1． 概述

以晶閘管元件為核心的相控技術(shù)以其成熟性和高可靠性在大功率和特大功率整流電源中仍不可替代。此類電源主要面向金屬表面處理行業(yè)、電子行業(yè)、電解行業(yè)、鋼鐵行業(yè)、電力行業(yè)等。

電源不是孤立的設(shè)備，它必定是特定工藝的配套設(shè)備。工藝的發(fā)展與電源的開發(fā)是相互促進(jìn)的，在對(duì)工藝的研究過程中，需要有靈活的多功能電源配套，比如對(duì)參數(shù)的調(diào)整，對(duì)輸出功率的調(diào)整，對(duì)輸出波形的調(diào)整，對(duì)工作時(shí)間的調(diào)整等。工藝的多樣性要求整流電源輸出波形多樣化。例如在鋁型材氧化和著色過程中，需要各種不同類型的電流或電壓波形，包括變形交流波、鋸齒波、脈沖波、交直流疊加波、連續(xù)直流波、斷續(xù)直流波、周期換向波等^[1]。

除此之外，在許多應(yīng)用場(chǎng)合，為了減少諧波分量，電源設(shè)備被要求采用12脈以上整流方式。這也是波形輸出多樣化的一種表現(xiàn)形式。

傳統(tǒng)的解決方案是針對(duì)某一種輸出波形作專門設(shè)計(jì)，制造出特種電源或試驗(yàn)用電源。比較明顯的缺陷是設(shè)備的適應(yīng)性差，設(shè)備的功能和性能難以滿足工廠提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品多樣性的需要，也難以滿足工廠自動(dòng)化的需要。同時(shí)，由于批量小，批次少，電源產(chǎn)品質(zhì)量也不盡如人意。

交流380V進(jìn)入整流變壓器，變壓器輸出是交流8000A/30V（因很多場(chǎng)合需要大直流電流當(dāng)作電解電流）所以還得將交流8000A/30V經(jīng)過可控硅整成直流8000A/30V。通過控制可控硅導(dǎo)通角的角度來控制可控硅中電流通過的大小，所以，額定8000A/30V的整流電源，可以輸出從0A-8000A的電流和0V-30V的電壓。其值可以根據(jù)需要所定。

2． 設(shè)計(jì)目標(biāo)

我們的設(shè)想是設(shè)計(jì)一種基于嵌入式系統(tǒng)的柔性整流電源，在同一種軟硬件平臺(tái)上，配合主回路的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)裝置輸出波形的多樣性，即柔性輸出，滿足不同行業(yè)或工藝對(duì)電源輸出波形的要求。

在硬件設(shè)計(jì)上采用微處理器+大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷Ｊ?，一方面，使硬件電路具有較強(qiáng)的可重塑性和廣泛的適應(yīng)性，另一方面，減小電路功耗、體積，提高集成度和可靠性。

在軟件設(shè)計(jì)上采用嵌入式操作系統(tǒng)作為開發(fā)平臺(tái)，完善多任務(wù)運(yùn)行機(jī)制，提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和軟件運(yùn)行可靠性。

同時(shí)也考慮將現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)嵌入到整流電源設(shè)備中，用于對(duì)外接口，為工廠實(shí)現(xiàn)“四遙”功能、降低勞動(dòng)強(qiáng)度創(chuàng)造條件。

3． 控制器設(shè)計(jì)方案

3．1硬件方案

硬件的核心是嵌入式ARM處理器和現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列控制器（FPGA）。

ARM處理器采用RISC架構(gòu)，具有體積小、低功耗、低成本、高性能等優(yōu)點(diǎn)，集成有豐富的外設(shè)，包括存儲(chǔ)器、通訊接口等，第三方開發(fā)工具多，支持嵌入式操作系統(tǒng)。

FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列）內(nèi)部邏輯可以自由定義。具有精確時(shí)序和同步、快速?zèng)Q策及并行任務(wù)同時(shí)執(zhí)行等優(yōu)點(diǎn)。新型FPGA內(nèi)部集成了大容量RAM和多路DSP，非常適合數(shù)字信號(hào)處理。

根據(jù)系統(tǒng)的需求，充分利用ARM處理器和FPGA各自優(yōu)勢(shì)，配合完成調(diào)節(jié)器功能。ARM指令靈活，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)控制和通信；FPGA時(shí)序控制能力和并行處理能力強(qiáng)，適合固定的算法和時(shí)序邏輯處理，可以實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量、同步采樣、FFT、同步檢測(cè)、脈沖形成和冗余邏輯。

在控制器脈沖輸出環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)了獨(dú)立的12路脈沖，這12路脈沖可以根據(jù)晶閘管整流回路的設(shè)計(jì)靈活組態(tài)。

為了提高控制器運(yùn)行可靠性，我們對(duì)調(diào)節(jié)器采用了對(duì)等冗余的設(shè)計(jì)方案，即兩套調(diào)節(jié)器互為備用。在軟硬件設(shè)計(jì)中考慮了對(duì)調(diào)節(jié)器的失效有效地進(jìn)行檢測(cè)和處理，具有通道跟蹤和自動(dòng)切換功能。冗余的設(shè)計(jì)方案可用在電解鋁、氯堿化工等行業(yè)。

典型的控制器系統(tǒng)組成框圖見圖1，它由兩套獨(dú)立的調(diào)節(jié)器和信號(hào)調(diào)理板、公用的開關(guān)量輸入隔離模塊和開關(guān)量輸出隔離模塊組成。開關(guān)量輸入隔離模塊將對(duì)外部輸入進(jìn)行處理，提高系統(tǒng)抗干擾能力；開關(guān)量輸出模塊將內(nèi)部的電平輸出轉(zhuǎn)換成繼電器接點(diǎn)輸出；信號(hào)調(diào)理板將外部輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成A/D轉(zhuǎn)換器可接收的電壓信號(hào)，也生成相關(guān)的方波信號(hào)用于測(cè)頻；調(diào)節(jié)板完成模擬信號(hào)采樣、調(diào)節(jié)運(yùn)算、脈沖形成、冗余接口和調(diào)試接口。為了提高采樣精度和采樣速度，在硬件設(shè)計(jì)上采用多路16位A/D模塊。

把CAN總線嵌入到控制器中，通過CAN總線可實(shí)現(xiàn)設(shè)備互聯(lián)并嵌入到工廠自動(dòng)化系統(tǒng)中。

圖1 雙通道控制器原理框圖

3．2軟件設(shè)計(jì)

以嵌入式處理器為中心搭建好硬件電路時(shí)僅提供了裸機(jī)運(yùn)行平臺(tái)，要使整個(gè)系統(tǒng)有限的硬件資源充分利用起來，還需要嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）的軟件支持。之所以在本項(xiàng)目使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，是因?yàn)镽TOS將應(yīng)用分解成多個(gè)任務(wù)，簡(jiǎn)化了應(yīng)用系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)；RTOS也使控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性得到保證，可以接近理論上能達(dá)到的最好水平；良好的多任務(wù)設(shè)計(jì)，有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

我們采用了加拿大MICRIUM公司設(shè)計(jì)的uC/OS-II操作系統(tǒng)，它是一個(gè)完整的、可移植、可固化、可裁剪的占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核。它嵌入在目標(biāo)代碼中，系統(tǒng)復(fù)位后首先執(zhí)行，因此可看作是主控程序，它負(fù)責(zé)在硬件基礎(chǔ)之上為應(yīng)用硬件建立一個(gè)功能更為強(qiáng)大的運(yùn)行環(huán)境，用戶其他應(yīng)用程序都建立在RTOS上，并根據(jù)各個(gè)任務(wù)的優(yōu)先權(quán)合理地在不同的任務(wù)之間分配CPU時(shí)間。不僅如此，它還是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)核，將CPU時(shí)間、中斷、I/O、定時(shí)器等資源都包裝起來，留給用戶一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的API。

