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FilmForge/Src/heat.c
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C
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/**
* @file heat.c
* @brief 加热控制:慢 PWM 驱动(PB12)+ 分段 PID 控温闭环 + 安全保护。
* @details 硬件:PB12=HEAT_EN,高 = 加热开(2N7002K 电平转换 → VBE2412 PMOS → 24V)。
* 开关频率约束(<=10Hz)由"2s 载波周期 + 5% 占空步进"保证——每档脉宽
* 恒为 100ms 的整数倍(0.5Hz 载波、20 档占空分辨率)。
* 控制为分段式:
* err >= 温和带 全量 PID(满功率爬升);
* 0 <= err < 温和带 正常 PID 但占空上限压到温和档(小功率缓升,
* 减少进带蓄热,降低越过目标后的惯性过冲);
* err < 0(超温) 强制关断 + 积分按负误差回退(执行器只能加热不能制冷)。
* @note 安全保护:上电默认关闭;NTC 传感器故障(OPEN/SHRT)强制关断;
* 过温(>= HEATER_OVERTEMP_C)滞回保护;未使能强制关断。
*/
#include "heat.h"
#include "ntc.h"
#include "gd32f4xx_rcu.h"
#include "gd32f4xx_gpio.h"
#include "board_config.h"
/******************************************************************************/
/* 内部状态 */
static bool s_enable = false; /* 加热使能(M3) */
static float s_target = 0.0f; /* 目标温度(M4) */
static uint8_t s_duty = 0; /* 量化占空档位 0~HEATER_PWM_STEPS(x STEP%) */
static bool s_overtemp = false; /* 过温锁存(滞回恢复) */
static float s_integral = 0.0f; /* PID 积分项 */
static float s_prev_err = 0.0f; /* PID 上次误差 */
static uint16_t s_pwm_phase_ms = 0; /* PWM 载波相位 0..PERIOD-1 */
static uint16_t s_pid_divider = 0; /* PID 周期分频(10ms 圈) */
/* 档位总数 = 100% / 步进% */
#define HEATER_PWM_STEPS (100U / HEATER_PWM_STEP_PCT)
/******************************************************************************/
/* 底层输出 */
static void heat_out(bool on) {
if (on) {
gpio_bit_set(HEATER_EN_PORT, HEATER_EN_PIN);
} else {
gpio_bit_reset(HEATER_EN_PORT, HEATER_EN_PIN);
}
}
void heat_init(void) {
/* PB12 推挽输出低:上电默认加热关 */
rcu_periph_clock_enable(HEATER_EN_RCU);
gpio_mode_set(HEATER_EN_PORT, GPIO_MODE_OUTPUT, GPIO_PUPD_NONE, HEATER_EN_PIN);
gpio_output_options_set(HEATER_EN_PORT, GPIO_OTYPE_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, HEATER_EN_PIN);
heat_out(false);
}
/******************************************************************************/
/* PID */
/**
* @brief 复位 PID 积分与历史误差(使能切换/传感器故障时调用,防积分残留冲击)。
*/
static void pid_reset(void) {
s_integral = 0.0f;
s_prev_err = 0.0f;
}
/**
* @brief 积分试算值(err 一步积分;供抗饱和逻辑条件采纳)。
*/
static float integ_step(float err) {
return s_integral + err;
}
/**
* @brief 分段 PID 计算(500ms 周期):误差 -> 占空档位 s_duty。
*/
static void pid_compute(void) {
float t = ntc_get_temperature();
/* 传感器故障(开路/短路):安全第一,强制关断并复位 PID */
if (t <= -273.0f) {
s_duty = 0;
pid_reset();
return;
}
/* 未使能:强制关断 */
if (!s_enable) {
s_duty = 0;
pid_reset();
return;
}
/* 过温滞回保护:达到阈值锁存关断,降回阈值-滞回量后恢复 PID */
if (t >= HEATER_OVERTEMP_C) {
s_overtemp = true;
} else if (t <= (HEATER_OVERTEMP_C - HEATER_OVERTEMP_HYST)) {
s_overtemp = false;
}
if (s_overtemp) {
s_duty = 0;
pid_reset();
return;
}
float err = s_target - t;
/* 超温区间:执行器只能加热不能制冷,输出必须为 0;
积分按负误差回退,为温度回落后的重新加热保留正确初始态 */
if (err < 0.0f) {
s_integral = integ_step(err);
s_prev_err = err;
s_duty = 0;
return;
}
/* 位置式 PID(带抗积分饱和) */
float u = HEATER_PID_KP * err
+ HEATER_PID_KD * (err - s_prev_err)
+ HEATER_PID_KI * integ_step(err);
if (u > 100.0f) {
u = 100.0f;
/* 饱和:err>=0 分支积分不吸收(防 windup) */
} else {
s_integral = integ_step(err);
}
/* 温和带:距目标不足 HEATER_SLOWBAND_C 时,比例/微分即时响应受限
(小功率缓升,减少进带蓄热、降低惯性过冲);积分项不受限——
稳态维持功率由积分缓慢顶到实际需要值 */
if (err < HEATER_SLOWBAND_C) {
float u_pd = HEATER_PID_KP * err + HEATER_PID_KD * (err - s_prev_err);
if (u_pd > (float)HEATER_SLOWBAND_DUTY) {
u_pd = (float)HEATER_SLOWBAND_DUTY;
}
if (u_pd < 0.0f) {
u_pd = 0.0f;
}
u = u_pd + HEATER_PID_KI * s_integral;
if (u > 100.0f) {
u = 100.0f;
}
}
/* 输出量化到档位(四舍五入) */
s_duty = (uint8_t)((u + (float)HEATER_PWM_STEP_PCT / 2.0f) / (float)HEATER_PWM_STEP_PCT);
}
/******************************************************************************/
/* 公共接口 */
void heat_task(void) {
uint8_t prev_duty = s_duty;
/* PWM 载波相位推进(10ms tick) */
s_pwm_phase_ms += 10U;
if (s_pwm_phase_ms >= HEATER_PWM_PERIOD_MS) {
s_pwm_phase_ms = 0U;
}
/* PID 周期分频 */
s_pid_divider += 10U;
if (s_pid_divider >= HEATER_PID_PERIOD_MS) {
s_pid_divider = 0U;
pid_compute();
if (s_duty != prev_duty) {
s_pwm_phase_ms = 0U; /* 占空变更:从新周期起点开始,响应即时 */
}
}
/* 按占空档位输出:0 档常关、满档常开、其余按相位斩波 */
uint16_t on_ms = (uint16_t)s_duty * (HEATER_PWM_PERIOD_MS / HEATER_PWM_STEPS);
if (s_duty == 0U) {
heat_out(false);
} else if (s_duty >= HEATER_PWM_STEPS) {
heat_out(true);
} else {
heat_out(s_pwm_phase_ms < on_ms);
}
}
void heat_set_enable(bool on) {
if (s_enable == on) return; /* 幂等 */
s_enable = on;
if (!on) {
s_duty = 0;
pid_reset();
heat_out(false);
}
}
bool heat_get_enable(void) {
return s_enable;
}
void heat_set_target(float temp_c) {
s_target = temp_c;
}
float heat_get_target(void) {
return s_target;
}
uint8_t heat_get_duty(void) {
return s_duty;
}