摘  要： 設(shè)計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)計的瓶頸。ARM主控制器完成通信、顯示、PI計算等事務(wù)性功能，SA4828在ARM的驅(qū)動信號下發(fā)出6路幅值、頻率可調(diào)的SPWM波，實現(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，快速消除外界擾動對輸出的影響。采用模塊化的程序設(shè)計，便于根據(jù)工況加入新的模塊，同時系統(tǒng)注重可靠性設(shè)計，適用于工業(yè)現(xiàn)場。

　　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金屬液體進行非接觸攪拌，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的方法實現(xiàn)。即用一個低頻正弦波去調(diào)制一個高頻三角形的載波，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，也就實現(xiàn)了電源的變壓變頻控制[2]。通常產(chǎn)生PWM控制信號的方法有兩種：由硬件產(chǎn)生的模擬信號和由軟件產(chǎn)生的數(shù)字信號。硬件生成的PWM控制信號快速可靠，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控制信號比較靈活，但由于需要通過軟件來計算，所以速度比硬件產(chǎn)生的PWM控制信號稍慢。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計算等事務(wù)性功能，SA4828在ARM的驅(qū)動信號下發(fā)出6路幅值、頻率可調(diào)的SPWM波，實現(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

　　電磁攪拌變頻電源的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖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)斷時濾波電容放電通路和指示。因為濾波電容的容量很大，通常放電都需要幾分鐘時間，在三相380 V的電壓下會威脅人員的安全，故特別需要被標(biāo)識。全橋濾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)的減速是通過降低變頻器的輸出頻率而實現(xiàn)的，當(dāng)變頻器的輸出頻率下降過快時，負載的動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)致變頻器本身過電壓保護動作，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泵升電壓抑制器消耗掉。這里設(shè)計的泵升電壓抑制器是由一個大功率發(fā)熱電阻和一個有ARM控制通斷的IGBT組成。制動斷路接觸器在有泵升電壓發(fā)生的時候，同時設(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計算等事務(wù)性功能。隔離驅(qū)動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的電壓波形來控制IGBT組成的逆變輸出執(zhí)行模塊的通斷。鍵盤顯示模塊通過232串口和SPI口與ARM主控模塊進行雙向通信。信號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)動波形發(fā)生

　　PWM（Pulse Width Modulation）控制就是對脈沖的寬度進行調(diào)制，以沖量效果相等來等效地獲得目標(biāo)波形的一種方法。脈沖在幅值一致時，其寬度會以正弦波變化，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公司推出的一塊專用于SPWM信號發(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)動能力。內(nèi)部ROM固化了3種波形：純正弦波形、3次諧波增強型和帶死區(qū)增強型輸出波形[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)總線和地址總線；SA4828的寫控制端WR、讀控制端RD和寫地址鎖存端ALE分別與LPC2368的I/O口連接；SA4828的時鐘CLK信號接24 MHz的有源晶振保證時鐘的穩(wěn)定，VDD、MUX和RS均接電源，VSS接地，ZPPR接LPC2368的外部中斷口實時監(jiān)控輸出的調(diào)制波頻率，SETTRIP與外部故障信號連接。SA4828的六路輸出端接到隔離驅(qū)動模塊的輸入端，根據(jù)固件設(shè)置產(chǎn)生對應(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)光報警，同時進入INT0的中斷服務(wù)程序，進行軟件后續(xù)故障處理。

　　通過LPC2368對SA4828的輸入控制可以實現(xiàn)輸出電源頻率2~20 Hz，滿足電磁攪拌裝置的需要。通過LPC2368對SA4828特定寄存器寫入特定值來設(shè)定死區(qū)時間，可以防止IGBT的共態(tài)導(dǎo)通，設(shè)定窄脈沖刪除時間可降低開關(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到1 V。

3 高精度控制算法設(shè)計

　　當(dāng)變頻電源正常運行時，為了實現(xiàn)系統(tǒng)的反饋與實時控制，需要對SA4828的控制字進行修改。根據(jù)現(xiàn)場試驗效果，認為數(shù)字增量型PI控制策略的調(diào)節(jié)效果不錯。圖3給出了信號采集反饋模塊采用數(shù)字增量型PI控制策略的詳細流程。

　　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，在AD采樣后進行中值濾波，若濾波后數(shù)據(jù)超過限定值，則程序立即終止，并發(fā)出報警信號，否則根據(jù)式（2）計算輸出與設(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）計算出系統(tǒng)控制輸出u（k）的值。把這個值轉(zhuǎn)換成十六進制的值寫入SA4828的控制寄存器即可實現(xiàn)閉環(huán)反饋PI控制，然后步進k自增，重復(fù)上述過程。

　　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問題。u（k）只決定執(zhí)行裝置位置的改變量。當(dāng)計算機出現(xiàn)故障時，執(zhí)行機構(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)的作用是對擾動作出快速反應(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，它將通過積累作用影響控制量，使偏差趨向于零，系統(tǒng)達到穩(wěn)定。

4 程序設(shè)計方案

　　程序設(shè)計是電源系統(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)，若自檢不通過則不能啟動系統(tǒng)，若通過了自檢，則將SA4828幅度控制寄存器的控制字從0逐漸加到設(shè)定值，即可輕松實現(xiàn)緩啟動功能。隨著電磁攪拌的進程，需要的電源頻率和電流大小都會隨時改變，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的數(shù)值，若出現(xiàn)過流、過壓或欠壓的任意一種情況，系統(tǒng)將封鎖輸出并報警，若都正常，則在軟件中更新看門狗定時器，防止其溢出導(dǎo)致的系統(tǒng)中斷SPWM信號輸出。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)場的工況。為了減小實際輸出值和控制設(shè)定值之間的偏差，采用PI整定進行控制，從而快速穩(wěn)定系統(tǒng)，把經(jīng)過PI計算的值與之前寫入SA4828控制寄存器的參數(shù)進行比較，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)的整個流程，若一致，則不斷更新看門狗，保持當(dāng)前狀態(tài)。

5 結(jié)論

　　本文設(shè)計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)計的瓶頸。ARM主控制器完成通信、顯示、PI計算等事務(wù)性功能，SA4828在ARM的驅(qū)動信號下發(fā)出6路幅值頻率可調(diào)的SPWM波，實現(xiàn)了高精度配置靈活的三相變頻電源。為了消除外界擾動對輸出的影響，采用數(shù)字增量式PI控制策略，步進能快速消除擾動，即使計算機出現(xiàn)故障，執(zhí)行機構(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

　　[1] 齊雅麗，蔣光霖，張國志.電磁攪拌對液態(tài)金屬運動及凝固組織的影響[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[J].電氣傳動，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.