高低温、防爆等场合有较高安全性。常见的有机械式保持和永磁体保持，又分双线圈和单线圈，以单线圈磁保持结构最为简单。它是以改变直流电源极性改变对应阀门开关的两种状态。这种电磁阀单独安装线圈外部接线需加转换开关，而与智能仪表配套则十分方便。IC卡预收费煤气表和水表所配的电磁阀是仪表成败的关键之一，其中的自保持技术又是电磁阀的成败的重要因素，国内的自保持电磁已日趋成熟。 1.2.2.3通用化方向上的发展

电磁阀应用十分广泛，而使用时情况却千差万别，增强通用性能降低制造、购销、存贮、安装、维护的成本，近年来这方面迈出了大步。

（1）响应时间可调

给出电信号到阀芯动作完成的时间称为响应时间。不同场合希望开关速度不同，有四种组合：快开快关----用于快速反应系统；快开慢关----用于防止水锤；慢开快关---用于缓启急断；慢开慢关一一

阀控伺服系统驱动控制的总体原理上次保存者：Chinese User

用于平稳过渡。ZDF 多功能电磁阀可方使地调整于任一状态，应用十分灵活。

（2）扩展介质适用范固。

电磁阀与其它自控阀不同在于介质粘度适用范围较窄，所以空气、水、蒸汽、油等介质对于先导型电磁阀其结构参数是不同的，一般地说是不能通用的。而ZDF多功能电磁阀只用一颗小螺钉，却做到了气、水、油的通用，而且还使油的粘度适用范围大大加宽，深受欢迎。

（3）开度可调与于动兼窑

电磁阀在使用时常常还希望它兼具手动功能，作为停电或故障时备用。

一般手动装置只能手动开阀或手动关阀，二者齐备的称完全手动。手动装置还能对阀门开度进行预置，一般手动只能对阀的最大或最小开度进行预置，而完全手动能分别对最大或最小开度进行预置。ZDF多功能电磁阀属完全手动类。其它型号电磁阀根据需要可带简单的一般手动装置。

1.2.2.4专用化方向上的发展

近年来电磁阀的销量已超过了调节阀，主要是各种专用电磁阀的需求量剧增。下面按介质类别分别予以介绍：（1）燃气电磁阀

由于我国燃料结构的调整，气体燃料的比重不断上升，燃气电磁阀需求也不断增长。燃气有天然气、工业煤气、城市煤气、液化石油气等好多种，所含杂质及腐蚀情况各异，对阀的要求也不一样。而且，

阀控伺服系统驱动控制的总体原理上次保存者：Chinese User

压力等级差别很大，压缩天燃气高达 21～25Mpa，而燃气具压力又低至2Kpa。 (2)蒸范电磁阔

蒸汽电磁阀首先要解决耐高温的难题，其密封材料，导电和导

磁材料都要特别选择。蒸汽管道的锈蚀比较厉害，须认真对待。更重要的是在工厂下班后蒸汽管道里有很多冷凝水，电磁阀需要在气态和液态流体通过时都能可靠动作，其出厂检验有多道严格程序。（3）水用电磁阔

水用电磁阀总被认为是最简单的，实则水就分为自来水、工业纯水、工业废水、灌溉水、海水等多种类别，其腐蚀性能，洁净程度各异，应分别选用不同的电磁阀。自来水阀虽然最普通，但用途不同对阀门的性能要求却不一样。

例如，消防用电磁阀，动作可靠性至关重要，万一失灵后果不堪设想。即使普通手动阀门长期不启闭，也很难快速打开。近年高层建筑如雨后春笋，我国消防电磁阀技术也随之成熟。

又如，自来水厂需将电磁阀用于倒虹吸管路，这种电磁阀但要在压力状态，还要在真空状态下可靠工作，绝不能有内漏，而且在水的洁净度不高的状况下，仍应动作灵活。（4）油用电磁阔

油品种类繁多，密封件技术是关键之一。耐油橡胶只是类别名称，不同的油甚至同种油所含杂质不同就需选不同的耐油橡胶。例如，能耐有铅汽油就不一定耐无铅汽油。近年来随专用电磁阀销量的增多，专用耐油橡胶的寿命也不断提高。

油品的粘度差异很大，须选用不同结构的电磁阀。

阀控伺服系统驱动控制的总体原理上次保存者：Chinese User

高粘度的油还常在高温的状态下流通，所以电磁阀还随之要解决耐高温的问题。对于燃油还需满足防爆要求。（5）空调用电磁阔

空调分制热和制冷。制冷剂近年发生明显变化，氨和氟里昂逐步减少，而溴化锂等新型制冷剂在逐步增多，相关的密封、腐蚀、寿命等问题都要求认真地选材，合理的设计和先进的工艺。值得一提的是空调主要靠调节风量来控制温湿度，阀门流量的连续调节并不完全必要。现在无阀的空调系统也在用，但出现凝露滴水等毛病而受谴责。因此结构简单，价格低廉的电磁阀是最住选择。因受国外传统的影响，结构复杂、力矩较难控制的电动阀国内仍在大量选用。

1.3本课题主要研究工作

（1）分析电磁阀的工作原理。

（2）设计单片机闭环系统的原理及结构，选择单片机、驱动元件、反馈元件、及计算相关参数。

（3）设计基于ATMEGA8L单片机控制系统的硬件电路。（4）编写单片机程序。

1.4本章小结

本章主要先介绍了伺服系统以及近现代国内外发展趋势发展方向，接着介绍了电磁阀以及其发展方向。并对本课题的主要研究工作做了一个概述。

阀控伺服系统驱动控制的总体原理上次保存者：Chinese User

2 阀控伺服系统驱动控制的总体原理

2.1阀控伺服系统驱动控制总体框图

本课题所研究的阀控伺服系统驱动控制框图如图一所示，工作流程为首先上位机输入指令，单片机ATMega8L发出控制信号，到PWM输出为方波电压信号，经过功率放大将电压信号转化为两路电流信号，两路电流信号分别输送到电磁阀的两个电磁铁上，从而控制执行机构动作；在执行机构中，通过位置传感器检测动作信号，将检测到的信号经过A/D转换反馈到单片机中，形成整个闭环控制系统。

