0 概述

過去的10年中，我國鋁材尤其是鋁型材發(fā)展迅速，在航天、汽車、建筑、電子和包裝等工程領域得到廣泛應用，表面處理工藝的要求也隨之提高，由傳統(tǒng)陽極氧化等電源發(fā)展到現(xiàn)在的脈沖電源，但在實際應用中仍存在一定的缺陷，例如電源工藝單一、表面處理不均勻、著色顏色不理想、損耗大等，高品質(zhì)表面處理電源的需求日益明顯。

以晶閘管為核心的相控技術(shù)以其成熟性和高可靠性在金屬表面處理行業(yè)處于不可替代的地位。再配以高精度快速控制系統(tǒng)，就可以形成一種工藝多樣性、復雜性、高效節(jié)能的整流電源，從而提高鋁型材硬質(zhì)膜的品質(zhì)。

本文提出一種基于FPGA+PowePC的雙脈沖電源系統(tǒng)，應用于以晶閘管為功率器件的整流電源中，該控制系統(tǒng)精度高，速度快、自動化接口豐富等優(yōu)勢，滿足鋁型材“外包裝”過程中各種不同類型的電流或電壓波形，包括脈沖波、鋸齒波、連續(xù)直流波、直流疊加波、斷續(xù)直流波、正反向脈沖波、周期換向波、12脈波等，同時豐富的接口滿足自動化生產(chǎn)線的需求。

1 雙脈沖電源系統(tǒng)控制策略

雙脈沖電源主回路原理如圖1所示，變壓器次級為六相半波雙反星型，晶閘管拓撲結(jié)構(gòu)采用雙橋反并方式，在控制系統(tǒng)的作用下，進行柔性輸出。

圖1 雙脈沖電源主回路

目前，數(shù)字集成電路制造技術(shù)發(fā)展迅速，技術(shù)更新?lián)Q代的愈來愈快。集成度愈來愈高，功能愈來愈復雜?，F(xiàn)場可編程邏輯陳列控制器（FPGA）和以PowePC系列CPU為代表的高性能精簡指令架構(gòu)（RISC）處理器日趨完善，性價比高，這兩種器件都具有體系結(jié)構(gòu)清晰、邏輯單元靈活、集成度高、適用范圍廣、功耗低、開發(fā)工具先進、性能穩(wěn)定等特點，在航天、軍事、工業(yè)控制領域得到廣泛應用。

根據(jù)系統(tǒng)的需求，充分利用FPGA和PowePC各自優(yōu)勢，配合完成調(diào)節(jié)和自動化接口功能。FPGA時序控制和并行處理能力突出，用于完成DSP算法、時序邏輯處理、頻率測量、同步檢測、同步采樣、FFT、脈沖形成、通道冗余接口等；PowePC處理數(shù)據(jù)吞吐能力優(yōu)異，用于完成PID運算、邏輯保護、CAN、RS232、以太網(wǎng)通訊等。控制系統(tǒng)的架構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)架構(gòu)

1）數(shù)字量輸入隔離單元對外部輸入信號進行處理，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

2）數(shù)字量輸出隔離單元將內(nèi)部電平轉(zhuǎn)換成繼電器干接點輸出；

3）信號調(diào)理:將外部輸入信號轉(zhuǎn)換成-12V~+12V信號，并生成相應的方波信號、同步脈沖信號等，將DA輸出轉(zhuǎn)換成0~5V。

4）自動化接口即通訊接口，提供CAN接口、RS232接口、以太網(wǎng)接口，全部采用光隔離方式，降低系統(tǒng)通訊誤碼率，保證自動化生產(chǎn)穩(wěn)定、可靠。

2.1 數(shù)據(jù)交換

PowerPC系統(tǒng)時鐘刷新周期小于1ms，F(xiàn)PGA和PowerPC之間采用LOCAL BUS總線，完成一次所有數(shù)據(jù)信息交換時間小于1ms，保證兩者數(shù)據(jù)的實時性和準確性。

2.2 AD和DA

傳統(tǒng)AD和DA采用保持器和多路開關(guān)，缺點速度慢、精度低、功耗大。本文AD和DA采用多路16位芯片，與FPGA之間采用并行讀取方式。其中AD采樣與脈沖形成單元結(jié)合，控制AD采樣的起點和終點，保證了精度和速度，降低了功耗，大大提升系統(tǒng)性能。以工頻50HZ為例，一個脈沖周期是3.3ms，該系統(tǒng)可以在3.3ms時間內(nèi)完成大于1000個采樣點，DSP核運算，F(xiàn)PGA和CPU數(shù)據(jù)交換，一次PID運算。

