黄顺福

(上海贝尔股份有限公司，上海201206)

基于热交换器拟合ARM PWM一次函数算法设计

黄顺福

(上海贝尔股份有限公司，上海201206)

热交换系统是非常重要的换热设备，几乎在所有的工业领域中都有应用。由于热交换系统具有结构紧凑、轻巧、传热强度高、节能、防污染、环保、符合当今能源技术发展的趋势等特点，近年来，已广泛地应用到通信设备的换热降温系统中。热交换器技术使用离心风机控制内外循环的气流进入热交换芯的流量和压力，从而实现了隔离的内外循环气流的热交换，降低了内循环内的通信设备的热量，保证了通信设备的正常工作。通过离心风机转速温度PWM一次函数的设计，使得通信柜热交换器的软硬件的设计大幅简化，实现了热交换器连续跟踪、快速实时响应换热的功能，提高了产品的稳定性，降低了成本，大大提高了公司的经济效益。

热交换器；离心风机；PWM；温度；一次函数

0 引言

目前在上海贝尔Alcatel-Lucent生产制造的通信系统中，如固网的MDU(多住户单元)基站，无线的CDMA(码分多址)、WCDM(宽带码分多址)、LTE基站等，都广泛采用了热交换系统(HEX)作为换热降温设备。通信机柜内的设备在运行时功率可以达到几千瓦，产生大量的热量，使得机柜内的温度急剧上升。为了保证设备的良好运行状态，通信机柜内的温度不能无限上升，应被控制在规定的范围内。市场上目前通用的做法是：在控制器中把温度和风机的转速分别以数组的方式存储。这种方法不是连续的，是间断式的，没法进行实际意义上的连续跟踪，且无法根据实际情况进行灵活的补偿，占用存储器空间大。为了满足热交换器需要连续跟踪，快速实时响应的功能，本文提出了使PWM与离心风机转速和环境温度拟合成一次函数的方法，简化了系统的设计，并且对包括软件硬件方面的一系列相关的研发工作进行了论述。

本通信柜热交换器[1-2]由热交换芯、内外循环离心风机、基于ARM芯片的AT91SAM7S控制器组成。本文主要介绍了控制器的拟合PWM转速温度一次函数的软硬件方法。

1 离心风机性能分析及拟合ARM PWM转速温度一次函数基础公式

实际选用的离心风机型号为ebmpapst RI1G175-AB41-64，该离心风机的工况图见图1。图1中,横坐标是空气流量,1 CFM(立方英尺每分钟)=1.7 m3/h;纵坐标是气压增量,1 lnH2O(水柱)=200 Pa;qv为Air Flow(空气流量)；pfs为Pressure Increase(压力增量)[3-4]。

粗实线是风机的性能曲线，点1、2、3、4为57 V的工况点；点9、10、11、12为36 V的工况点；点5、6、7、8为48 V的工况点。本HEX系统的风机工作在48 V，选择工况点6,工作在其左边，压降减小，流量增大，满足了热交换器的需求。另外，该型号的离心风机在48 V、2970转的噪声为57 dB(A)，也可以满足本系统对噪声的要求。48 V工况点的选择是通过转速、输入功率、电流来确定的。该风机DUE端口输出定义为：每转2个脉冲。通过测试该端口的脉冲频率可得到其转速。例如，已知在DUE口测得87 Hz，其转速计算为：87 Hz=87个脉冲/秒=87/2转/秒=(87/2)转/(1/60)分=(87/2)×60转/分钟。故可推得该风机通过频率求转速的一般公式为：

(1)

式中：风扇脉冲频率的单位为Hz。推导出的式(1)是拟合PWM一次函数的基础。

图1 实际采用的离心风机工况图

2 基于ARM芯片AT91SAM7S控制器的拟合PWM转速温度一次函数设计

2.1 离心风机控制电路设计

如图2所示，PWM信号经R10从T2输入，R10作为T2的偏置电阻，R8是T2的集电极负载电阻，C14是高频滤波电容，E2是电解电容，起滤除48 V纹波的作用。PWM信号经过T2，占空比反相输入给风机。

图2 离心风机控制电路

风机内与风机速度相关的脉冲输出驱动电路是集电极开路通过J5的脚3输出R的，R12其上拉电阻接3.3 V。风机输出脉冲通过偏置电阻R14，输出到T4的基极。T4的发射极被置为+3.3 V，当风机输出的脉冲为高电平时，其被上拉到+3.3 V，送到T4的基极，T4截止，U1-TIOA0为低电平0 V；当风机输出的脉冲为低电平0 V时，T4饱和导通，T4的发射极与集电极电压Vce约为0.3 V，U1-TIOA0的电压为+3.3 V-Vce=3 V。

C42为0.01 μF，用于滤除风机输出的高频杂波，其一定要可靠焊接在电路板上，否则无法接收到正确的脉冲信号。对读速电路，T4起整形作用，如无T4，则风机输出信号无法正确识别。