上位机 ATMEGA8L PWM 功率放大电磁阀 A/D转换位置传感器执行机构图2.1 阀控伺服系统驱动控制总体框图

阀控伺服系统驱动控制的总体原理上次保存者：Chinese User

2.2阀控伺服系统驱动控制各部分工作原理

2.2.1单片机

Atmega8L单片机是一款基于AVR RISC、低功耗CMOS的8位单片机，具有以下特点:8K字节的在线编程/应用编程(ISP/IAP) Flash程序存储器，512字节的EEPROM, 1K字节的SRAM, 32个8位通用工作寄存器，23个通用I/0口，3个带有比较模式灵活的定时器/计数器，18+2个内外中断源，1个可编程的SUART接口，1个8位I /C总线接口，4 (6)通道的10位ADC, 2通道的8位ADC，可编程的看门狗定时器，1个SP接口和5种可通过软件选择的节电模式。 2.2.2脉宽调制（PWM）控制工作原理

本课题所研究的单片机输出信号为PWM方波电压信号。下面简要介绍下PWM信号的工作原理。

所谓脉宽调制(PWM)就是利用频率较高的载波信号对缓变的输入信号进行调制，将其转变成一系列的正脉冲信号(开关信号)，该脉冲信号的幅值恒定，而其正脉冲的宽度与输入信号的幅值成比例。由此可见，经过了脉宽调制，输出信号以一种新的方式反映输入信号的变化规律，即由原来的信号幅值的变化反映信号的变化规律，转变成由正脉冲的宽度来反映信号的变化规律。

阀控伺服系统驱动控制的总体原理上次保存者：Chinese User

图2.2 脉宽调制原理图

图2.2 (a)中，R(t)为输入信号，将该信号与载波信号C(t)进行比较，如果在某一时刻R(t)大于C(t)的值，则使阀开启，否则使阀关闭，从而得到一系列如图2.2 (b)所示的控制指令。将这些控制指令作用到高速开关阀的线圈上，于是在每一个周期T内有TW的时间，阀的通道被打开，有流量Q。通过，时间TW与T之比称之占空比。

本课题中，电控制器的任务即是把输入信号与传感器反馈信号的模拟差值转换成如图2.2(b)所示的数字脉冲信号，脉冲的宽度与输入量成比例，脉冲的频率与幅值不变。将这种脉冲信号加到两位两通电磁阀的电磁铁上，则使开关阀工作于脉宽调制状态。由于存在机械惯性，并且高速开关阀的载波周期(即PWM周期T)一般调的很低，如0. 01 -0. 05s，因此，开关阀控制的先导腔压力不能响应每脉冲的作用，只响应它的平均值，保留平均作用效果。

PWM就是脉冲宽度调制，也就是占空比可变的脉冲波形. PWM控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，

阀控伺服系统驱动控制的总体原理上次保存者：Chinese User

使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。

随着电子技术的发展，出现了多种PWM技术，其中包括：相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、SPWM法、线电压控制PWM等，而在镍氢电池智能充电器中采用的脉宽PWM法，它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。可以通过调整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制充电电流的目的。

尽管模拟控制看起来可能直观而简单，但它并不总是非常经济或可行的。其中一点就是，模拟电路容易随时间漂移，因而难以调节。能够解决这个问题的精密模拟电路可能非常庞大、笨重(如老式的家庭立体声设备)和昂贵。模拟电路还有可能严重发热，其功耗相对于工作元件两端电压与电流的乘积成正比。模拟电路还可能对噪声很敏感，任何扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小。通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。此外，许多微控制器和DSP已经在芯片上包含了PWM控制器，这使数字控制的实现变得更加容易了。

脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候

阀控伺服系统驱动控制的总体原理上次保存者：Chinese User

即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。

多数负载(无论是电感性负载还是电容性负载)需要的调制频率高于10Hz，通常调制频率为1kHz到200kHz之间。

许多微控制器内部都包含有PWM控制器。占空比是接通时间与周期之比；调制频率为周期的倒数。执行PWM操作之前，这种微处理器要求在软件中完成以下工作：

1、设置提供调制方波的片上定时器/计数器的周期 2、在PWM控制寄存器中设置接通时间

3、设置PWM输出的方向，这个输出是一个通用I/O管脚 4、启动定时器 5、使能PWM控制器

现代PWM控制技术，是利用全控型电力半导体开关器件，把恒定直流电压变换为电压脉冲序列，进而对输出电压实现高性能控制的技术。由于采用PWM控制技术可以构成DC/DC逆变电源系统，所以该技术被广泛应用于开关稳压电源、UPS电源、逆变电源及交流/直流电气传动等领域，要提高各类电源的动态性能，一项重要措施就是提高功率开关期间的工作效率，传统的单极式PWM，双击时PWM的输出电压脉冲频率与开关器件的斩波频率相同，而随着开关频率的提高，系统的损耗（主要是开关损耗）会越来越大，是系统的效率和可靠性降低，而且开关器件的开关频率也不可以无限制地提高，针对这些问题，需要采用IGBT的单机倍频式PWM控制系统，该系统在不提高开关器件的工作频率的前提下，可以使输出PWM波得频率比传统的PWM波得频率提高1倍，从而达到减少系统损耗、提高系统动态性能和可靠性的目的，同时也为解决电磁干扰问题提供了条件。

阀控伺服系统驱动控制的总体原理上次保存者：Chinese User

2.2.3功率放大电路

本次设计的功率放大电路的主要器件为IGBT。下面简要介绍一下IGBT的工作原理。

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。此图所示为一个N 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构， N+ 区称为源区，附于其上的电极称为源极。N+ 区称为漏区。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极。沟道在紧靠栅区边界形成。在漏、源之间的P 型区（包括P+ 和P-区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道区（ Subchannel region ）。而在漏区另一侧的P+ 区称为漏注入区（ Drain injector ），它是IGBT 特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成PNP 双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极。 IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP 晶体管提供基极电流，使IGBT 导通。反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT 关断。IGBT 的驱动方法和MOSFET 基本相同，只需控制输入极N-沟道MOSFET ，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET 的沟道形成后，从P+ 基极注入到N-层的空穴（少子），对N-层进行电导调制，减小N-层的电阻，使IGBT 在高电压时，也具有低的通态电压。 2.2.4电磁阀

阀控伺服系统驱动控制的总体原理上次保存者：Chinese User

本课题所设计的驱动控制电路的驱动控制对象为电磁阀。下面介绍一下电磁阀的基本原理

电磁阀是用电磁控制的工业设备，用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。电磁阀是用电磁的效应进行控制，本设计的控制方式由单片机发出PWM方波电压控制信号，在经过驱动电路转换为两路电流信号，分别输送到电磁阀的两片电磁铁上。这样，电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够保证。电磁阀有很多种，不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用，最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等。

