热分析仪高频PWM温度控制装置和控制方法

摘要

本发明属于热分析技术领域，具体为一种热分析仪高频PWM温度控制装置及控制方法。该温度控制装置包括微控制器模块，分别与该微控制器相连的功率控制模块、温度测量模块，与功率控制模块相连接的AC-DC稳压模块和干扰抑制模块，还包括与干扰抑制模块相连接的加热丝，所述温度测量模块进一步包括热电偶电压测量模块和冷端补偿模块。其中，AC-DC稳压模块将交流电转换为稳定的直流电源，功率控制模块接收微控制器输出高频PWM信号；微控制器检测热电偶电压和冷端温度，得到实际温度，并动态调整微控制器所输出PWM信号占空比。本发明还提供适用于该温度控制装置的控制方法，能实现满足热分析仪需求的高精度温度控制。

说明书

技术领域

本发明属于热分析技术领域，具体涉及一种温度控制装置和控制方法，尤其涉及一种适合于热分析仪的温度控制装置和控制方法。

背景技术

热分析仪是分析物质在加热或冷却过程中某些物理变化和化学变化与温度升降关系的仪器。常用的热分析仪器有热重分析仪（TGA）、差热分析仪（DTA）、差示扫描量热仪（DSC）以及热机械分析仪（TMA）等。上述仪器需要采用程序温度控制方式实现高精度温度控制，包括等速升温/降温、恒温，甚至调制温度等多种模式，温度控制的准确度直接影响分析结果。

目前热分析仪中常用的温度控制装置普遍采用过零触发方式和可控硅导通角控制方式。过零触发方式是在设定时间间隔内，改变晶闸管导通的周波数来实现功率的调节。其导通电流、关断电流为零，减少了对电网的干扰。但存在功率控制难以达到较高分辨率的弊端。如按我国50HZ市电计算，功率调整周期为10秒的话，功控分辨率仅能达到1/600。而现代热分析仪升温速率范围从0.1度/分到100度/分，粗糙的分辨率难以实现准确的温度控制。可控硅导通角控制方式通过改变导通角来调整功率，包含三角函数，要实现功率的线性调整，导通角的计算量非常大，并且可控硅控制方式带来的干扰难以消除。另外，上述两种控温方式，市电的波动对控温效果也存在较大的影响。

发明内容

鉴于上述情形，本发明的目的在于提出一种功率控制分辨率高、不受外电网电压波动影响的热分析仪温度控制装置和控制方法。

本发明提出的热分析仪温度控制装置，它包括：微控制器模块，分别与所述微控制器相连的功率控制模块、温度测量模块，分别与所述功率控制模块相连接的AC-DC稳压模块和干扰抑制模块，以及与所述干扰抑制模块相连接的加热丝；其中：

所述AC-DC稳压模块将交流电转换为恒定的直流电压，并将该直流电压输出至功率控制模块；

所述功率控制模块接收来自高频ＰＷＭ控制信号，控制AC-DC稳压模块输出的直流电压是否输出到干扰抑制模块，并进一步输出到加热丝；

 所述测温度测量模块包含热电偶电压测量部分和冷端温度测量部分，所述冷端温度测量部分用于热电偶冷端补偿。 

所述的热分析仪温度控制装置的具体部件包括：恒压电源组件、大功率开关器件及其驱动组件、滤波组件、微控制器控制组件、加热炉、温度传感器与信号调理放大组件、温度采样组件。所述恒压电源组件为大功率开关电源，是加热炉工作电源。恒压电源组件通过大功率开关器件、滤波组件后与加热炉相连。微控制器控制组件根据温度控制方法计算出PWM占空比，形成高频 PWM调制信号。高频 PWM调制信号经大功率开关器件驱动组件驱动，控制大功率开关器件的通断。达到调整输送到加热炉的有效功率的作用。

所述热分析仪高频PWM温度控制装置的控制方法，具体步骤包含目标对象温度计算、ＰＷＭ占空比计算、不同升温速率温控段过渡区拐点处理；其中：

所述目标对象温度计算，其过程包括：

采用高次函数拟合室温范围内热电偶电压与温度对应函数关系：ｆ_T2V(Ｔ)；

采用高次函数拟合热分析仪应用温度范围内热电偶温度与电压函数关系：ｆ_V2T(Ｖ)；

冷端补偿的过程为：

V_cold= f_T2V(T_cold)           公式1

V_0℃= V_cold+ V_m                        公式2

T = f_V2T(V_0℃)             公式3

T_cold为冷端温度；热电偶热端为T_cold,冷端温度为0℃时，对应输出电压为V_cold；相对于热电偶冷端在0℃条件下热电偶应该输出的电压V_0℃ ，T为目标对象实际温度； 

