1． 概述

以晶閘管元件為核心的相控技術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。

電源不是孤立的設備，它必定是特定工藝的配套設備。工藝的發(fā)展與電源的開發(fā)是相互促進的，在對工藝的研究過程中，需要有靈活的多功能電源配套，比如對參數(shù)的調(diào)整，對輸出功率的調(diào)整，對輸出波形的調(diào)整，對工作時間的調(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，在許多應用場合，為了減少諧波分量，電源設備被要求采用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)的解決方案是針對某一種輸出波形作專門設計，制造出特種電源或試驗用電源。比較明顯的缺陷是設備的適應性差，設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化的需要。同時，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進入整流變壓器，變壓器輸出是交流8000A/30V（因很多場合需要大直流電流當作電解電流）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． 設計目標

我們的設想是設計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上，配合主回路的設計，實現(xiàn)裝置輸出波形的多樣性，即柔性輸出，滿足不同行業(yè)或工藝對電源輸出波形的要求。

在硬件設計上采用微處理器+大規(guī)模可編程邏輯器件模式，一方面，使硬件電路具有較強的可重塑性和廣泛的適應性，另一方面，減小電路功耗、體積，提高集成度和可靠性。

在軟件設計上采用嵌入式操作系統(tǒng)作為開發(fā)平臺，完善多任務運行機制，提高系統(tǒng)實時性和軟件運行可靠性。

同時也考慮將現(xiàn)場總線技術嵌入到整流電源設備中，用于對外接口，為工廠實現(xiàn)“四遙”功能、降低勞動強度創(chuàng)造條件。

3． 控制器設計方案

3．1硬件方案

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

ARM處理器采用RISC架構，具有體積小、低功耗、低成本、高性能等優(yōu)點，集成有豐富的外設，包括存儲器、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)場可編程邏輯門陣列）內(nèi)部邏輯可以自由定義。具有精確時序和同步、快速決策及并行任務同時執(zhí)行等優(yōu)點。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，配合完成調(diào)節(jié)器功能。ARM指令靈活，可以實現(xiàn)調(diào)節(jié)控制和通信；FPGA時序控制能力和并行處理能力強，適合固定的算法和時序邏輯處理，可以實現(xiàn)頻率測量、同步采樣、FFT、同步檢測、脈沖形成和冗余邏輯。

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

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

典型的控制器系統(tǒng)組成框圖見圖1，它由兩套獨立的調(diào)節(jié)器和信號調(diào)理板、公用的開關量輸入隔離模塊和開關量輸出隔離模塊組成。開關量輸入隔離模塊將對外部輸入進行處理，提高系統(tǒng)抗干擾能力；開關量輸出模塊將內(nèi)部的電平輸出轉換成繼電器接點輸出；信號調(diào)理板將外部輸入的模擬信號轉換成A/D轉換器可接收的電壓信號，也生成相關的方波信號用于測頻；調(diào)節(jié)板完成模擬信號采樣、調(diào)節(jié)運算、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，在硬件設計上采用多路16位A/D模塊。

把CAN總線嵌入到控制器中，通過CAN總線可實現(xiàn)設備互聯(lián)并嵌入到工廠自動化系統(tǒng)中。

圖1 雙通道控制器原理框圖

3．2軟件設計

以嵌入式處理器為中心搭建好硬件電路時僅提供了裸機運行平臺，要使整個系統(tǒng)有限的硬件資源充分利用起來，還需要嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTOS）的軟件支持。之所以在本項目使用實時操作系統(tǒng)，是因為RTOS將應用分解成多個任務，簡化了應用系統(tǒng)軟件的設計；RTOS也使控制系統(tǒng)的實時性得到保證，可以接近理論上能達到的最好水平；良好的多任務設計，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公司設計的uC/OS-II操作系統(tǒng)，它是一個完整的、可移植、可固化、可裁剪的占先式實時多任務內(nèi)核。它嵌入在目標代碼中，系統(tǒng)復位后首先執(zhí)行，因此可看作是主控程序，它負責在硬件基礎之上為應用硬件建立一個功能更為強大的運行環(huán)境，用戶其他應用程序都建立在RTOS上，并根據(jù)各個任務的優(yōu)先權合理地在不同的任務之間分配CPU時間。不僅如此，它還是一個標準的內(nèi)核，將CPU時間、中斷、I/O、定時器等資源都包裝起來，留給用戶一個標準的API。