电磁阀里有密闭的腔，在的不同位置开有通孔，每个孔都通向不同的油管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来档住或漏出不同的排油的孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油刚的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞竿带动机械装置动。这样通过控制电磁铁的电流就控制了机械运动。

电磁阀的结构原理一：直动式电磁阀

有常闭型和常开型二种。常闭型断电时呈关闭状态，当线圈通电时产生电磁力，使动铁芯克服弹簧力同静铁芯吸合直接开启阀，介质呈通路；当线圈断电时电磁力消失，动铁芯在弹簧力的作用下复位，直接关闭阀口，介质不通。结构简单，动作可靠，在零压差和微真空下正常工作。常开型正好相反。如小于φ6流量通径的电磁阀。

二、分步直动式电磁阀

该阀采用一次开阀和二次开阀连在一体，主阀和导阀分步使电磁力和压差直接开启主阀口。当线圈通电时，产生电磁力使动铁芯和静铁芯吸合，

阀控伺服系统驱动控制的总体原理上次保存者：Chinese User

导阀口开启而导阀口设在主阀口上，且动铁芯与主阀芯连在一起，此时主阀上腔的压力通过导阀口卸荷，在压力差和电磁力的同时作用下使主阀芯向上运动，开启主阀介质流通。当线圈断电时电磁力消失，此时动铁芯在自重和弹簧力的作用下关闭导阀孔，此时介质在平衡孔中进入主阀芯上腔，使上腔压力升高，此时在弹簧复位和压力的作用下关闭主阀，介质断流。结构合理，动作可靠，在零压差时工作也可靠。如：ZQDF，ZS，2W等。

三、间接先导式电磁阀

该系列电磁阀由先导阀和主阀芯联系着形成通道组合而成；常闭型在未通电时，呈关闭状态。当线圈通电时，产生的磁力使动铁芯和静铁芯吸合，导阀口打开，介质流向出口，此时主阀芯上腔压力减少，低于进口侧的压力，形成压差克服弹簧阻力而随之向上运动，达到开启主阀口的目的，介质流通。当线圈断电时，磁力消失，动铁芯在弹簧力作用下复位关闭先导口，此时介质从平衡孔流入，主阀芯上腔压力增大，并在弹簧力的作用下向下运动，关闭主阀口。常开式原理正好相反。如：SLA，DF（φ15以上口径），ZCZ等。 2.2.5位置传感器

位置传感器【position sensor】用来测量电磁铁自身位置的传感器。位置传感器可分为两种，直线位移传感器和角位移传感器。其中直线位移传感器常用的有直线位移定位器等，具有工作原理简单、测量精度高、可靠性强的特点；角位移传感器则可选旋转式电位器，具有可靠性高、成本低的优点。角位移器还可使用光电编码器，有增量式与绝对式两种形式。 2.2.6A/D转换

A/D转换就是模数转换，顾名思义，就是把模拟信号转换成数字信号。本课题的A/D转换模块就是用来把位置传感器检测到的模拟信号转换成

阀控伺服系统驱动控制的总体原理上次保存者：Chinese User

数字信号，再把数字信号传送到单片机。

A/D转换器按照工作原理的不同可分为直接A/D转换器和间接A/D转换器。

直接A/D转换器是将输入模拟电压直接转换成数字量，间接A/D转换其实先将输入模拟电压转换成中间量，如时间或频率，然后将这些中间量转换成数字量。常用的直接A/D转换器有并联比较型A/D转换器和逐次比较型A/D转换器。常用的间接A/D转换器有中间量为时间的双积分型A/D转换器，中间量为频率的电压—频率转换型A/D转换器。

本次设计所用的单片机ATMEGA8L内设ADC模块。可将外部采集的信号直接发送到单片机，经内部ADC转换完成反馈。

2.3本章小结

本章主要介绍了阀控伺服系统的总体框架，给出了总体框图，并接着对各部分进行了工作原理介绍。

山东科技大学学士学位论文系统硬件设计

3 系统硬件设计

本章将对硬件电路分模块进行设计，主要包括电源模块、输出PWM波形模块、驱动放大模块、给定模块及反馈模块。

3.1硬件设计流程图

电源电路 ATMEGA8L 输出PWM信号驱动电路用户给定反馈环节阀，执行机构

图3.1 硬件设计流程图

硬件电路主要包括以下几部分:

(1) 电源模块硬件电路:24V电压分别通过78L15和LM2594转换为15V和5V电压。

(2) Atmega8L输出两路PWM信号电路:产生控制两个电磁铁动作的单

片机判据。

(3) 驱动电路：功率放大，将两路PWM信号转换为两路电流信号。 (4) 反馈环节：A/D转换，将传感器采集的信号经过模数转换反馈到

山东科技大学学士学位论文系统硬件设计

单片机。

3.2硬件电路器件选择

（1）Atmega8L单片机

Atmega8L单片机是一款基于AVR RISC、低功耗CMOS的8位单片机，具有以下特点:8K字节的在线编程/应用编程(ISP/IAP) Flash程序存储器，512字节的EEPROM, 1K字节的SRAM, 32个8位通用工作寄存器，23个通用I/0口，3个带有比较模式灵活的定时器/计数器，18+2个内外中断源，1个可编程的SUART接口，1个8位I 1C总线接口，4 (6)通道的10位ADC, 2通道的8位ADC，可编程的看门狗定时器，1个SP工接口和5种可通过软件选择的节电模式。

(2) IRFL4310: N沟道增强型MOS管，开关速度快。

(3) LM2594HV:简单开关功率转换器150 kHz 0. 5A降压稳压器，输入电压可达60V，输出电压5V，其固定输出电压模式电路为:

图3.2 LM2594HV固定电压输出电路

(4) 78L15:三端稳压器，输入电压30V，输出电压15V，其典型稳压电路为:

山东科技大学学士学位论文系统硬件设计

图3.3 78L15典型稳压电路

(5) HC09: 集电极开路的与门，内部包含四组完全相同的“与”门。 (6) LM324:LM324是四运放集成电路，它的内部包含四组完全相同的运算放大器，四组运放相互独立。

