摘  要： 設(shè)計(jì)了一種智能型電磁攪拌電源的控制系統(tǒng)，基于LPC2368和SA4828的組合，突破了純硬件和純軟件設(shè)計(jì)的瓶頸。ARM主控制器完成通信、顯示、PI計(jì)算等事務(wù)性功能，SA4828在ARM的驅(qū)動(dòng)信號(hào)下發(fā)出6路幅值、頻率可調(diào)的SPWM波，實(shí)現(xiàn)了高精度配置靈活的三相變頻電源。采用數(shù)字增量式PI控制策略，快速消除外界擾動(dòng)對(duì)輸出的影響。采用模塊化的程序設(shè)計(jì)，便于根據(jù)工況加入新的模塊，同時(shí)系統(tǒng)注重可靠性設(shè)計(jì)，適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。

　　關(guān)鍵詞： 電磁攪拌；變頻電源；SA4828；SPWM

0 引言

　　連鑄電磁攪拌裝置靠電磁力對(duì)金屬液體進(jìn)行非接觸攪拌，使熔體的溫度和合金成分均勻，能有效提高表面質(zhì)量，減少中心偏析和疏松，基本消除中心縮孔和裂紋，已廣泛應(yīng)用于各種方圓坯連鑄機(jī)上[1]。電磁攪拌裝置是一種工作在高溫、高濕度及高塵渣等惡劣環(huán)境下的電氣設(shè)備，為了達(dá)到設(shè)定的電磁推力，又要盡量減小裝置的體積，這就需要使用一個(gè)電壓和頻率都可以連續(xù)調(diào)節(jié)的大功率三相電源。

　　三相電源一般采用SPWM的方法實(shí)現(xiàn)。即用一個(gè)低頻正弦波去調(diào)制一個(gè)高頻三角形的載波，得到一串等幅不等寬的脈沖。它里面包含有一個(gè)基波分量和極少的諧波。改變調(diào)制波的頻率和幅值，就可以改變脈沖串里基波分量的頻率和幅值，也就實(shí)現(xiàn)了電源的變壓變頻控制[2]。通常產(chǎn)生PWM控制信號(hào)的方法有兩種：由硬件產(chǎn)生的模擬信號(hào)和由軟件產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)。硬件生成的PWM控制信號(hào)快速可靠，但由于控制參數(shù)難以改變，所以不夠靈活；軟件生成的數(shù)字PWM控制信號(hào)比較靈活，但由于需要通過(guò)軟件來(lái)計(jì)算，所以速度比硬件產(chǎn)生的PWM控制信號(hào)稍慢。鑒于純硬件和純軟件都有瓶頸的現(xiàn)狀，采用ARM主控制器和SA4828 PWM波形發(fā)生器結(jié)合的控制策略，ARM主控制器完成通信、顯示、PI計(jì)算等事務(wù)性功能，SA4828在ARM的驅(qū)動(dòng)信號(hào)下發(fā)出6路幅值、頻率可調(diào)的SPWM波，實(shí)現(xiàn)了高精度配置靈活的三相變頻電源。

1 電磁攪拌變頻電源總體設(shè)計(jì)

　　電磁攪拌變頻電源的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。電壓狀態(tài)指示器除了指示電源的通電外，更重要的是作為關(guān)斷時(shí)濾波電容放電通路和指示。因?yàn)闉V波電容的容量很大，通常放電都需要幾分鐘時(shí)間，在三相380 V的電壓下會(huì)威脅人員的安全，故特別需要被標(biāo)識(shí)。全橋?yàn)V波整形模塊把輸入的380 V交流電轉(zhuǎn)換成約537 V的直流電。電壓調(diào)整分配模塊把約537 V的直流電通過(guò)分壓變壓轉(zhuǎn)換成+15 V、+24 V、+5 V和+3.3 V電壓供給不同模塊對(duì)電源的需求。在變頻器的交流調(diào)速中，系統(tǒng)的減速是通過(guò)降低變頻器的輸出頻率而實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)變頻器的輸出頻率下降過(guò)快時(shí)，負(fù)載的動(dòng)能要回饋到直流電路中，使直流電路電壓（泵升電壓）不斷上升，導(dǎo)致變頻器本身過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作，切斷變頻器的輸出。為了避免出現(xiàn)這一現(xiàn)象，必須將再生到直流電路的能量通過(guò)泵升電壓抑制器消耗掉。這里設(shè)計(jì)的泵升電壓抑制器是由一個(gè)大功率發(fā)熱電阻和一個(gè)有ARM控制通斷的IGBT組成。制動(dòng)斷路接觸器在有泵升電壓發(fā)生的時(shí)候，同時(shí)設(shè)置接觸器形成熱斷路回路。ARM主控模塊采用NXP公司的LPC2368，主要完成通信、顯示、PI計(jì)算等事務(wù)性功能。隔離驅(qū)動(dòng)模塊采用富士公司的EXB841，把6路5 V的SPWM波轉(zhuǎn)換成+15 V、-5 V的電壓波形來(lái)控制IGBT組成的逆變輸出執(zhí)行模塊的通斷。鍵盤(pán)顯示模塊通過(guò)232串口和SPI口與ARM主控模塊進(jìn)行雙向通信。信號(hào)采集反饋模塊采用北京森社電子有限公司的閉環(huán)霍爾電流傳感器CHB-500SG，把輸出的三相電流反饋到ARM主控模塊，得到的電流幅值和相位供控制算法使用。