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

FPGA實現(xiàn)模擬量信號的同步采樣和計算，針對不同的模擬量信號設計了三種算法：快速FFT移窗算法用于交流量有效值計算；移窗平均值算法用于連續(xù)性直流量計算；全波平均值算法用于斷續(xù)性直流量計算。

4． 關鍵技術問題

4．1脈沖控制

為了實現(xiàn)多波形輸出，晶閘管脈沖控制是最關鍵的環(huán)節(jié)。在工程應用中，控制器輸出的12路脈沖可以根據(jù)晶閘管整流回路的設計靈活組態(tài)，包括三相全控橋、三相半控橋、六相半波、六相雙反星形、正負橋、12脈波整流、單相整流等。在軟件設計中，這些模式被固化到控制器，通過上位機調(diào)試軟件或設備人機接口選擇相關的工作模式，控制器將自動按照設定的模式工作。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)的模擬量采樣技術和計算技術是成熟的。對于連續(xù)的交流量，采用移窗FFT算法計算有效值；對于連續(xù)的直流量，采用移窗平均值算法計算平均值。

如何準確地測量斷續(xù)性的直流量是軟硬件設計過程中需要解決的難點問題?；境霭l(fā)點是將其分解為多個變量，比如周期換向波形可分解為正向輸出與負向輸出兩個變量，直流脈沖波形可分解為谷值直流分量和峰值分量。在此基礎上，我們采用與脈沖同步的全波平均值算法用于各個分量的檢測與計算。這種方法的優(yōu)點是顯然的：它不僅解決了斷續(xù)性直流量的檢測問題，能夠直觀地顯示實際值，也為實現(xiàn)閉環(huán)控制奠定了基礎。

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

    其次，采樣要與脈沖同步。只有脈沖輸出后,晶閘管才能導通，A/D轉換結果才是我們所需要的。

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

為此需要軟硬件協(xié)同設計。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路模擬量轉換，同時，F(xiàn)PGA工作頻率也要足夠高，本控制器硬件設計可使每一路模擬量轉換頻率達1024次/20mS；在功能劃分上，F(xiàn)PGA既控制A/D轉換，又控制脈沖形成和輸出，這樣可實現(xiàn)采樣與脈沖同步；根據(jù)設定的工作模式，可確定相應的計算周期。

4．3閉環(huán)調(diào)節(jié)

    針對直流脈沖、斷續(xù)直流、周期換向等不連續(xù)波形，為了實現(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)的反饋變量的調(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上，全波平均值算法得到的每一個分量均對應一個獨立同步PID調(diào)節(jié)器。

FPGA采樣計算程序框圖見圖2所示，ARM定時調(diào)節(jié)框圖見圖3所示。在FPGA和ARM的數(shù)據(jù)交換區(qū)中設置了數(shù)據(jù)更新標志位，F(xiàn)PGA采樣完成并計算得到新的數(shù)據(jù)后，把標志位置位；ARM讀出數(shù)據(jù)后，把標志位復位，并根據(jù)新的數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)計算。通過這種方式實現(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定時調(diào)節(jié)周期設計為略小于FPGA計算更新周期，保證了優(yōu)良的動態(tài)調(diào)節(jié)性能。

圖2  FPGA采樣計算程序框圖          圖3  ARM定時調(diào)節(jié)框圖

5． 設計實例

在此基礎上為某鋁制品廠設計制造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

主回路設計為六相半波雙橋反并方式，見圖4。

圖4    主回路原理圖

設計輸出波形的基本控制單元為晶閘管導通周期，這樣設計的優(yōu)點是設置靈活簡單，用戶使用方便。相關的輸出波形如下：

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． 結束語

設計了基于ARM、FPGA等嵌入式硬件和實時操作系統(tǒng)（RTOS）的控制器用于相控整流電源的控制。多達12路脈沖輸出可靈活組態(tài)；A/D轉換精度高、速度快；與脈沖同步的全波平均值算法實現(xiàn)了斷續(xù)模擬量的精確測量；采用同步PID調(diào)節(jié)器實現(xiàn)了斷態(tài)過程的連續(xù)化調(diào)節(jié)。在該平臺上，配合主回路的設計，實現(xiàn)了大功率整流設備的柔性輸出，可滿足多個行業(yè)或多種工藝的要求。通過嵌入式實時控制系統(tǒng)軟硬件的協(xié)同設計，充分利用各種控制芯片的優(yōu)勢在功能上進行合理分工，輔之于整流電源主回路設計，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。工程實踐表明，這種設計解決了斷續(xù)模擬量精確采樣和斷態(tài)過程閉環(huán)控制等多個技術難題，設計是十分成功的。