3.3 硬件电路图

（1）15v电压硬件电路

图3.4 15V电压硬件电路

D1、D2：电源反接保护，防止因24V电源反接损坏78L15及电容E1； E1、E2、C5、C11：滤波电容。（2）5V电压硬件电路

山东科技大学学士学位论文系统硬件设计

图3.5 5V电压硬件电路

LL1：储能电感，平滑波形； D8：续流二极管；

R58、 R59:负载，确保输出5V恒定电压，避免产生纹波振荡; El、E3、 C12:滤波电容。（3）Atmega8L输出PWM信号电路

根据用户给定的指令，在atmega8L的PD6、PD7两端口分别输出一路PWM信号经过逻辑门转换，然后再经功率放大电路输送到电磁阀的两块电磁铁上。

图3.6 ATMega8L输出PWM信号电路

山东科技大学学士学位论文系统硬件设计

（4）驱动电路（功率放大）

本课题中中的功率放大电路的主要作用就是将单片机发出的PWM信号进行功率放大。功率放大电路的以大功率开关器件IGBT作为主要器件，主要原理就是PWM信号输入经IGBT驱动电路送入IGBT进行放大得到一个电流为800mA的信号。

大功率开关器件IGBT的驱动电路结构如图3-6所示。该电路采用TLP250进行隔离，输出驱动信号的幅值及驱动能力必须于所采用的IGBT相匹配。

图3.7 IGBT驱动电路结构图

（5）反馈环节

反馈环节主要由位置传感器和A/D转换组成。位置传感器

Atmega8L有一个10位的逐次比较(Successive Approximation)的ADC。ADC与一个8通道的模拟多路复用器连接，能够对以PORTC口作为ADC输入引脚的8路单端电压输入进行采样。ADC包括采样保持电路，可确保输入电压在ADC转换过程中保持恒定。通过设置ADCSRA寄存器中的ADC使能位ADEN来使能ADC功能。

山东科技大学学士学位论文系统硬件设计

图3.8 外部信号采集硬件电路图

图3.9 与单片机管脚连接图

LM324：射极跟随器； R23、R33：缓冲、滤波； R20、R30、C23、C33：RC滤波； R21、R22、R31、R32：信号采集电阻; C21、C31：滤波电容。

山东科技大学学士学位论文系统硬件设计

3．4本章小结

本章首先给出了电磁阀驱动控制的整体硬件设计流程图，然后对设计中涉及的主要器件进行了简要的介绍，最后分别对电源模块硬件电路、模拟信号采集电路、Atmega8L输出PWM信号电路以及PWM功率放大电路进行了简要的分析。

山东科技大学学士学位论文系统软件设计

4 系统软件设计

4.1主程序流图

上电复位单片机端口初始化定时器初始化A/D转换初始化同步串行接口初始化初始化Init_devices()每隔0.5ms启动一次定时器，防止程序跑飞定时器T0=0.5ms依次采集用户给定、外部传感器测量值两路模拟信号，并进行A/D转换AD采样子程序Adc_collection()A/D转换后数据修正。设置两块电磁铁动作标志位数据处理子程序Data_manage()PD6、PD7输出PWM控制信号PWM控制子程序Pwm_control()

图4.1 主程序流程图

山东科技大学学士学位论文系统软件设计

如图4.1流程图所示，整个程序流程依次为：单片机初始化、A/D采样、数据处理、PWM控制信号输出四部分，其中A/D采样、PWM控制信号输出是整个程序的核心部分。

4.2 A/D采样

(1) Atmega8L的A/D功能

a.启动ADC转换

将逻辑“1”写入ADSC位将启动一次A/D转换。在转换过程中，该位保持为“1\"，直到A/D转换结束后由硬件自动清零。如果在A/D转换过程中改变ADC输入通道的选择，ADC将在完成本次转换后再进行通道的转换。

通过控制ADCSRA寄存器的ADFR位，ADC能被设置为连续转换模式和单次转换模式。在连续转换模式下，ADC将连续对输入进行采样和更新ADC数据寄存器。

b.预分频与转换定时

ADC模块中包含一个预分频器，它由ADCSRA寄存器中的ADPS位设置。一旦寄存器ADCSRA中的ADEN位置“1”，预分频器启动技术。

c.ADC输入通道和参考电源的选择

ADC输入通道的选择是通过ADMUX寄存器中的MUX位设定的。

ADC参考电压VREF可通过ADMUX寄存器中REFSN位的设置，选择采用芯片

山东科技大学学士学位论文系统软件设计

内部的2.56V电源，或采用AVCC，也可采用外部的参考电源，由引脚AREF接入。

d．ADC转换结果

A/D转换结束后（ADIF=1），转换结果存入ADC数据寄存器（ADCH和ADCL）。对于单端输入的A/D转换，其转换结果为：

ADC(VIN1024)/VREF

VIN表示选定的输入引脚上的电压，VREF表示选定的参考电源的电压。（2）A/D采样子程序 A/D转换流程图如下：

山东科技大学学士学位论文系统软件设计

开始初始化选择ADC=0Adchannel=0启动单次AD转换（ADSC=1）转换完成？（ADIF=1?）数字滤波Adcvalue【adchannel】ADCHANNEL++ADC转换结果零点修正和满量程修正Adcvalue_end[adchannel]通道切换Adchannel=?结束图4.2 A/D采样子程序流程图

山东科技大学学士学位论文系统软件设计

4.3PWM控制

PWM控制子程序pwm_control()用于产生控制电磁铁的PD6、PD7的PWM信号。 PWM二次调制是指对PD6, PD7的PWM信号进行二次调制。PWM信号的二次调制由单片机的T/C1定时器完成，目的是使阀在打开后维持最低的开通电压6V以缩短阀的关闭时间，降低功耗。 T/Cl实现PWM输出功能

ATmegaBL单片机的16位T/C1具有脉宽调制输出PWM功能。T/Cl由一个10位预定比例分频器提供时钟源。该预定比例分频器将系统时钟按设定的比例进行分频，以产生不同周期的时钟信号clkI/O/8、clkI/O/64、clkI/O/256、

clkI/O/1024。

在T/Cl运行期间，输出比较单元一直将寄存器TCNT1的计数值同寄存器OCRlA和OCR1B的内容进行比较，一旦发现与其中之一相等，比较器即会产生一个比较匹配信号，在下一个计数时钟脉冲到达时置位OCF1A或OCF1B终端标志位。根据WGMl[2: 0]和COMlA[1: 0], COM1B[1: 0]的不同设置，比较相等匹配信号产生波形。当T/C1工作在PWM方式时，OCR1A和OCR1B的辅助缓存器投入使用。当计数器的计数值达到设定的最大值(TOP)或最小值(BOTTOM) 时，辅助缓存器的内容将同步更新比较寄存器OCR1A和OCR1B的值。

