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基于嵌入式系统的柔性整流电源在铝材氧化车间的应用

   日期:2016-12-19     来源:电器科学研究院    作者:许敬涛,陈红波,梁永万,蓝文辉,丁小松,吴畏,赵生军,毛学七    浏览:1243    评论:0    

1. 概述

以晶闸管元件为核心的相控技术以其成熟性和高可靠性在大功率和特大功率整流电源中仍不可替代。此类电源主要面向金属表面处理行业、电子行业、电解行业、钢铁行业、电力行业等。

电源不是孤立的设备,它必定是特定工艺的配套设备。工艺的发展与电源的开发是相互促进的,在对工艺的研究过程中,需要有灵活的多功能电源配套,比如对参数的调整,对输出功率的调整,对输出波形的调整,对工作时间的调整等。工艺的多样性要求整流电源输出波形多样化。例如在铝型材氧化和着色过程中,需要各种不同类型的电流或电压波形,包括变形交流波、锯齿波、脉冲波、交直流叠加波、连续直流波、断续直流波、周期换向波等[1]

除此之外,在许多应用场合,为了减少谐波分量,电源设备被要求采用12脉以上整流方式。这也是波形输出多样化的一种表现形式。

传统的解决方案是针对某一种输出波形作专门设计,制造出特种电源或试验用电源。比较明显的缺陷是设备的适应性差,设备的功能和性能难以满足工厂提高产品质量和产品多样性的需要,也难以满足工厂自动化的需要。同时,由于批量小,批次少,电源产品质量也不尽如人意。

交流380V进入整流变压器,变压器输出是交流8000A/30V(因很多场合需要大直流电流当作电解电流)所以还得将交流8000A/30V经过可控硅整成直流8000A/30V。通过控制可控硅导通角的角度来控制可控硅中电流通过的大小,所以,额定8000A/30V的整流电源,可以输出从0A-8000A的电流和0V-30V的电压。其值可以根据需要所定。

2. 设计目标

我们的设想是设计一种基于嵌入式系统的柔性整流电源,在同一种软硬件平台上,配合主回路的设计,实现装置输出波形的多样性,即柔性输出,满足不同行业或工艺对电源输出波形的要求。

在硬件设计上采用微处理器+大规模可编程逻辑器件模式,一方面,使硬件电路具有较强的可重塑性和广泛的适应性,另一方面,减小电路功耗、体积,提高集成度和可靠性。

在软件设计上采用嵌入式操作系统作为开发平台,完善多任务运行机制,提高系统实时性和软件运行可靠性。

同时也考虑将现场总线技术嵌入到整流电源设备中,用于对外接口,为工厂实现“四遥”功能、降低劳动强度创造条件。

3. 控制器设计方案

3.1硬件方案

硬件的核心是嵌入式ARM处理器和现场可编程逻辑阵列控制器(FPGA)。

ARM处理器采用RISC架构,具有体积小、低功耗、低成本、高性能等优点,集成有丰富的外设,包括存储器、通讯接口等,第三方开发工具多,支持嵌入式操作系统。

FPGA(现场可编程逻辑门阵列)内部逻辑可以自由定义。具有精确时序和同步、快速决策及并行任务同时执行等优点。新型FPGA内部集成了大容量RAM和多路DSP,非常适合数字信号处理。

根据系统的需求,充分利用ARM处理器和FPGA各自优势,配合完成调节器功能。ARM指令灵活,可以实现调节控制和通信;FPGA时序控制能力和并行处理能力强,适合固定的算法和时序逻辑处理,可以实现频率测量、同步采样、FFT、同步检测、脉冲形成和冗余逻辑。

在控制器脉冲输出环节设计了独立的12路脉冲,这12路脉冲可以根据晶闸管整流回路的设计灵活组态。

为了提高控制器运行可靠性,我们对调节器采用了对等冗余的设计方案,即两套调节器互为备用。在软硬件设计中考虑了对调节器的失效有效地进行检测和处理,具有通道跟踪和自动切换功能。冗余的设计方案可用在电解铝、氯碱化工等行业。

典型的控制器系统组成框图见图1,它由两套独立的调节器和信号调理板、公用的开关量输入隔离模块和开关量输出隔离模块组成。开关量输入隔离模块将对外部输入进行处理,提高系统抗干扰能力;开关量输出模块将内部的电平输出转换成继电器接点输出;信号调理板将外部输入的模拟信号转换成A/D转换器可接收的电压信号,也生成相关的方波信号用于测频;调节板完成模拟信号采样、调节运算、脉冲形成、冗余接口和调试接口。为了提高采样精度和采样速度,在硬件设计上采用多路16位A/D模块。

把CAN总线嵌入到控制器中,通过CAN总线可实现设备互联并嵌入到工厂自动化系统中。

柔性整流电源双通道控制器原理框图

图1 双通道控制器原理框图

3.2软件设计

以嵌入式处理器为中心搭建好硬件电路时仅提供了裸机运行平台,要使整个系统有限的硬件资源充分利用起来,还需要嵌入式实时操作系统(RTOS)的软件支持。之所以在本项目使用实时操作系统,是因为RTOS将应用分解成多个任务,简化了应用系统软件的设计;RTOS也使控制系统的实时性得到保证,可以接近理论上能达到的最好水平;良好的多任务设计,有助于提高系统的稳定性与可靠性。