所述PWM占空比计算，其过程包括：

利用神经网络动态修改PID系数；

利用PID方法计算PWM占空比；

所述不同升温速率温控段过渡区拐点处理，其过程包括：

根据两相邻温控段不同升温速率，计算二次或高次函数的系数；采用二次或高次平滑连接相邻温控段，减小不同温控段拐点处过冲现象。

热分析仪温度控制方法包括：等速升降温、恒温控制方法和不同速率温控段拐点处的处理方法。等速升降温过程和恒温过程控制方法采用神经网络和PID结合起来进行控制，神经网络动态修改PID相应的Kp、Ki、Kd参数，优化PID控制效果。等速升降温过程采用线性修改PID算法目标温度达到线性升降温控温目的。不同速率温控拐点处采用高次函数生成目标温度值，使不同速率温控段温度变化速率平滑过渡，大大削弱拐点处温控速率突变带来引起的过冲现象。

本发明的特点是：功率控制分辨率高，温度控制精确，不同速率温控段过渡区过冲小。

附图说明

图1是热分析仪高频PWM温控装置示意图。

图2是目标温度测量模块示意图。

图3是功率控制模块示意图。

图4是干扰抑制模块示意图。

图5是热分析仪高频PWM温控装置程序整体结构图

图6是热分析仪高频PWM温控装置控制方法中系统初始化流程图。

图7是热分析仪高频PWM温控装置控制方法中模数转换中断处理流程图。

图8是热分析仪高频PWM温控装置控制方法中温控定时中断处理流程图。

图9是目标对象温度计算流程图。

图10 是设定温度计算流程图。

图11 是神经网络结构图。

具体实施方式

 下面将结合附图对本发明做进一步说明。

参阅图1，图1示出了热分析仪高频PWM温控装置示意图基本结构，包括微控制器模块1，分别与该微控制器1相连的功率控制模块4、温度测量模块2，还包括与功率控制模块4相连接的AC-DC稳压模块3和干扰抑制模块5，以及与干扰抑制模块5相连接的加热丝6。

如图2，所述温度测量模块2中热电偶电压测量部分包括热电偶2.1，与热电偶2.1相连接的信号放大调理单元2.2，以及与信号放大调理单元2.2相连接的热电偶AD转换单元2.3。所述温度测量模块2中冷端温度测量部分包括冷端温度传感器单元2.4和与冷端温度传感器相连接的冷端AD转换单元2.5。所述热电偶AD转换单元2.3和冷端AD转换单元2.5与微控制器模块1相连，微控制器模块1利用冷端AD转换单元2.5输出的数据对热电偶AD转换单元2.3输出地数据进行补偿，得到目标控制对象的真实温度。

如图3，所述功率控制模块4包含与微控制器模块1相连的驱动模块单元4.2，还包括与AC-DC稳压电源3、干扰抑制模块5、驱动模块4.2相连的大功率开关器件4.1。微控制器模块1输出的PWM信号经驱动模块4.2光电隔离，提升驱动能力后，控制大功率开关器件4.1导通与截止，从而控制AC-DC稳压电源3按照微控制器模块1输出的PWM信号的脉宽比输出到干扰抑制模块5，进一步输出到加热丝6，控制输出到加热丝6的实际功率。

如图4，所述干扰抑制模块5包含连接于大功率开关器件4.1输出端和地之间的肖特基二极管5.1，还包含连接大功率开关器件4.1输出端和加热丝6之间的扼流圈5.2，还包含连接扼流圈5.2与地之间的滤波电容5.3，加热丝6与滤波电容5.3并联连接。

本实施例中，AC-DC稳压电源3为大功率开关电源，交流电经AC-DC稳压电源3输出140V稳定直流电压。

微控制器1采用ARM COTEX—M3内核高性能微处理器STM32F107。其72MHZ主频和内置硬件乘法器，具有较强大运算能力；内置PWM定时器易于实现高频高分辨率PWM信号；内置SPI、I2C接口实现与温度测量模块2中热电偶AD转换单元2.3、冷端AD转换单元2.5数据交换；内置USART、USB、以太网接口实现热分析仪器与PC机通信。

温度测量模块2所包含的热电偶2.1为E型或K型热电偶，信号放大调理单元2.2采用仪表放大器INA128、OP97运算放大器构成，INA128将热电偶电压的放大到适合于热电偶AD转换单元2.3需要的电压，OP97实现零偏调整和有源滤波。所包含的冷端温度传感器2.4采用温度传感器LM35，LM35按10mV/℃比例输出与冷端温度对应的电压。热电偶2.1冷端接入点与冷端温度传感器2.4固定于同一铜块中，铜块良好的导热性能保证热电偶2.1冷端温度与传感器2.4所测得的温度保持高度一致性。热电偶AD转换单元2.3和冷端AD转换单元2.5均采用AD7714模数转换器。

功率控制模块4所包含的大功率开关器件4.1采用IGBT FGA25N120,驱动模块4.2采用M57962。微控制器1输出高达15KHZ的高频PWM信号，所述PWM信号经M57962内部光耦隔离，M57962内部驱动电路提升驱动能力后，控制大功率开关器件4.1的导通与截止。当控制大功率开关器件4.1导通时，电流由AC-DC稳压电源1、大功率开关器件4.1后，通过干扰抑制模块5中的扼流圈5.2输出到加热丝6。