T/C1计数寄存器—TCNTIH和TCNTIL:用于存放计数值。

输出比较寄存器—OCRIAH和OCRIAL,OCRIBH和OCRIBL:OCRlAH和OCRlAL ( OCR 1 BH和OCRIBL)组成16位输出比较寄存器OCR1A (OCR1B)。该寄存器中的16位数据用于同TCNTI寄存器中的计数值进行连续的匹配比较。一旦TCNTI的计数值与OCRlA (OCR1B)的数据匹配相等，将产生一个输出比较匹

山东科技大学学士学位论文系统软件设计

配相等的中断申请，或改变OC1A (OC1B)的输出逻辑电平。 T/Cl控制寄存器A—TCCRIA，控制寄存器B—TCCRIB: COMlA[1:0]: 比较A输出模式 COM1B[1:0]:比较B输出模式

这些位控制了比较输出引脚OC1A （OC1B)的输出行为。 WGMl[3:0]:用于控制T/Cl的计数和工作方式。针对比例阀的控制设计，对T1各寄存器进行如下设定: TCCRIA=Ob10000001;COMlA[1:0]=10, COM1B[1:0]= 00 TCCRIB=0X01; CSl[2:0]=001采用系统时钟8M

WGMI[3: 0]=0001=1, 8位PWM，相位可调，计数上限TOP=Ox00FF 这样即使T/Cl工作于相位可调PWM模式。

山东科技大学学士学位论文系统软件设计

开始调节电磁铁1Pwmdirect=1PD7=0Pwm_countdown=0Pwm_countup++Pwm_countup<(temp+1)?PD7=1结束

图4.3 PWM控制子程序流程图

山东科技大学学士学位论文系统软件设计

4.4本章小结

本章主要给出了总的系统软件流程图，接着有分析了重要的几个部分，分别给出了A/D采样以及PWM控制子程序。

山东科技大学学士学位论文全文总结与展望

5 全文总结与展望

5.1全文总结

论文以阀控伺服系统的电磁阀为研究对象。在综合分析伺服系统电磁阀涉及的技术后，对这一领域进行深入研究。论文对液压伺服系统进行系统研究并总结的基础上，分析了电磁阀的关键性技术，集中进行了单片机闭环控制、PWM信号输出及驱动电路的研究。对论文所涉及工作总结如下：（1）对阀控伺服系统控制技术在军用、民用和工业等领域的应用进行了研究。

（2）通过对电液比例技术、电磁阀近现代的发展趋势的分析，确定了本课题研究的意义价值。

（3）根据课题研究要求，确定了本课题的总体方案，画出了总体框架。以单片机ATMEGGA8L为控制核心，输出PWM信号，经驱动放大电路控制电磁阀。再使用位置传感器采集信号，经A/D转换为数字信号，输送回单片机。（4）硬件设计部分首先画出了总体设计框图，接着对系统各部分进行了分析设计，并画出了电源电路、PWM控制电路、功率放大电路以及信息采集电路。

（5）在软件方面，整个控制程序采用C语一言编写，主要由单片机初始化、A/D采样、PWM信号输出三个子程序构成。

山东科技大学学士学位论文全文总结与展望

5.2 展望

到目前为止，本课题还只完成了部分工作，还有许多工作需要，也有必要继续完善，大概主要有以下几个方面继续开展研究工作:

（1）在硬件电路方面还需要完善的主要有通信、键盘、显示接口电路的

设计、仿真，各个模块以及整个控制器的制板与调试；（2）电磁铁与阀芯的摩擦问题，比例电磁铁与阀芯的耦合问题。（3）整个控制系统的软件系统有待设计并完善，最终实现功能齐全、可

靠与控制精度达到预期目的的电液比例阀控制器的设计与制作，甚至是产品化，进而，在此方面缩短或赶超国外先进水平。

山东科技大学学士学位论文致谢

参考文献

[1] 贺昱曜，运动控制系统，西安：西安电子科技大学出版社 2009.1 [2] 王兆安，电力电子技术（第五版），北京：机械工业出版社 2009. 07 [3] 胡寿松，自动控制原理 (第四版) ，北京：科学出版社，2005.2 [4] 宋志安，徐瑞银，MATLAB工程应用，北京：国防科技出版社，2008.8 [5] 廖常初，S7-200 PLC编程及应用，北京：机械工业出版社，2007.8 [6] 廖常初，plc应用技术问答，北京：机械工业出版社2006.1

[7] 马潮、詹卫前、耿德根，ATmega8原理及应用手册，北京：清华大学

出版社，2003

[8] 李玉贵、杨晓明，PWM高速开关阀静特性研究，太原：太原重型机械学院学报，2002

[9] Leonid Reznik. Handbook of Fuzzy Controllers. Oxford

[10] A water pumping control system with a programmable logic controller (PLC) and industrial wireless modules for industrial plants—An experimental setup ISA Transactions, In Press, Corrected Proof, Available online 3 December 2010 Ramazan Bayindir, Yucel Cetince

山东科技大学学士学位论文致谢

致谢

本课题是在高波老师的悉心关怀和精心指导下完成的，在论文完成之际，首先向高老师表示衷心的感谢！三个月来，高老师严谨求实的科学态度、勤奋忘我的工作精神和博大精深的学术知识使我受益匪浅。在整个课题研究期间，高老师严格要求，悉心指导，使我独立从事科学研究的能力得到了很大的提高，为今后的工作奠定了坚实的基础；在平时的生活中，高老师也给予了我无微不至的关怀，再次感谢恩师！

在此，特别感谢下我们宿舍的同学们，在学习和生活中给予我了很大的帮助，在此也向他们表示感谢。

山东科技大学学士学位论文附录

附录

英文文献

原文出处：By:Narasimha Murthy Yayavaram;Saritha Chappidi;Sukany Velamakuri.Sensors & Transducers Journal,2009,Vol.100, No.1

Embedded Processor Based Automatic

Temperature Control of VLSI Chips

Abstract

This paper presents embedded processor based automatic temperature control of VLSI chips, using temperature sensor LM35 and ARM processor LPC2378. Due to the very high packing density, VLSI chips get heated very soon and if not cooled properly, the performance is very much affected. In the present work, the sensor which is kept very near proximity to the IC will sense the temperature and the speed of the fan arranged near to the IC is controlled based on the PWM signal generated by the ARM processor. A buzzer is also provided with the hardware, to indicate either the failure of the fan or overheating of the IC. The entire process is achieved by developing a suitable embedded C program.

