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嵌入式电子节能控制器的设计与实现

更新时间：2019-12-30 07:20:34 大小：736K 上传用户：xiaohei1810 查看TA发布的资源 标签：嵌入式电子节能控制器 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）收藏评论(0) 举报

资料介绍

节能控制能够有效降低能耗,对保护环境等方面具有重要影响;但目前大多数电子节能控制器都是通过采用单片机技术和双向晶闸管过零触发交流调压电路对电子节能控制器进行设计;通过介绍电子的负荷特点和节能原理,分析电子节能控制器的硬件组成电路,并对电子节能控制器的主要软件程序的流程图进行设计,完成电子节能控制器设计;但这种方法节能控制效果较低,难以保证电子节能控制器性能,为此,提出一种基于模糊PID控制的嵌入式电子节能控制器设计与实现方法;首先通过对嵌入式电子节能控制器的处理器、电源电路、复位电路、系统时钟电路、J TAG接口电路、D/A转换电路、功放电路、双极性电源电路以及嵌入式电子节能控制器硬件PCB板器件布局等的设计,完成嵌入式电子节能控制器硬件设计;在此基础上,选用模糊PID控制方法对嵌入式电子节能控制器进行设计;通过分析模糊PID控制原理,介绍加入自调节因子的模糊PID控制的算法设计,以此确定输入输出隶属度函数,再利用模糊推理和模糊规则,得到电子节能控制器的模糊控制过程,从而完成嵌入式电子节能控制器的设计;实验证明,所提方法能够有效提高嵌入式电子节能控制器的节能控制效果,具有良好的使用价值.

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文章编号：1671—4598(2017J12—0228—04

IX)I：10．16526／j．cnki．11--4762／tp．2017．12．059

中图分类号：TP202

文献标识码：A

嵌入式电子节能控制器的设计与实现

钟斌

(浙江工业大学容大后勤集团，杭州

310014)

摘要：节能控制能够有效降低能耗，对保护环境等方面具有重要影响；但目前大多数电子节能控制器都是通过采用单片机技术和双

向晶闸管过零触发交流调压电路对电子节能控制器进行设计；通过介绍电子的负荷特点和节能原理，分析电子节能控制器的硬件组成电

路，并对电子节能控制器的主要软件程序的流程图进行设计，完成电子节能控制器设计；但这种方法节能控制效果较低，难以保证电子

节能控制器性能，为此，提出一种基于模糊PID控制的嵌入式电子节能控制器设计与实现方法；首先通过对嵌入式电子节能控制器的处

理器、电源电路、复位电路、系统时钟电路、JTAG接口电路、D／A转换电路、功放电路、双极性电源电路以及嵌入式电子节能控制器

硬件PCB板器件布局等的设计，完成嵌入式电子节能控制器硬件设计；在此基础上，选用模糊PID控制方法对嵌入式电子节能控制器进

行设计；通过分析模糊PID控制原理．介绍加入自调节因子的模糊PID控制的算法设计，以此确定输入输出隶属度函数，再利用模糊推

理和模糊规则，得到电子节能控制器的模糊控制过程，从而完成嵌入式电子节能控制器的设计；实验证明，所提方法能够有效提高嵌人

式电子节能控制器的节能控制效果。具有良好的使用价值。

关键词：嵌入式；电子节能控制器；设计与实现

of Embedded Electronic

Saving

Energy

Controller

and

Design

Implementation

Bin

Zhong

Service

control

Technology，Hangzhou

310014，China)