2.2 控制离心风机的ARM PWM信号设计

求PWM信号的周期算式[5]如下：PWM周期=prescaler/MCK/X。MCK是主时钟，X是分频数，prescaler是需要写进PWM_MR寄存器中DIVA的值。PWM_MR中的PREA选择分频如表1所示。prescaler和X的查找算法如下，对PWM周期算式进行变形，得到prescaler算式：

prescaler=PWM频率(MCK/X)

先设定好频率和MCK，这里MCK为48 MHz，频率为4k×100=400 kHz。divider的值为表1中的Divider值，Divider所表示的数组值即dividors[Divider]，表1中Divider Input Clock列的表达式的分母即为prescaler算式中的X。

初始时，表1中的Divider从0开始递增，计算出prescaler。如prescaler小于255，且Divider小于11，则这时的prescaler和Divider就是所需要的参数。如果初始时的prescaler大于255，但Divider小于11(如表1所示,Divider为0～10)，则递增，直至prescaler小于255，Divider小于11时为止，此时得到的prescaler和Divider就是所需的参数。将Prescaler填入到PWM_MR寄存器中的PREA，将Divider的值填入到PWM_MR寄存器中的DIVA段中。在PWM_MR寄存器中，DIVA为FF，最大为255，Divider作为DIVA填入该域中。

PWM占空比的算法如下：PWM占空比=(周期-CDTY/clock)/周期，其中周期被写进PWM_CPRD寄存器，CPRD为占空比输入参数。式中的clock就是Divider的值所对应的分频值(表1中Divider Input Clock表达式的分母值)。若给定占空比、周期，就可以确定CDTY。PWM占空比可变换为：

(2)

从公式(2)中可见，控制离心风机速度的占空比与PWM频率和CDTY有关。实际设计时，PWM频率固定，更改CDTY来改变控制离心风机速度的占空比，具体方法如如图3所示。当CDTY增大时，占空比减小。为了使CDTY与占空比成正比，在设计电路时，用T2反相，则当CDTY增大时，占空比也增大。如图4所示，当CPRD增大时，即周期增加时，频率减小，占空比增大。为了使频率与占空比成正比，在设计电路时，当用T2反相时，频率减小，占空比也实际减小。

图3 PWM与CDTY关系

图4 PWM与CPRD关系

PREADividerInputClockDivider0000MCK00001MCK/210010MCK/420011MCK/83

通过找出适当的PWM频率作为固定值，本系统设定PWM频率为4 kHz，使得CDTY与PWM脉冲占空比成线性关系。控制器改变CDTY从而正比调节输出的PWM占空比，而PWM输出的占空比与离心风机转速有某种接近的比例关系，从而推得CDTY与离心风机转速成一次函数关系。为方便起见，这里设定输入系统的参数符号为Duty来代替CDTY。经实验测试，输入Duty值控制离心风机时，离心风机响应的输出频率即为Duty值的大小，结合公式(1)，可以得到公式(3)，即:

(3)

2.3 离心风机的读速设计

读取离心风机的速度是通过定时记数器的捕捉方式实现的。AT91SAM7S64包含3个16位定时计数器，它可以实现频率测试、事件计数、间隔测量、脉冲产生、定时延迟、脉宽调制。TC(定时计数器)使用捕捉寄存器A(RA)和B(RB)来计数外部事件。当在TIOA有事件发生时，寄存器A和寄存器B装入计数器值。装载寄存器A的信号为LDRA，装载寄存器B的信号为LDRB。置位TC_CMR中的ABETRG位，可以选择TIOA或者TIOB输入信号作为外部触发器。0定义TIOB作为外触发器，1定义TIOA作为外触发器。ETRGEDG定义了检测边沿的上升、下降或两者。TIOA可以被载入，而TIOB不可以被载入。所以要使用RA、RB，必须用TIOA。

如图5中的第1个MODE配置，ABETRG配1,选TIOA作为外触发器;ETRGEDG为2，为下将沿触发；LDRA为2，为下降沿载入；LDRB为1，则为上升沿载入。通过函数ConfigureTc(mode)计算出LDRB-LDRA=脉宽长度，即负脉冲的宽度。同理，如图6所示，可计算出正脉冲的宽度。

图5 测量负脉冲宽度

图6 测量正脉冲宽度

这样整个信号周期=负脉冲宽度+正脉冲宽度，具体计算如下：由于在MODE中没有设置TCCLKS，因此为0即缺省，选时钟源为MCC/2=48 MHz/2=24 MHz，1/24 MHz=0.041 66 μs，即计数一次为0.041 66 μs。总周期=0.041 66(period_low+period_high)μs。其中period_low是负脉冲宽度，period_high是正脉冲宽度。