2.3 脈沖形成和工作方式

脈沖形成采用三路同步信號，在同步信號任意一相斷線，系統(tǒng)都可以自動恢復同步信號，保證系統(tǒng)繼續(xù)運行。脈沖產(chǎn)生使用實時控制信號，每一路脈沖都使用當前脈沖作為移相依據(jù)，一次產(chǎn)生正向6路脈沖，反向6路脈沖。再配合不同的切換方式和時間，就可以產(chǎn)生多種工作方式，符合鋁型材“外包裝”復雜工藝要求。

2.4 頻率補償

由于同步處理使用了RC移相電路，在頻率不同時，移相角不同，為保證10HZ~100HZ頻率系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，需要對RC移相電路進行補償。本系統(tǒng)由FPGA直接對同步信號進行補償，保證RC移相電路前后的同步信號相位一致。

2.5 看門狗監(jiān)測

采用一款具有看門狗功能的電源管理芯片，提供2秒鐘打狗信號，該打狗信號由CPU完成，但是操作系統(tǒng)需要一個過程，系統(tǒng)初始上電由FPGA來進行打狗，50秒后將打狗權(quán)交給CPU，當CPU出現(xiàn)死機異常，系統(tǒng)會自動復位，并且閉鎖脈沖，保護系統(tǒng)安全運行。

本文系統(tǒng)具有對等冗余模塊，使用冗余技術(shù)實現(xiàn)雙通道熱備。對等冗余模塊互連，就可以實現(xiàn)運行和備用狀態(tài)的自動切換，不需要第三方單元參與，簡化了系統(tǒng)。備用通道實時跟蹤運行通道，當運行通道發(fā)生故障強行退出時，備用通道自動切換到運行通道，實現(xiàn)幾乎無擾動切換。

3 軟件設計

控制系統(tǒng)搭建好僅提供裸機運行平臺，需要嵌入式實時軟件的支持，方可充分調(diào)動硬件資源。本文采用RT－Linux嵌入式硬實時操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)成功地應用于航天飛機的空間數(shù)據(jù)采集、科學儀器測控和電影特技圖像處理等廣泛領域。

FPGA程序流程如圖3所示，PowerPC程序流程如圖4所示，為實現(xiàn)快速調(diào)節(jié)，采用周期PID運算，在實際應用中，F(xiàn)PGA完成12路脈沖輸出，再根據(jù)鋁型材表面處理工藝需求，完成各個工作方式；PowerPC控制系統(tǒng)的實時運行，在運行調(diào)節(jié)中對工作方式進行靈活組態(tài)，可輸出各種特色的波形。

圖3 FPGA流程圖

圖4 CPU流程圖

4 實際應用

以工頻電50HZ為供電，以晶閘管導通周期為控制周期，即3.3ms。設計換向周期、工作時間、正向脈沖數(shù)和反向脈沖數(shù)等參數(shù)靈活可變，方便用戶使用，輸出以下典型波形：

連續(xù)直流輸出

直流疊加輸出，其中基值脈沖6個 峰值脈沖2個

周期換向輸出，其中正向脈沖12個，反向脈沖1個

周期換向輸出，其中正向脈沖12個，反向脈沖數(shù)6個

簡單介紹了我國鋁型材表面處理的生產(chǎn)發(fā)展和工藝進步，深入分析了我國表面處理電源的技術(shù)特點，總結(jié)了表面處理工藝的技術(shù)問題，再從環(huán)境保護、節(jié)約能源、降低消耗和提高表面處理膜品質(zhì)等可持續(xù)發(fā)展的新高度，對鋁型材表面處理工藝的多樣性、復雜性和產(chǎn)品質(zhì)量的深入思考，進而提出了一種基于FPGA+PowePC雙脈沖電源系統(tǒng)，用于建筑鋁型材、工業(yè)鋁板、炊具制品等行業(yè)鋁合金的表面氧化、著色、電泳工藝及生產(chǎn)線控制和數(shù)據(jù)記錄，使鋁型材“外包裝”處理電源具有低碳、高效、節(jié)能等優(yōu)勢，并且提供豐富的生產(chǎn)線自動化接口。通過可編程和嵌入式器件的協(xié)同設計，輔助于合理的主回路拓撲結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)基于FPGA+PowerPC的雙脈沖電源系統(tǒng)（雙脈沖：正向6路脈沖，反向6路脈沖），該系統(tǒng)將可控硅相控技術(shù)發(fā)揮極致，大大提升了鋁型材表面處理膜的品質(zhì)，達到了低碳、高效、節(jié)能的目的，豐富的自動化接口適合各種生產(chǎn)線流程，符合現(xiàn)代鋁型材“外包裝”技術(shù)的發(fā)展方向。