我们采用了加拿大MICRIUM公司设计的uC/OS-II操作系统,它是一个完整的、可移植、可固化、可裁剪的占先式实时多任务内核。它嵌入在目标代码中,系统复位后首先执行,因此可看作是主控程序,它负责在硬件基础之上为应用硬件建立一个功能更为强大的运行环境,用户其他应用程序都建立在RTOS上,并根据各个任务的优先权合理地在不同的任务之间分配CPU时间。不仅如此,它还是一个标准的内核,将CPU时间、中断、I/O、定时器等资源都包装起来,留给用户一个标准的API。

控制器配置调试接口和上位机调试软件,可以对系统的运行状态进行监视;可以在线修改系统的运行参数;可以发出命令完成各种试验。

FPGA实现模拟量信号的同步采样和计算,针对不同的模拟量信号设计了三种算法:快速FFT移窗算法用于交流量有效值计算;移窗平均值算法用于连续性直流量计算;全波平均值算法用于断续性直流量计算。

4. 关键技术问题

4.1脉冲控制

为了实现多波形输出,晶闸管脉冲控制是最关键的环节。在工程应用中,控制器输出的12路脉冲可以根据晶闸管整流回路的设计灵活组态,包括三相全控桥、三相半控桥、六相半波、六相双反星形、正负桥、12脉波整流、单相整流等。在软件设计中,这些模式被固化到控制器,通过上位机调试软件或设备人机接口选择相关的工作模式,控制器将自动按照设定的模式工作。因此,同一种控制器配合不同的主回路,可输出数十种各具特色的波形。

4.2模拟量采样

    连续的模拟量采样技术和计算技术是成熟的。对于连续的交流量,采用移窗FFT算法计算有效值;对于连续的直流量,采用移窗平均值算法计算平均值。

如何准确地测量断续性的直流量是软硬件设计过程中需要解决的难点问题。基本出发点是将其分解为多个变量,比如周期换向波形可分解为正向输出与负向输出两个变量,直流脉冲波形可分解为谷值直流分量和峰值分量。在此基础上,我们采用与脉冲同步的全波平均值算法用于各个分量的检测与计算。这种方法的优点是显然的:它不仅解决了断续性直流量的检测问题,能够直观地显示实际值,也为实现闭环控制奠定了基础。

    首先,要确定全波的范围(即一个计算周期)。在晶闸管整流器中,全波的范围即为一个晶闸管的导通时间。不同的主回路的接线方式,晶闸管元件导通时间是不同的,比如,三相全控桥中,每个晶闸管导通时间为1/3周期,六相半波中,每个晶闸管导通时间为1/6周期。

    其次,采样要与脉冲同步。只有脉冲输出后,晶闸管才能导通,A/D转换结果才是我们所需要的。

    另外,为了保证测量精度,要尽可能地提高全波范围内的采样频率,采样频率愈高,测量精度愈高。

为此需要软硬件协同设计。在硬件上,为了提高采样精度和采样速度,采用多路16位A/D模块完成12路模拟量转换,同时,FPGA工作频率也要足够高,本控制器硬件设计可使每一路模拟量转换频率达1024次/20mS;在功能划分上,FPGA既控制A/D转换,又控制脉冲形成和输出,这样可实现采样与脉冲同步;根据设定的工作模式,可确定相应的计算周期。

4.3闭环调节

    针对直流脉冲、断续直流、周期换向等不连续波形,为了实现快速闭环调节,我们提出了同步PID调节的概念,它也适用于连续的反馈变量的调节。

同步PID调节建立在与脉冲同步全波平均值算法的基础上,全波平均值算法得到的每一个分量均对应一个独立同步PID调节器。

FPGA采样计算程序框图见图2所示,ARM定时调节框图见图3所示。在FPGA和ARM的数据交换区中设置了数据更新标志位,FPGA采样完成并计算得到新的数据后,把标志位置位;ARM读出数据后,把标志位复位,并根据新的数据调节计算。通过这种方式实现了调节与数据更新的同步,从调节效果看,把断续的过程连续化了。ARM定时调节周期设计为略小于FPGA计算更新周期,保证了优良的动态调节性能。

FPGA采样计算程序框图 与ARM定时调节框图

图2  FPGA采样计算程序框图          图3  ARM定时调节框图

5. 设计实例

在此基础上为某铝制品厂设计制造5套柔性输出整流电源,输出参数:8000A/70V,要求输出波形具有以下几种类型:

1) 连续直流

2) 直流脉冲

3) 断续直流

4) 周期换向

主回路设计为六相半波双桥反并方式,见图4。

 整流电源 主回路原理图

图4    主回路原理图

设计输出波形的基本控制单元为晶闸管导通周期,这样设计的优点是设置灵活简单,用户使用方便。相关的输出波形如下:

 连续输出直流电压波形

图5 连续输出直流电压波形

 周期换向直流电压波形

图6 周期换向直流电压波形(12:1)

脉冲输出直流电压波形

图7 脉冲输出直流电压波形(6:2)

6. 结束语

设计了基于ARM、FPGA等嵌入式硬件和实时操作系统(RTOS)的控制器用于相控整流电源的控制。多达12路脉冲输出可灵活组态;A/D转换精度高、速度快;与脉冲同步的全波平均值算法实现了断续模拟量的精确测量;采用同步PID调节器实现了断态过程的连续化调节。在该平台上,配合主回路的设计,实现了大功率整流设备的柔性输出,可满足多个行业或多种工艺的要求。通过嵌入式实时控制系统软硬件的协同设计,充分利用各种控制芯片的优势在功能上进行合理分工,辅之于整流电源主回路设计,可以输出多种多样的电压或电流波形满足各种行业、各种工艺的要求。工程实践表明,这种设计解决了断续模拟量精确采样和断态过程闭环控制等多个技术难题,设计是十分成功的。

 
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