山东科技大学学士学位论文附录

Keywords: Temperature sensor, ARM processor, VLSI chips, Brushless DC motor

1.Introduction

With the phenomenal developments in VLSI technology, the ambitious IC designers are trying to put more transistors in to smaller packages. So, the ICs run at higher speeds and produce large amount of heat which creates the problem of thermal management. For example, nowadays the CPU chips are becoming smaller and smaller with almost no room for the heat to escape. The total power dissipation levels now reside on the order of 100 W with a peak power density of 400-500 W/Cm2, and are still steadily climbing.

As the chip temperature increases its performance is very much degraded by parameters shift, decrease in operating frequencies and out-of specification of timings. So the high speed chips must be cooled to maintain good performance for the longest possible operating time and over the widest possible range of environmental conditions. The maximum allowable temperature for a high

山东科技大学学士学位论文附录

speed chip to meet its parametric specifications depends on the process and how the chip is designed.

Among the various cooling techniques, heat sinks, heat pipes, fans and clock throttling are usually employed. Among these techniques, fans can dramatically reduce the temperature of a high speed chip,but they also generate a great deal of acoustic noise. This noise can be reduced significantly by varying ,the fans speed based on temperature i.e. the fan can turn slowly when the temperature is low and canspeed up as the temperature increases.The other prominent method is clock throttling i.e. reducing the clock speed to reduce power dissipation. But it also reduces the system performance and the systems functionality is lost.So, the objective of the present work is, to design a hardware system consisting of a brushless DC motor fan whose speed is controlled based on the temperature of the chip, sensed by the sensor LM35.The LM35 series are precision integrated-circuit temperature sensors, whose output voltage is linearly proportional to the Celsius (Centigrade) temperature. The LM35 thus has an advantage over linear temperature sensors calibrated in Kelvin, as the user is not required to subtract a large constant voltage from its output to obtain convenient Centigrade scaling. The LM35 does not require anyexternal calibration or trimming to provide typical accuracies of ±1⁄4°C at room temperature and ±3⁄4°C over a full −55 to +150°C temperature range. Low cost is assured by trimming and calibration at the wafer level. The LM35’s low output impedance, linear output, and precise inherent calibration make interfacing to readout or control circuitry especially easy. It can be used with single power supplies, or with plus and minus supplies. As it draws only 60 μA from its supply, it has very low selfheating, less than 0.1°C in still air. The

山东科技大学学士学位论文附录

LM35 is rated to operate over a −55° to +150°C temperature range, while the LM35C is rated for a −40° to +110°C range (−10° with improved accuracy). The LM35 series is available packaged in hermetic TO-46 transistor packages, while the LM35C, LM35CA, and LM35D are also available in the plastic TO-92 transistor package. The LM35D is also available in an 8-lead surface mount small outline package and a plastic TO-220 package. To monitor the voltage at the terminals of the DC motor fan, the PWM signal is generated by the ARM7TDMI processor. This PWM signal is changed in accordance to the output of the LM35temperature sensor. So the important component of this entire project is the temperature sensor.

2. Description

In ARM processor based automatic temperature control system, the output of the temperature sensor is fed to the on chip ADC and the output of the ADC is given to the L293D driver IC which in turn is fed to DC motor fan as shown in the block diagram in Fig. 1. A graphic LCD (128x64 pixels) is interfacedto the ARM LPC 2378 processor to display the temperature of the IC and the speed of the fan. A buzzer is also connected to the processor which gives an indication, in case of the failure of the fan or overheating of the chip beyond some level. The entire circuit diagram is shown in Fig. 2.

山东科技大学学士学位论文附录

Fig. 1. Block diagram.

山东科技大学学士学位论文附录

Fig. 2. Circuit Diagram.

3. Software Description

The present work is implemented using ARM IAR Workbench IDE and the necessary embedded C program is developed and dumped into the embedded processor using Flash magic ISP Utility. The ARM IAR Workbench IDE is a very powerful Integrated Development Environment (IDE) that allows you to develop and manage complete embedded application projects. In-System Programming is programming or reprogramming the on-chip flash memory, using the boot-loader software and a serial port. The LPC2387 microcontroller is based on a 16-bit/32-bit ARM7TDMI-S CPU with real-time emulation that combines the microcontroller with 512 kB of embedded high-speed flash memory.

A 128-bit wide memory interface and unique accelerator architecture enable 32-bit code execution at the maximum clock rate. For critical performance in interrupt service routines and DSP algorithms, this increases performance up to 30 % over Thumb mode. For critical code size applications, the alternative 16-bit Thumb mode reduces code by more than 30 % with

山东科技大学学士学位论文附录

minimal performance penalty.The LPC2387 is ideal for multi-purpose serial communication applications. It incorporates a 10/100 Ethernet Media Access Controller (MAC), USB full speed device with 4 kB of endpoint RAM,four UARTs, two CAN channels, an SPI interface, two Synchronous Serial Ports (SSP), threeI2C interfaces, and an I2S interface. This blend of serial communications interfaces combined with an on-chip 4 MHz internal oscillator, 64 kB SRAM, 16 kB SRAM for Ethernet, 16 kB SRAM for USB and general purpose use, together with 2 kB battery powered SRAM makes this device very well suited for communication gateways and protocol converters. Various 32-bit timers, an improved 10-bit ADC, 10-bit DAC, one PWM unit, a CAN control unit, and up to 70 fast GPIO lines with up to 12 edge or level sensitive external interrupt pins make this microcontroller particularly suitable for industrial control and medical systems.

The LPC2378 Microcontroller provides on-chip boot-loader software that allows programming of the internal flash memory over the serial channel. Philips provides a utility program for In-System programming called Flash magic Software.