2.4 用一次函数描述规定标准曲线设计

规定标准曲线如图7所示，这是系统要求内循环离心风机必须满足温度与风机速度的一次函数关系。利用一次函数分段来求该曲线。用公式y-y0=k(x-x0)，对于图7，在x≤35时，y=800；在x>35且x≤55时，k=(1 500-800)/(55-35)=35，y=800+35(x-35) ；在x>55且x≤60时，k=(2 400-1 500)/(60-55)=180，y=1 500+180(x-55)；在x>60时，y=2 400。这里关键是控制离心风机的转速与温度成线性关系，也就是需要离心风机的转速与控制离心风机的PWM占空比成线性关系，这样就避免了采用数组存储大量数据而占用大量Flash存储空间仍然不能实时反映系统状态且系统性能不佳的弊端，达到精确控制的目的。

图7 内循环离心风机要求的控制曲线图(无负载)

2.5 控制输入ARM PWM参数Duty而拟合离心风机的转速与环境温度成一次函数线性关系的设计

通过实验的方法可以验证公式(3)，如表2所示。从表2中可看出，根据公式(1)，读出的频率乘以30就是转速。再结合图7的曲线要求，可得出输入进AT91SAM7S64的Duty恰好与读出的风机频率接近，所以公式(3)完全反映了离心风机的实际工作状态。这为实时精确控制离心风机的状态，运用PID或模糊PID算法进行闭环控制提供了可能。

表2 参数Duty和风机输出频率及风机转速的关系表(部分参数示例)

在实际运行中，由于系统的箱体是密闭的，在离心风机运行时，在密闭的箱体内的气流对离心风机的运转产生阻力即风阻，使得离心风机的运转速度下降。根据实际测试，必须增加Duty作为校正值，增加相应的转速，克服相应的风阻，来达到图7曲线所需的风机的速度与温度的线性关系。实际所加校正值为3和1。在35

图8 外循环离心风机要求的控制曲线图(无负载)

3 拟合ARM PWM一次函数算法在通信柜热交换器产品中的应用举例

在上海贝尔Alcatel-Lucnt公司的MDU通信机柜热交换器中，使用了拟合PWM转速温度一次函数算法，实际算法示例如下：

在系统运行时，可从上位机监控界面中看到实际的温度和转速的曲线图，从界面中还可读到环境温度和内外循环离心风机的转速。经过实际测试，完全符合图7和图8的线性控制要求。如当通信设备环境温度为40℃时，无负载时(通信设备未启动，没有发热)，离心风机的转速应是1 000转/分钟左右，实际测试时为995转/分钟。实际测试时，产品放在温箱中，不但要测试无负载时各个环境温度点的转速，在设置一定的环境温度(温箱内温度)下，还要测通信机柜内加负载(模拟调试设备的发热量)为300 W和1 000 W热量时的离心风机的转速及机柜内的温度。以上各种测试均符合温度转速的线性控制要求，并且控制响应快，换热效果好。由于篇幅限制，关于这方面实际测试方面的验证数据不再赘述。

4 结论

通过拟合一次函数的方法，不仅简化了软件硬件的设计，节约成本，而且能够连续实时地跟踪环境温度，实时有效控制离心风机转速，达到逼近直线、快速响应、快速换热的目的，从而使得整个系统的换热性能大大提高。目前该设计已投入了生产，已有千台HEX系统在印度尼西亚、菲律宾的MDU通信基站上使用，效果良好。以拟合一次函数的方法作为基础，还可以方便地引入PID控制或模糊PID控制，使得系统成为一个有效的闭环控制系统。由于篇幅限制，在这方面的应用不再赘述。

[1] 吴晓. 智能热交换技术在通信机房中的节能应用[J]. 通信电源技术, 2013,30(4):116-119.

[2] 钱颂文. 换热器设计手册[M]. 北京:化学工业出版社, 2002.

[3] 成心得. 离心通风机[M]. 北京:化学出版社, 2006.

[4] 依必安派特. 依必安派特绿色科技EC技术及应用[J]. 供热制冷, 2013,(4):68-69

[5] 马忠梅.AT91系列ARM核微控制器结构与开发[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.

The design of a linear ARM PWM function algorithm based on the heat exchanger

Huang Shunfu

(Shanghai Bell Company, Shanghai 201206, China)

The heat exchange system is very important heat transfer equipment. It has been widely used in all industrial fields including the communication. It has advantages such as compact, lightweight, high-strength heat exchange, energy saving, pollution prevention, and environmental protection，and complies with the development trend of today. It controls flow and pressure into the heat exchange core to achieve heat exchange between inside and outside air isolated by the centrifugal fan. It reduces the heater of the communication equipment to ensure that the equipment runs well. With design of the PWM linear function of the centrifugal fan speed and the temperature, it can simplify the hardware and software of controller. So it realizes continuous tracking and fast real-time response for thermal controlling, improves the stability of the products, reduces the cost, and greatly improves the economic benefit of the company.

heat exchanger; centrifugal fan; PWM; temperature; linear function

TP 29

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.24.027

黄顺福. 基于热交换器拟合ARM PWM一次函数算法设计[J].微型机与应用，2016,35(24)：94-97，104.

2016-07-22)

黄顺福(1964-)，男，工程硕士，工程师，主要研究方向：自动化测试，自动化控制，嵌入式系统设计等。