陳 良，許 煜

(上海寶信軟件股份有限公司，上海 201900)

智能復(fù)用型電磁攪拌電源控制系統(tǒng)研究

陳 良，許 煜

(上海寶信軟件股份有限公司，上海201900)

介紹了智能復(fù)用型電磁攪拌電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過(guò)三相電壓之間的矢量關(guān)系的分解，得到對(duì)于普通的三相逆變電源固定其中兩相幅值，僅需改動(dòng)另一相的幅值即可實(shí)現(xiàn)二相正交電源的輸出。為此，文章設(shè)計(jì)了由MCU與專用PWM波發(fā)生芯片SA4828構(gòu)成的電磁攪拌變頻電源控制系統(tǒng)，且著重分析了SA4828的程序設(shè)計(jì)要點(diǎn)。該方案具有電路簡(jiǎn)單、控制方便和運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)。

電磁攪拌；PWM；SA4828

0 引言

電磁攪拌可以加速鑄坯內(nèi)部的液態(tài)金屬運(yùn)動(dòng),促進(jìn)鑄坯內(nèi)部的熱量交換,使得液態(tài)溫度分布趨于均勻從而控制液態(tài)金屬成型與凝固，提高金屬性能。因此，電磁攪拌技術(shù)在連續(xù)鑄鋼領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。按使用電源相數(shù)來(lái)分主要有兩種：二相電源電磁攪拌器和三相電源電磁攪拌器。二相正交變頻電源(相位差90°)以其較強(qiáng)的電磁穿透力，主要應(yīng)用于需要產(chǎn)生行波磁場(chǎng)的板坯電磁攪拌和爐底攪拌等場(chǎng)合；三相對(duì)稱變頻電源(相位差120°)使用范圍相對(duì)較廣，主要應(yīng)用于需要產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方坯和圓坯電磁攪拌等場(chǎng)合[1-2]。

目前，國(guó)內(nèi)外廠家提供的產(chǎn)品，對(duì)二相正交變頻電源和三相對(duì)稱變頻電源是兩套產(chǎn)品，硬件結(jié)構(gòu)不同，軟件控制也不同，這樣一臺(tái)電源便被限制了使用場(chǎng)景，備件也不通用還增加了使用成本。因此，設(shè)計(jì)一種二相/三相復(fù)用的智能型電磁攪拌變頻電源是一件非常有意義的工作。

1 電磁攪拌變頻電源

電磁攪拌變頻電源的工作原理如圖1所示，在整流部分實(shí)現(xiàn)外接三相交流電壓經(jīng)過(guò)整流橋模塊轉(zhuǎn)換成直流母線電壓，輸出的直流經(jīng)儲(chǔ)能濾波電容模塊后除去了直流電壓的尖峰擾動(dòng)使得母線電壓表現(xiàn)得較為平滑。在逆變部分，通過(guò)波形控制算法模塊輸出的逆變驅(qū)動(dòng)波形實(shí)現(xiàn)了對(duì)功率模塊(主要是IGBT或MOS組)的通斷控制，進(jìn)而輸出低頻交流電壓供電磁攪拌裝置使用。變頻電源的開路控制基本情況如上所述，其沒有考慮工況干擾和故障發(fā)生，故實(shí)際使用時(shí)必須有前后級(jí)模擬信號(hào)檢測(cè)，把電壓、電流、溫度、頻率等參數(shù)反饋到控制單元，構(gòu)成多級(jí)閉環(huán)系統(tǒng)使得變頻電源能根據(jù)工況自主調(diào)整。保護(hù)的成敗完全取決于響應(yīng)速度，對(duì)于冷卻水溫度，它是一個(gè)變化趨勢(shì)相對(duì)較緩慢的過(guò)程，主控制器通過(guò)簡(jiǎn)單的閾值判斷即可保護(hù)；但對(duì)于功率模塊本身的過(guò)流，這是一個(gè)變化趨勢(shì)極快的過(guò)程，例如英飛凌的IGBT過(guò)流保護(hù)時(shí)間需要在6 μs內(nèi)給出，這就需要借助FPGA/CPLD這類器件來(lái)快速切斷輸出脈沖。