控制器配置調(diào)試接口和上位機(jī)調(diào)試軟件，可以對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視；可以在線修改系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)；可以發(fā)出命令完成各種試驗(yàn)。

FPGA實(shí)現(xiàn)模擬量信號(hào)的同步采樣和計(jì)算，針對(duì)不同的模擬量信號(hào)設(shè)計(jì)了三種算法：快速FFT移窗算法用于交流量有效值計(jì)算；移窗平均值算法用于連續(xù)性直流量計(jì)算；全波平均值算法用于斷續(xù)性直流量計(jì)算。

4． 關(guān)鍵技術(shù)問題

4．1脈沖控制

為了實(shí)現(xiàn)多波形輸出，晶閘管脈沖控制是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。在工程應(yīng)用中，控制器輸出的12路脈沖可以根據(jù)晶閘管整流回路的設(shè)計(jì)靈活組態(tài)，包括三相全控橋、三相半控橋、六相半波、六相雙反星形、正負(fù)橋、12脈波整流、單相整流等。在軟件設(shè)計(jì)中，這些模式被固化到控制器，通過上位機(jī)調(diào)試軟件或設(shè)備人機(jī)接口選擇相關(guān)的工作模式，控制器將自動(dòng)按照設(shè)定的模式工作。因此，同一種控制器配合不同的主回路，可輸出數(shù)十種各具特色的波形。

4．2模擬量采樣

    連續(xù)的模擬量采樣技術(shù)和計(jì)算技術(shù)是成熟的。對(duì)于連續(xù)的交流量，采用移窗FFT算法計(jì)算有效值；對(duì)于連續(xù)的直流量，采用移窗平均值算法計(jì)算平均值。

如何準(zhǔn)確地測(cè)量斷續(xù)性的直流量是軟硬件設(shè)計(jì)過程中需要解決的難點(diǎn)問題。基本出發(fā)點(diǎn)是將其分解為多個(gè)變量，比如周期換向波形可分解為正向輸出與負(fù)向輸出兩個(gè)變量，直流脈沖波形可分解為谷值直流分量和峰值分量。在此基礎(chǔ)上，我們采用與脈沖同步的全波平均值算法用于各個(gè)分量的檢測(cè)與計(jì)算。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是顯然的：它不僅解決了斷續(xù)性直流量的檢測(cè)問題，能夠直觀地顯示實(shí)際值，也為實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制奠定了基礎(chǔ)。

    首先，要確定全波的范圍（即一個(gè)計(jì)算周期）。在晶閘管整流器中，全波的范圍即為一個(gè)晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間。不同的主回路的接線方式，晶閘管元件導(dǎo)通時(shí)間是不同的，比如，三相全控橋中，每個(gè)晶閘管導(dǎo)通時(shí)間為1/3周期，六相半波中，每個(gè)晶閘管導(dǎo)通時(shí)間為1/6周期。

    其次，采樣要與脈沖同步。只有脈沖輸出后,晶閘管才能導(dǎo)通，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果才是我們所需要的。

    另外，為了保證測(cè)量精度，要盡可能地提高全波范圍內(nèi)的采樣頻率，采樣頻率愈高，測(cè)量精度愈高。

為此需要軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)。在硬件上，為了提高采樣精度和采樣速度，采用多路16位A/D模塊完成12路模擬量轉(zhuǎn)換，同時(shí)，F(xiàn)PGA工作頻率也要足夠高，本控制器硬件設(shè)計(jì)可使每一路模擬量轉(zhuǎn)換頻率達(dá)1024次/20mS；在功能劃分上，F(xiàn)PGA既控制A/D轉(zhuǎn)換，又控制脈沖形成和輸出，這樣可實(shí)現(xiàn)采樣與脈沖同步；根據(jù)設(shè)定的工作模式，可確定相應(yīng)的計(jì)算周期。