4. Results and Conclusions

Embedded ARM processor based automatic speed control DC motor fan is designed and implemented.To test the validity of the design, the temperature sensor is kept inside a small oven and its temperature is increased beyond the room temperature. Now the fan is operated to run with full speed and the temperature is found to comeback to normal temperature. This is repeated with various VLSI chips like Pentium processor, FPGA chips etc. Now the

山东科技大学学士学位论文附录

temperature sensor is kept very near to the Pentium processor of the computer and it is observed that, as the time lapses the speed of the fan is automatically increased and the temperature of the chip is found to be controlled. These results are displayed on LCD panel. Though the present system is working well in the given environment, still it is worthwhile to highlight the following conclusions. Normally, controlling fan speed or clock throttling based on temperature requires that the temperature of the high speed chip should be first measured. This is done by placing a temperature sensor close to the target chip either directly next to it or in some cases, under it or on the heat sink. The temperature measured in this way corresponds to that of the high speed chip, but can be significantly lower and the difference between measured temperature and the actual die temperature increases as the power dissipation increases. So, the temperature of the circuit board or heat sink must be correlated to the die temperature of the high speed chip. Of course a better alternative is possible with a number of high speed chips. Many CPUs, FPGAs and other high speed ICs include a thermal diode which is actually a diode connected bipolar transistor, on the die. Using a remote diode temperature sensor connected to this thermal diode, the temperature of the high speed IC’s die can be measured directly with an excellent accuracy. This not only eliminates the large temperature gradients involved in measuring temperature outside the target IC’s package, but it also eliminates the long thermal time constants,from several seconds to minutes, that cause delays in responding to die temperature changes.

There is also a drawback in fan speed control. Normally the fan speed is controlled by adjusting the power supply voltage of the fan. This is done by a low-frequency PWM signal, usually in the range of about 50 Hz, whose duty

山东科技大学学士学位论文附录

cycle is varied to adjust the fan’s speed. This is inexpensive and also efficient. But the disadvantage of this method is that it makes the fan somewhat nosier because of the pulsed nature of the power supply. The PWM waveforms fast edges cause the fans mechanical structure to move, which is easily audible.

In some systems, it is also important to limit the rate of change of the fan speed. This is critical when the system is in close proximity to users. Simply switching a fan on and off or changing speed immediately as temperature changes is acceptable in some environments. But when users are in nearby, the sudden changes in fans noise are highly annoying. So to avoid these effects the fan’s drive signal must be limited to an acceptable level.

5. Future Scope of the Work

In the present work temperature is sensed using the temperature sensor LM35 and the speed of the motor is controlled by varying the width of PWM generated by the processor. But the temperature sensed by the IC LM35 is not very accurate even though we keep the IC very near to the processor orVLSI chip. So, we can use a remote diode temperature sensor connected to the thermal diode which measures the temperature of the high speed ICs directly with excellent accuracy.

Another important aspect is a variety of remote temperature sensors with up to five sensing channels is available that can detect the die temperature of the high speed chip and transmit temperature data to a microcontroller.Fan speed regulators with multiple channels of fan tachometer monitoring can provide reliable control of fan RPM or supply voltage based on commands from an external microcontroller.

山东科技大学学士学位论文附录

For this simple ICs are provided by MAXIM MAX6660 and MAX6653. The first IC can sense the remote temperature and controls the fan speed based on that temperature. It produces a DC supply voltage for the fan through an internal power transistor. The second IC also performs a similar function but drives the fan with a PWM waveform through an external pass transistor. Both include complete thermal fault monitoring with over temperature outputs, which can be used to shut down the system if the high speed chips get too hot. So, the present work can be improved further by using the above mentioned techniques.

中文翻译

基于嵌入式处理器的VLSI芯片的温度自动控制

摘要

本文介绍了基于嵌入式处理器的VLSI芯片的温度自动控制，同时利

山东科技大学学士学位论文附录

用温度传感器LM35和ARM处理器LPC2378来完成设计。由于VLSI芯片密度非常高，同时芯片在工作时很快得到加热，如果不能研制出能是它快速冷却的方法，芯片的性能将会受到很大影响。在目前的工作中，将传感器放置在非常接近接近到IC集成电路的位置来采集芯片的温度，通过由ARM处理器产生的PWM信号来控制集成电路旁风扇的转速。在硬件电路中也提供了一个蜂鸣器，在无法控制风扇或者IC集成电路的过热的情况下都会发出警报。整个过程的实现需要制定一个合适的嵌入式C程序。

关键词：温度传感器，ARM处理器，超大规模集成电路芯片，无刷直流电动机

1.介绍

随着VLSI超大规模集成电路技术的惊人发展，雄心勃勃的IC设计师正试图将更多的晶体管用更小的体积实现更多的功能。因此，该集成电路运行速度更快，产生更多的热量而造成的新的问题。举例来说，现在世界上的的CPU芯片变得越来越小，几乎没有空间散热。若消耗100 W的功率的话，峰值功率密度为400-500 W/Cm2，并可能持续上升。随着芯片温度的升高会影响性能的参数变化，从而减少芯片的工作频率和影响时序的规范。因此，在允许的条件范围内，为了让高速芯片能得到最好的工作效率和最长的运行时间，必须要让芯片在短时间内冷却下来。高速芯片所能允许的最高温度，取决于程序的参数规格，以及芯片的设计。在各种不同的冷却技术中，人们通常使用散热片，热管，风扇以及时钟节流。在这些技术中，风扇可以快速高效的降低高速芯片的温度，但它们也产生大量的噪音。这种噪声可以通过不同的方法来降低，根据风扇转速是由温度来控制，当温度低时，风扇的转速降低；随着温度的提高，风

山东科技大学学士学位论文附录

扇的速度会随着提升。另一个有效地的方法是时钟节流，即减少了时钟速度，降低功耗。但它也降低了系统性能和系统运行速度。本工作的目标是，设计一个硬件系统能控制直流无刷电机风扇的转速，芯片的温度则由传感器LM35进行采集.。

LM35系列是精密的集成电路温度传感器，其输出电压与采集到的摄氏的温度成线性比。因此，LM35系列比一般的传感器拥有优势，因为我们可以直接通过电压值来确定摄氏温度值。LM35不需要校准或微调，便可以提供提供在室温±0.25 ℃ 精度和-55 ℃ ~ +150℃温度范围。由于LM35系列不需要校准，所以该传感器比较经济，低成本。LM35的低输出阻抗，线性输出和精确的校准的特点使固有接口的读数和控制电路特别容易。它同时可用于单电源输出和多电源输出。由于它只需要60微安的电流供应，所以它自身产生的热量较低，在真空中约升温0.1 ℃。LM35 在-55 ℃ ~ +150℃温度范围内可以正常的工作，而LM35C可工作的温度范围为-40 ℃ ~ +110℃。LM35系列可封装在密封的TO - 46晶体管内，而LM35C，LM35CA和LM35D也可用塑胶TO-92晶体管封装。LM35D也可以用8引脚小型封装和塑料的TO - 220封装。由ARM7TDMI处理器所产生的PWM信号来控制直流风扇电动机两端的电压。PWM信号的变化与LM35温度传感器的电压输出同步。因此，这整个项目的重要组成部分是温度传感器。