(Rongda

Group，ZheJiang University

reduce

has an

on the of the environ—

protection

important impact

Abstract：Energy saving

effectively

energy consumption，and

merit．But most electronic

controllers is

the

and the bidirectional

energy saving

single chip microcomputertechnology

zero

the introduction of load characteristics andthe

thyristor

crossing triggering

voltage regulating circuit．Through

energy--saving prin—

controller hardware andsoftware flowchart of the main controller is

program^of

of electronic circuit

ciple

analysis，electronic energy--saving

the

control effect is low andit is difficult to

of electronic

designed．However，the energy--saving

and

guarantee

performance

energy saving

PID control is

pro—

method of embedded electronic

controller based on

troller．Therefore，a design

implementation

energy saving

fuzzy

clock

circuit，reset

circuit，system

on the embedded electronic

conversion

controller

circuit，JTAG inter

processor，power

circuit andembedded electronic controller hard—

energy--saving

posed．Based

face

energy--saving

circuit，D／A

circuit，amplifier circuit，bipolar power supply

the embedded

hardware

this

basis。the

ware board PCBdevices layout design。complete

electronic energy--saving controller

energy saving controller．Through

design．On

of the PIDcontrol

fuzzy princi—

fuzzy

PIDcontrol method is used to

the embedded electronic

the

design

regulating

and

analysis

the self

factor

PIDcontrol

algorithm designed

to determine the

and

input output membership function，

pie，introduced ^to

fuzzy

controller of electronic

control

the

then

process，thus

using fuzzy reasoning

fuzzy rules，fuzzy

energy saving

completing

design

the

energy saving

energy

control

controller embedded

results show that the method

proposed

saving

electronic．Experimental

effectively improve

effect of embedded electronic

controller，and has

value．

energy saving

good

and

Keywords：embedded；electronic energy saving controller；design

implementation

控制器设计[6]。该方法是进行电子节能控制器设计的重要方

法，引起相关专家学者的关注[7]，该课题也成为业内人士关注

的重点，随着研究内容的深入，得到许多研究成果[8]。

引言

随着经济发展，各项建设取得巨大成就的同时也付出了资

源和环境被破坏的代价[1_]2，所以提高资源利用率迫在眉

睫[3]，电子节能控制器的设计为电子能源发展带来积极作

用[“，是减低电子产品能耗的重要手段[5]。但目前大多数电子

节能控制器设计方法通过将电子节能控制器的处理器、电源等

部分作为一个动态系统，通过系统论的观念挖掘电子节能控制

器的节能潜力，通过将微电子技术与现代模糊控制技术相结合

对电子节能控制器软件进行设计，在此基础上，完成电子节能

文献E8]提出电子节能控制器设计与实现方法，通过对

功率因素校正电路、逆变电路、保护电路、复位电路等的设

计，在电路中使用的APFC芯片是L656l。在完成电子节能控

制器硬件设计基础的基础上，通过对ZigBee无线通信模块等

电子节能控制器模块设计，完成电子节能控制器设计。但这种

方法存在由于设计出的电子节能控制器体积较大，导致其使用

范围受到限制。文献[9]提出的电子节能控制器设计方法，

从国内外研究现状和应用范围出发，设计电子节能控制器。通

过将改进的变结构单神经元自适应PID控制算法应用到电子