如图5，热分析仪高频PWM温度控制装置的控制程序整体结构包括主程序模块7、AD转换中断服务模块8和温控定时中断服务模块9。主程序模块7完成系统初始化和轮流检测设定的标志位。AD转换芯片产生新的数据时，调用AD转换中断服务模块8，读取AD转换值，设置数据更新标志位。温控周期时间到达时，产生温控定时中断，调用温控定时中断服务模块9计算当前需要输出PWM波形的占空比，设置PWM定时器占空比寄存器。

主程序模块7流程如图6，首先完成微控制器接口初始化7.1、模数转换芯片初始化7.2、模数转换芯片中断设置7.3、脉宽调制定时器初始化7.4、温控定时器初始化7.5、温控定时器中断设置7.6。然后循环轮流检测冷端AD值更新标志7.7、热电偶AD值更新标志7.10、判断是否需要更新PID参数7.13。当冷端AD值更新标志7.7为真时，依次进行冷端AD值滤波7.8，计算冷端温度7.9。当热电偶AD值更新标志7.10为真时，依次进行热电偶AD值滤波7.11、计算目标对象温度7.9，见公式1、公式2、公式3。当判断需要更新PID参数时，神经网络修正PID参数7.14被调用，神经网络修正PID参数7.14根据当前的目标温度、当前设定温度与目标温度之差、当前温度变化率计算PID参数Kp、Ki、Kd。并且反馈当前控制误差修正神经网络权值系数。

采用BP神经网络计算PID参数Kp、Ki、Kd过程如下：

如图11，BP神经网络的输入为：

隐含层的输入输出为：

输出层的输入输出为：

评估函数为：

神经网络权输出层加权系数修正函数为：

    

神经网络权隐含层加权系数修正函数为：

当AD转换产生新的数据，中断发生时，调用AD转换中断服务模块8，如图7在AD转换中断服务模块8中实现热电偶电压值和冷端温度的采集，采集完成后设置相应的更新标志，以便主程序模块7查询。

当设定的温度控制周期时间到来后，产生温控定时中断，调用温控定时中断服务模块9。如图8，温控定时中断服务模块9按照预先设定的温度曲线，实时动态计算目标对象设定温度；根据设定温度和当前温度，运用PID算法计算PWM波形占空比；设置PWM定时器占空比设置寄存器，微控制器1输出该占空比的PWM波形。

所述主程序模块7所包含的计算目标对象温度7.9模块，对热电偶冷端进行补偿，根据所测得的热电偶输出电压值计算目标函数的实际温度。根据热电偶分度表，用三次函数分段拟合出在-50℃至100℃之间热电偶冷端为0℃条件下温度与电压的对应函数f_T2V(T)；用三次函数分段拟合出-100℃-1000℃之间热电偶冷端为0℃条件下电压与温度对应关系的函数f_V2T(V)。如图9，计算目标对象温度7.9模块进一步包含三次函数拟合冷端温度对应热电偶电压7.9.1、计算相对于冷端0℃时热电偶相应输出电压值7.9.2、三次函数拟合热电偶电压对应温度值7.9.3三个模块。三次函数拟合冷端温度对应热电偶电压7.9.1是根据函数f_T2V(T)和计算冷端温度7.9得到的冷端温度计算出该冷端温度对应的热电偶电压值V_Cold，见公式1；计算相对于冷端0℃时热电偶相应输出电压值7.9.2将热电偶AD值滤波7.11模块得到的热电偶AD值转换为热电偶实际输出电压，叠加V_Cold得到热电偶冷端0℃条件下相应的电压V_0℃，见公式2；三次函数拟合热电偶电压对应温度值7.9.3根据f_n(V)和V_0℃计算出目标对象实际温度值，见公式3。

所述温控定时中断服务模块9所包含的计算温度设定值9.1，进一步包含判断是否为恒定温度区域9.1.1、判断是否为线性升降温区域9.1.2、判断是否为拐点区域9.1.3。当判断为恒定温度区域9.1.1成立时，目标对象设定温度为固定值；当判断为线性升降温区域9.1.2成立时，根据所设定升降温速率k₀，T_s=k₀*t；当判断为拐点区域9.1.3成立时，利用二次函数修正拐点曲线，根据拐点函数修改目标对象设定温度。

如设前一段升温速率为k₁，后一段升温速率为k₂。则可以建立拐点函数：T_S=kt² 。   

当k₁<k₂时，k取正值，否则k取负值。|k|为经验值，决定拐点的平滑度。

为使两温控段平滑过渡，二次拐点函数与温控段相交处斜率相同。可得：t₁=k₁/(2*k),t₂=k₂/(2*k);

因此，在前一温控段结束后，按T_s=kt² (t>=t₁,t<t₂)修改目标设定温度，当t=t₂时，进入后一温控段。保证不同升温速率温控段平滑过渡，减小过冲。

所述温控定时中断服务模块9所包含的PID方法计算PWM占空比9.2为传统PID方法，但在主程序模块7所包含的神经网络修正PID参数7.14采用神经网络方法修正PID系数Kp、Ki、Kd。综合而言，系统实际上采用了神经网络PID控制方法。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明保护范围的限制。有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变型和变换，而所有等同的技术方案也应归属本发明保护的范畴之内，由各权利要求所限定。