圖1 電磁攪拌電源系統(tǒng)示意圖

目前，二相正交變頻電源逆變側(cè)電路主要采用H橋形式，三相對(duì)稱變頻電源逆變側(cè)電路主要以三橋臂輪換對(duì)稱形式。這樣硬件形式的不統(tǒng)一會(huì)影響產(chǎn)品的使用范圍。所以尋求一種統(tǒng)一的硬件結(jié)構(gòu)，通過(guò)程序改變實(shí)現(xiàn)二相、三相的復(fù)用變得非常有意義。本設(shè)計(jì)，采用三橋臂輪換對(duì)稱形式為電磁攪拌變頻電源逆變側(cè)電路的基礎(chǔ)架構(gòu)，通過(guò)程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)二相正交變頻電源輸出。

2 波形控制實(shí)現(xiàn)

因?yàn)槿嗳龢虮郛a(chǎn)生的對(duì)稱電壓幅值相等，相位差為120°。從嚴(yán)格理論上分析，以A相為公共相，UAB和UAC等效于正交輸出的激勵(lì)電壓ub、uc，采用同步速坐標(biāo)變換,然后通過(guò)Park變換將a-b 靜止坐標(biāo)系變換到d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中進(jìn)行控制矩陣運(yùn)算[3]。這種電磁攪拌變頻電源電流和頻率的解耦控制，能夠?qū)崿F(xiàn)頻率和電流的雙閉環(huán)控制，但是對(duì)算法和軟件編程的要求非常高，同時(shí)因?yàn)樗惴ǖ膹?fù)雜性，需要耗費(fèi)控制器較多的資源。

圖2所示為三相電壓之間的矢量關(guān)系圖。因?yàn)樽罱K要實(shí)現(xiàn)UAB和UAC的正交輸出，所以化矢量計(jì)算為標(biāo)量計(jì)算能有效降低計(jì)算復(fù)雜度[4]。

圖2 電壓矢量分解圖

先做一個(gè)限定，即相電壓UBN和UCN的幅值相等，僅調(diào)整UAN的幅值來(lái)實(shí)現(xiàn)UAB⊥UAC。

因?yàn)檩敵鋈嚯妷航嵌雀鞑?20°，所以:

(1)

因?yàn)閷?duì)稱，所以：

(2)

設(shè)UBN=UCN=1，由余弦定理可得

(3)

(4)

把式(1)、式(2)代入式(3)、式(4)，利用MATLAB求解二元二次方程組。

%聲明兩個(gè)符號(hào)變量

>>syms x y

>>s=solve(x^2+y^2-1.414*x*y==1,x^2-y^2-y==1,’Real’,true)

s=

x:[4x1 sym]

y:[4x1 sym]

>>double(s.x)

Ans=

1.0000

-1.0000

1.2246

-1.2246

>>double(s.y)

Ans=

0

0

0.3658

-1.3658

得到四組實(shí)數(shù)解，去除無(wú)意義的三組，最終得到如下解:

UAN=0.365 8

UAB=1.224 6

三相六橋臂逆變電源轉(zhuǎn)兩相示意圖如圖3所示，以A相為公共相，B相和C相為幅值固定相，對(duì)應(yīng)SA4828芯片，即由紅、藍(lán)和黃三相合成后生成的AB、AC兩相間相位差為90°，用此信號(hào)去驅(qū)動(dòng)逆變橋輸出就可得到相位差90°的線電壓，可變相的幅值為兩固定相幅值的0.365 8倍，同時(shí)輸出幅值提升為固定相幅值的1.22倍，提高了效率。把矢量計(jì)算簡(jiǎn)化為標(biāo)量計(jì)算，且僅需改動(dòng)其中一相的幅值即可實(shí)現(xiàn)電磁攪拌電源的二相正交，這樣的設(shè)計(jì)特別適合MCU和SPWM專用芯片SA4828的嵌入式方案實(shí)現(xiàn)。

圖3 三相逆變電源轉(zhuǎn)兩相示意圖

3 SA4828設(shè)計(jì)

SA4828是Mitel公司專為異步交流電動(dòng)機(jī)、UPS和其他任何要求電源波形精確的電器設(shè)備而設(shè)計(jì)的PWM芯片[5]。其在變頻電源的設(shè)計(jì)中也常被用于跟微處理器MCU配合，工況穩(wěn)定時(shí)可獨(dú)立于MCU工作，只有當(dāng)工況變化時(shí)，根據(jù)反饋需要，MCU才通過(guò)計(jì)算更新控制參數(shù)。