节能控制器信号匹配过程中，通过对电子节能控制器的控制策

略进行研究，改善信号匹配过程中的不协调问题，根据实际需

要，控制电子节能控制器的输出，将嵌入式系统应用于电子节

收稿日期：2017—05—17；修回日期：2017一06—08。

基金项目：浙江省教育厅2016年课题(Y201635800)。

作者简介：钟斌(1976一)，男，浙江诸暨人，硕士，工程师，主要从

事高校水电及节能管理、后勤信息化方向的研究。

万方数据

第12期

钟斌：嵌入式电子节能控制器的设计与实现

· 229·

能控制器中，通过对节能控制器处理器的选择，完成嵌入式电

子节能控制器设计。但这种方法在实际操作过程中，计算复

杂，所以节能控制难度较大。文献[10]提出的电子节能控制

器设计方法，从目前节能控制器普遍存在的问题出发，分析节

能控制的局限性，在借鉴国外先进控制理论的基础上，综合考

虑转速控制和压力控制的优点，提出电子节能控制器设计的新

方法。通过继电自整定PID的电源电路控制方法与基于参数

自适应模糊PID的处理器控制方法相结合，完成电子节能控

制器的设计构想，在此基础上，完成对电子节能控制器复位电

路、JTAG接口电路、时钟电路等的设计。完成电子节能控制

器设计。但这种方法由于设计成本较高，一般设备难以承受其

价格，导致其难以推广使用。

转差角频率又与节能控制器的负载转矩、供电电压和频率存在

关系。因此，在不同负载下，可以通过调节端电压调节节能控

制器的功率因素。当负载下降时，通过降低节能控制器的电源

电压来减少铁损，同时电流随之下降也减少了铜损，从而起到

节能控制作用。

2嵌入式电子节能控制器的设计与实现

2．1嵌入式电子节能控制器硬件设计

选用LPC2249处理器作为嵌入式电子节能控制器的处理

器，其内核具有Thumb结构扩展、调试扩展、增强乘法器、

EmbededdedlCETM宏单元等功能，是一种32位LQFPl44脚，

基于ARMTTDMI—s内核的微处理器。

本文嵌入式电子节能控制器有3．3V作为供电电源。通

过具有工作性能可靠、工作效率高、电流输出驱动能力强等优

点的KA78XX系列开关稳压集成电路，保障嵌入式电子节能

控制器的处理器稳定可靠工作。

根据上述问题，提出一种基于模糊PID控制的嵌入式电

子节能控制器的设计与实现方法，在对嵌入式电子节能控制器

硬件设计过程中，对嵌入式电子节能控制器的处理器、电源电

路、复位电路、系统时钟电路、JTAG接口电路、D／A转换电

路、功放电路、双极性电源电路以及嵌入式电子节能控制器硬

件PCB板器件布局等硬件进行设计。在此基础上，通过模糊

PID控制方法对嵌入式电子节能控制器的软件进行设计。通过

对模糊PID控制原理进行分析，并设计了加入自调节因子的

模糊PID控制方法，通过确定输入输出的隶属度函数，根据

模糊推理和模糊规则，得到电子节能控制器的模糊控制过程，

从而完成嵌入式电子节能控制器的软件设计，从而完成嵌入式

电子节能控制器的设计。实验证明，本文所提方法能够有效提

高节能控制效果，具有良好的使用价值。

由于ARM芯片高速、低耗和低压，给电源监控可靠性等

方面带来不利影响。为降低影响，选用专用的微处理器电源监

控芯片SP708S作为节能控制器的复位电路。由于nRST和

nTRST是通过JTAG仿真器控制复位实现，因此通过

74HCl25三态缓冲门进行JTAG驱动。利用上拉电阻将nRST

和nTRST信号上拉为高电平信号，使节能控制器正常运行。

嵌入式电子节能控制器的处理器通过使用外部晶振或外部

时钟源，内部PLL电路调整节能控制器时钟，提高嵌入式电

子节能控制器的运行速度。本文选用外部11．0592 MHz晶振，

提高串口波特率。

1节能控制器的系统结构

本文嵌入式电子节能控制器JTAG接口选用标准20脚

JTAG仿真调试接口，通过JTAG接口上的信号nRST和

nTRST与复位电路相连接，完成共同控制系统复位的目的。

DAC702D／A芯片是一种16位数模转换芯片，具有低增

益漂移、高精度等优点。由于本文嵌入式电子节能控制器选用

16位的存储器，所以本文选用DAC702芯片方便编程需要，

提高响应速度及精度。利用nWE信号和处理器端口P2．25

信号经过或非门器件控制锁存器中数据向DCA702传送。

嵌入式电子节能控制器功放电路选用单片式高电压、大电

流放大器OPA541功率运算放大器。

节能控制器就是根据检测的电压与电流的相位差，得到功

率因数，根据功率因数调节工作电压。使电压大小跟随负载变

化而变化，从而降低有功功率、无功功率损耗，达到节能控制

的目的。

节能控制器主要包括电流采集电路、电压采集电路、电流

电压信号调节电路、光隔离电路等，采用SP708S芯片和

JTAG电路接口。节能控制器结构如图1所示。

OPA541电路内部设有限流保护电路电阻R。。，可通过下

式进行计算：

(2)

R94：—0．F80—9V一0．057

』LIM

嵌入式电子节能控制器0PA541功放器件与DAC702转换

器中，都需要双极性电源。通过IC555芯片实现电路振荡。

嵌入式电子节能控制器硬件PCB板器件布局中，以每个

功能电路的核心元件为中心进行布局，尽量减少和缩短各元器

件之间的引线和连接，间距尽可能大些。

图1节能控制器结构

在忽略谐波影响、磁饱和、铁损及定子电阻时，功率因数

可表示为：

通过对嵌入式电子节能控制器的处理器、电源电路、复位

电路、双极性电源电路以及嵌入式电子节能控制器硬件PCB

板器件布局等的设计，完成嵌入式电子节能控制器硬件设计。

2．2基于模糊PID控制的嵌入式电子节能控制器软件设计

儿勰’2幽

r1、

u’

∞5驴一■灰甭菰寿i贡厦萨丽

式中，幽表示转差角频率；口表示漏感系数，口一1一产}；p表

2．2．1

PID控制理论

示极对数。

系统偏差的比例、积分、微分的综合控制，简称PID控

对于节能控制器，其功率因数与转差角频率密切相关，而

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