4．3閉環(huán)調(diào)節(jié)

    針對(duì)直流脈沖、斷續(xù)直流、周期換向等不連續(xù)波形，為了實(shí)現(xiàn)快速閉環(huán)調(diào)節(jié)，我們提出了同步PID調(diào)節(jié)的概念，它也適用于連續(xù)的反饋?zhàn)兞康恼{(diào)節(jié)。

同步PID調(diào)節(jié)建立在與脈沖同步全波平均值算法的基礎(chǔ)上，全波平均值算法得到的每一個(gè)分量均對(duì)應(yīng)一個(gè)獨(dú)立同步PID調(diào)節(jié)器。

FPGA采樣計(jì)算程序框圖見圖2所示，ARM定時(shí)調(diào)節(jié)框圖見圖3所示。在FPGA和ARM的數(shù)據(jù)交換區(qū)中設(shè)置了數(shù)據(jù)更新標(biāo)志位，F(xiàn)PGA采樣完成并計(jì)算得到新的數(shù)據(jù)后，把標(biāo)志位置位；ARM讀出數(shù)據(jù)后，把標(biāo)志位復(fù)位，并根據(jù)新的數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)計(jì)算。通過這種方式實(shí)現(xiàn)了調(diào)節(jié)與數(shù)據(jù)更新的同步，從調(diào)節(jié)效果看，把斷續(xù)的過程連續(xù)化了。ARM定時(shí)調(diào)節(jié)周期設(shè)計(jì)為略小于FPGA計(jì)算更新周期，保證了優(yōu)良的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)性能。

圖2  FPGA采樣計(jì)算程序框圖          圖3  ARM定時(shí)調(diào)節(jié)框圖

5． 設(shè)計(jì)實(shí)例

在此基礎(chǔ)上為某鋁制品廠設(shè)計(jì)制造5套柔性輸出整流電源，輸出參數(shù)：8000A/70V，要求輸出波形具有以下幾種類型：

1） 連續(xù)直流

2） 直流脈沖

3） 斷續(xù)直流

4） 周期換向

主回路設(shè)計(jì)為六相半波雙橋反并方式，見圖4。

圖4    主回路原理圖

設(shè)計(jì)輸出波形的基本控制單元為晶閘管導(dǎo)通周期，這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)置靈活簡(jiǎn)單，用戶使用方便。相關(guān)的輸出波形如下：

圖5 連續(xù)輸出直流電壓波形

圖6 周期換向直流電壓波形（12：1）

圖7 脈沖輸出直流電壓波形（6：2）

6． 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了基于ARM、FPGA等嵌入式硬件和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）的控制器用于相控整流電源的控制。多達(dá)12路脈沖輸出可靈活組態(tài)；A/D轉(zhuǎn)換精度高、速度快；與脈沖同步的全波平均值算法實(shí)現(xiàn)了斷續(xù)模擬量的精確測(cè)量；采用同步PID調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)了斷態(tài)過程的連續(xù)化調(diào)節(jié)。在該平臺(tái)上，配合主回路的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了大功率整流設(shè)備的柔性輸出，可滿足多個(gè)行業(yè)或多種工藝的要求。通過嵌入式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)軟硬件的協(xié)同設(shè)計(jì)，充分利用各種控制芯片的優(yōu)勢(shì)在功能上進(jìn)行合理分工，輔之于整流電源主回路設(shè)計(jì)，可以輸出多種多樣的電壓或電流波形滿足各種行業(yè)、各種工藝的要求。工程實(shí)踐表明，這種設(shè)計(jì)解決了斷續(xù)模擬量精確采樣和斷態(tài)過程閉環(huán)控制等多個(gè)技術(shù)難題，設(shè)計(jì)是十分成功的。