為保證基準(zhǔn)時(shí)間的穩(wěn)定，外接20 MHz有源晶振。電磁攪拌電源主要應(yīng)用在1～7 Hz的低頻工作，所以設(shè)定頻率范圍為12 Hz，載波頻率為1.22 kHz。為了防止共態(tài)導(dǎo)通，設(shè)置死區(qū)時(shí)間為10 μs，為了消除過(guò)窄脈沖引起的開關(guān)損耗，設(shè)置最小刪除脈寬為10 μs。SA4828內(nèi)部存儲(chǔ)了三種波形可供選擇，本設(shè)計(jì)選擇了高效正弦波。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性，本設(shè)計(jì)增加了看門狗，喂狗時(shí)間間隔為100 ms。

如表1所示，SA4828初始化寄存器的具體設(shè)置值為R0=0x24；R1=0x39；R2=0x79；R3=0x22；R4=0x07；R5=0xA1。對(duì)應(yīng)的計(jì)算過(guò)程如下：

系統(tǒng)時(shí)鐘頻率fCLK=20 MHz；

表1 SA4828初始化寄存器

由前述電壓矢量圖分析，已知根據(jù)幅值給定值確定其中兩相的值，則第三相的幅值為兩相固定值的0.366倍。幅值控制位AC定義了三相PWM的幅值輸出， 若AC=1，則紅、藍(lán)、黃三相PWM的幅值分別由控制寄存器中的R3、R4和R5獨(dú)立控制，如表2所示。

控制寄存器是用來(lái)控制系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的狀態(tài)，包括轉(zhuǎn)速、軟復(fù)位控制、看門狗使能、計(jì)數(shù)器復(fù)位、啟?？刂?、正反轉(zhuǎn)控制和幅值大小。SA4828本身可以獨(dú)立工作產(chǎn)生PWM波，只有當(dāng)需要改變變頻器的輸出頻率或電壓時(shí)，才會(huì)通知MCU計(jì)算出對(duì)應(yīng)頻率和電壓的數(shù)字量，并操作相應(yīng)的控制寄存器，其余時(shí)間均無(wú)須干預(yù)。這樣的方案使MCU可以更多地投入到事務(wù)性控制和電源狀態(tài)的監(jiān)控，保證電磁攪拌變頻電源的可靠性和穩(wěn)定性。

表2 SA4828控制寄存器

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)三相電壓之間的矢量關(guān)系的分解，得到對(duì)于普通三相逆變電源固定其中兩相幅值，僅需改動(dòng)另一相的幅值即可實(shí)現(xiàn)二相正交電源的輸出。為此，本文設(shè)計(jì)了由MCU與專用PWM波發(fā)生芯片SA4828構(gòu)成的電磁攪拌變頻電源控制系統(tǒng)，且著重分析了SA4828的程序設(shè)計(jì)要點(diǎn)。該方案具有電路簡(jiǎn)單、控制方便和運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)。

[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] 張宏麗，賈交霖，王恩剛，等.電磁攪拌改善鑄坯內(nèi)部質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)研究[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，22(3):315-318.

[3] 王曉雷，勵(lì)慶孚.二相電磁攪拌器逆變恒流電源矢量控制[J].鑄造技術(shù)，2005，26(11)：1061-1064.

[4] 王寶國(guó)，王鳳翔.兩相電機(jī)的線電壓控制方式變頻調(diào)速研究[J].電力電子技術(shù)，2001(1)：33-34．

[5] MITEL.SA4828 3-Phase Pulse Width Modulation Engine Advance Information[R].1999.

Research on the control system for intelligent multiplexing electromagnetic stirring power supply

Chen Liang，Xu Yu

(Shanghai Baosight Software Co.，Ltd.，Shanghai 201900，China)

The design of a control system for intelligent multiplexing electromagnetic stirring power supply is introduced.Based on the decomposition of the vector relationship through the three-phase voltage，we conclude that the two phase orthogonal power supply can be realized only by fixing the amplitudes of the two phases and changing the amplitude of the other phase.For this reason，the control system of electromagnetic stirring frequency power supply which is composed of MCU and SA4828 is designed and the key points of the program design of SA4828 are emphatically analyzed.The design has the advantages of simple circuit，convenient control and reliable operation.

EMS; PWM; SA4828

TN773

A

10.19358/j.issn.1674-7720.2017.21.008

陳良，許煜.智能復(fù)用型電磁攪拌電源控制系統(tǒng)研究J.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(21)：26-28.

2017-04-07)

陳良(1972-)，男，本科，工程師，主要研究方向：機(jī)電一體化設(shè)備。

許煜(1984-)，男，碩士，工程師，主要研究方向：工業(yè)儀器儀表。