2 SPWM驅(qū)動(dòng)波形發(fā)生

　　PWM（Pulse Width Modulation）控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，以沖量效果相等來(lái)等效地獲得目標(biāo)波形的一種方法。脈沖在幅值一致時(shí)，其寬度會(huì)以正弦波變化，根據(jù)面積等效原理，從作用效果上看，PWM波形與正弦波是等效的，這是在逆變控制中最廣泛應(yīng)用的SPWM（Sinusoidal PWM）波形[3]。

　　SA4828芯片是Mitel公司推出的一塊專(zhuān)用于SPWM信號(hào)發(fā)生和集成控制的芯片，能夠與大多數(shù)主流控制器I/O連接，其載波頻率最高為24 kHz，輸出的SPWM波頻率范圍為0~4 kHz，可設(shè)置死區(qū)和最小脈寬，每一相輸出都是標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平，具有最大12 mA的驅(qū)動(dòng)能力。內(nèi)部ROM固化了3種波形：純正弦波形、3次諧波增強(qiáng)型和帶死區(qū)增強(qiáng)型輸出波形[4]。

　　如圖2所示為適用于電磁攪拌變頻電源的SPWM波發(fā)生原理圖。SA4828的AD0~AD7接LPC2368的8路I/O口組成模擬的數(shù)據(jù)總線(xiàn)和地址總線(xiàn)；SA4828的寫(xiě)控制端WR、讀控制端RD和寫(xiě)地址鎖存端ALE分別與LPC2368的I/O口連接；SA4828的時(shí)鐘CLK信號(hào)接24 MHz的有源晶振保證時(shí)鐘的穩(wěn)定，VDD、MUX和RS均接電源，VSS接地，ZPPR接LPC2368的外部中斷口實(shí)時(shí)監(jiān)控輸出的調(diào)制波頻率，SETTRIP與外部故障信號(hào)連接。SA4828的六路輸出端接到隔離驅(qū)動(dòng)模塊的輸入端，根據(jù)固件設(shè)置產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的SPWM波，一旦故障發(fā)生，SA4828的六路輸出將被立即封鎖Trip端口，拉低LED1發(fā)光報(bào)警，同時(shí)進(jìn)入INT0的中斷服務(wù)程序，進(jìn)行軟件后續(xù)故障處理。

　　通過(guò)LPC2368對(duì)SA4828的輸入控制可以實(shí)現(xiàn)輸出電源頻率2~20 Hz，滿(mǎn)足電磁攪拌裝置的需要。通過(guò)LPC2368對(duì)SA4828特定寄存器寫(xiě)入特定值來(lái)設(shè)定死區(qū)時(shí)間，可以防止IGBT的共態(tài)導(dǎo)通，設(shè)定窄脈沖刪除時(shí)間可降低開(kāi)關(guān)頻率減少器件發(fā)熱。16位調(diào)速分辨率使得電源頻率可以精確到千分之一赫茲，8位調(diào)壓分辨率使得輸出的三相電源精度達(dá)到1 V。

3 高精度控制算法設(shè)計(jì)

　　當(dāng)變頻電源正常運(yùn)行時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的反饋與實(shí)時(shí)控制，需要對(duì)SA4828的控制字進(jìn)行修改。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果，認(rèn)為數(shù)字增量型PI控制策略的調(diào)節(jié)效果不錯(cuò)。圖3給出了信號(hào)采集反饋模塊采用數(shù)字增量型PI控制策略的詳細(xì)流程。

　　數(shù)字增量型PI算法：

　　其中kp是比例系數(shù)、ki是積分系數(shù)。

　　首先，為防止脈沖擾動(dòng)，在AD采樣后進(jìn)行中值濾波，若濾波后數(shù)據(jù)超過(guò)限定值，則程序立即終止，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，否則根據(jù)式（2）計(jì)算輸出與設(shè)定之間的偏差e（k）的值，然后把式（2）的結(jié)果代入式（1）計(jì)算執(zhí)行裝置位置的改變量u（k）的值，在此基礎(chǔ)上根據(jù)式（3）計(jì)算出系統(tǒng)控制輸出u（k）的值。把這個(gè)值轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制的值寫(xiě)入SA4828的控制寄存器即可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋PI控制，然后步進(jìn)k自增，重復(fù)上述過(guò)程。