2 描述

在ARM处理器为基础的温度自动控制系统，温度传感器输出是由芯ADC来控制。而ADC的输出是与IC相连，IC L293D的驱动信号直接送到直流风扇电机中，系统框图如图1所示。LCD图形液晶显示器（128x64像素）的接口与ARM LPC 2378处理器相连，来显示该集成电路的温度和风扇转速。蜂鸣器同样是连接ARM处理器，在无法控制风扇和芯片过热的

山东科技大学学士学位论文附录

情况下会发出警报，整个电路图如图2所示。

图1 系统框图

山东科技大学学士学位论文附录

图2电路图

3 软件介绍

目前的工作是使用ARM IAR工作台IDE，嵌入式C程序和使用Flash ISP工具处理器进行嵌入式开发。ARM IAR的工作台IDE是一个非常强大的集成开发环境（IDE），允许开发和管理完整的嵌入式应用项目。在系统编程这一环境下我们可以采用引导加载器软件和使用一个串行端口进行编程或重新编程闪存记忆体中的程序。LPC2387单片机是基于16/32位的ARM7TDMI-S CPU的实时仿真，它同时结合了512 kB嵌入式闪存单片机的特点。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码执行在最大时钟频率下运行。在Thumb模式下，中断服务程序和DSP算法的关键性能能提高30％以上。对于重要代码应用，其他16位代码在Thumb模式性能损失可减少超过30％。LPC2387是多用途串行通信应用的理想选择。它由一10/100以太网媒体访问控制器（MAC），4个端点的USB全速设备内存，4个UART，两个CAN通道，一个SPI接口，两个同步串行端口（SSP）的，3 个I2C接口，和一个I2S接口组成。这种融合了串行通信接口与频

山东科技大学学士学位论文附录

率为4 MHz内部振荡器，64 KB的SRAM记忆体，16个以太网，16 KB的USB ，连同2 KB的电池供电SRAM的功能非常适合于协议转换器的转换。32位定时器，10位DAC，一个PWM单元，一个CAN控制装置，以及多达70个的GPIO线路和12个外部中断引脚使这个单片机特别适合应用在工业控制和医疗系统等。LPC2378单片机提供芯片的引导加载器软件，允许在串行通道的内部快闪记忆体内编程。飞利浦提供了一个在系统实用程序即所谓闪光魔术软件编程。

4 结果与结论

基于嵌入式ARM处理器的温度控制系统的设计和实施已经完成了。为了验证设计的有效性，温度传感器被放在一个比室内温度高的烤箱内。这时风扇在全速运行并发现温度重返正常温度。我们重复的用各种不同的超大规模集成电路来做这个实验，像奔腾处理器芯片，FPGA芯片等。我们将温度传感器放在接近奔腾处理器的计算机的位置，慢慢的我们观察到风扇的速度自动增加，芯片的温度被控制。这些结果在LCD液晶显示面板上可以看见。虽然目前的系统在特定环境下是行之有效的，但以下结论仍然是值得强调。

一般情况下，使用控制风扇速度或时钟节流的方式来控制温度的条件是必须及时的检测出目标芯片的温度。这个实验中通过放置一个温度传感器在目标芯片旁边，在某些情况下，也可以放在被测物体下方或者是散热器下。以这种方式检测高速芯片的温度与实际温度较为接近，但也有可能测量温度比管芯温度上升时温度要低。因此，电路板或散热片温度和高速芯片管芯的温度必须相关。当然如果有很多高速芯片是更好的选择。许多CPU，FPGA和其他高速集成电路包含一个热二极管，其实是一个连接双极晶体管的二极管。使用远程二极管温度传感器连接到这个热二极管，得出

山东科技大学学士学位论文附录

的结果可以与直接测量VLSI芯片一样精确。这不仅消除了目标IC的封装与室外温度有较大的温差所产生的误差，它也消除了芯片从几秒钟到几分钟内由于温度变化作出反应的延误。

还有一个缺点，有关风扇转速控制。一般情况下，风扇转速通过调整风扇的电源电压来控制。这是通过调整一个低频约50 Hz 的PWM信号的占空比变化来调整风扇的速度。这种方法价格低廉，也很有效率。但是，这种方法的缺点是由于脉冲电压的性质，它使风扇的噪音有点大。PWM波形的快速触发沿导致风扇机械结构产生移动，这是产生噪音的一个原因。

在一些系统中，限制风扇的速度变化率也是重要的。如果该系统与用户接近的话这一点是很关键的。在某些环境中，只需切换风扇的开关或改变速度可以让温度变化。但是，当用户在系统附近时，在风扇的速度的突然变化会产生非常恼人的噪音。因此，为了避免这些影响，风扇的驱动器信号必须限制在一个可接受范围内。

5.未来的工作前景

在目前的工作温度是由温度传感器LM35来采集，电机的转速是通过改变控制的处理器产生的PWM脉宽来控制。但LM35温度传感器并不能做到非常精确地采集温度，即使我们让LM35温度传感器非常接近集成电路处理器或 VLSI芯片。因此，我们可以使用一个远程二极管温度传感器连接到热二极管，这种措施的直接测出高速集成电路的温度，检测出的结果非常精确。

另一个重要方面是各种传感器的远程温度高达五个传感渠道，可以将检测到的高速芯片的温度数据传送到微控制器。风扇转速的监测与多渠道风扇转速调节器可以有效的控制温度。外部微控制器的命令可提供可靠的控制电源电压来监测风扇转速与调节多渠道风扇转速。

山东科技大学学士学位论文附录

对于这个简单的由MAXIM MAX6660和MAX6653组成的集成电路。第一个IC可以检测到远程温度然后通过温度来控制风扇风速。它由内部晶体管产生一个直流电源电压给风扇供电。第二个IC也执行类似的功能，但驱动器由外部晶体管产生PWM波形。两个集成电路都包含完整的热故障监测系统，如果高速芯片太热，系统会自动关闭。因此，目前的工作可以使用上述技术进一步提高。

因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容

查看全文

全部栏目

阀控伺服系统驱动及控制设计