　　傳統(tǒng)的模擬式PI控制中設(shè)備的性能受外界溫度、濕度等環(huán)境因素影響很大，在實(shí)際環(huán)境中容易出現(xiàn)工作不穩(wěn)定的狀況，用數(shù)字增量式PI控制策略則可完全解決這個(gè)問(wèn)題。u（k）只決定執(zhí)行裝置位置的改變量。當(dāng)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)仍保持在前一步的位置上，這樣安全性和可靠性就能大大提高。比例環(huán)節(jié)的作用是對(duì)擾動(dòng)作出快速反應(yīng)；積分環(huán)節(jié)的作用是消除系統(tǒng)靜差，只要偏差不為零，它將通過(guò)積累作用影響控制量，使偏差趨向于零，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。

4 程序設(shè)計(jì)方案

　　程序設(shè)計(jì)是電源系統(tǒng)的核心，它決定三相變頻電源輸出電壓的穩(wěn)定度、精度以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度等。系統(tǒng)主程序采用模塊化編程方法，圖4所示為在主控模塊的作用下，三相變頻電源的主程序流程圖。系統(tǒng)上電后進(jìn)行初始化自檢，自檢的目的是確保各硬件模塊處于正常待命狀態(tài)，若自檢不通過(guò)則不能啟動(dòng)系統(tǒng)，若通過(guò)了自檢，則將SA4828幅度控制寄存器的控制字從0逐漸加到設(shè)定值，即可輕松實(shí)現(xiàn)緩啟動(dòng)功能。隨著電磁攪拌的進(jìn)程，需要的電源頻率和電流大小都會(huì)隨時(shí)改變，則三相變頻電源需要根據(jù)工況調(diào)整輸出電壓幅值和頻率參數(shù)，在調(diào)整命令發(fā)出后就要不斷讀取傳感器傳送回來(lái)的數(shù)值，若出現(xiàn)過(guò)流、過(guò)壓或欠壓的任意一種情況，系統(tǒng)將封鎖輸出并報(bào)警，若都正常，則在軟件中更新看門(mén)狗定時(shí)器，防止其溢出導(dǎo)致的系統(tǒng)中斷SPWM信號(hào)輸出。然后在顯示器上顯示當(dāng)前的工作狀態(tài)參數(shù)，以便在控制室監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的工況。為了減小實(shí)際輸出值和控制設(shè)定值之間的偏差，采用PI整定進(jìn)行控制，從而快速穩(wěn)定系統(tǒng)，把經(jīng)過(guò)PI計(jì)算的值與之前寫(xiě)入SA4828控制寄存器的參數(shù)進(jìn)行比較，看是否一致，若不一致則需要更新控制參數(shù)重復(fù)調(diào)整參數(shù)的整個(gè)流程，若一致，則不斷更新看門(mén)狗，保持當(dāng)前狀態(tài)。

5 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)了一種智能型高精度電磁攪拌電源的控制系統(tǒng)，基于LPC2368和SA4828的組合，突破了純硬件和純軟件設(shè)計(jì)的瓶頸。ARM主控制器完成通信、顯示、PI計(jì)算等事務(wù)性功能，SA4828在ARM的驅(qū)動(dòng)信號(hào)下發(fā)出6路幅值頻率可調(diào)的SPWM波，實(shí)現(xiàn)了高精度配置靈活的三相變頻電源。為了消除外界擾動(dòng)對(duì)輸出的影響，采用數(shù)字增量式PI控制策略，步進(jìn)能快速消除擾動(dòng)，即使計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，執(zhí)行機(jī)構(gòu)仍保持在前一步的位置上，這樣安全性和可靠性也得到了提高。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 齊雅麗，蔣光霖，張國(guó)志.電磁攪拌對(duì)液態(tài)金屬運(yùn)動(dòng)及凝固組織的影響[J].鑄造技術(shù)，2005，26（2）：118-120.

　　[2] 徐志躍.基于SA4828的變頻器設(shè)計(jì)[J].電氣傳動(dòng)，2006，36（1）：14-16.

　　[3] 張藝東.SPWM逆變器調(diào)制方式的研究[J].科技創(chuàng)新與生產(chǎn)力，2011（5）：100-102.

　　[4] MITEL. SA4828 3-phase pulse width modulation engine advance information[R]. 1999.