摘  要： 設計了一種智能型電磁攪拌電源的控制系統，基于LPC2368和SA4828的組合，突破了純硬件和純軟件設計的瓶頸。ARM主控制器完成通信、顯示、PI計算等事務性功能，SA4828在ARM的驅動信號下發出6路幅值、頻率可調的SPWM波，實現了高精度配置靈活的三相變頻電源。采用數字增量式PI控制策略，快速消除外界擾動對輸出的影響。采用模塊化的程序設計，便于根據工況加入新的模塊，同時系統注重可靠性設計，適用于工業現場。

　　關鍵詞： 電磁攪拌；變頻電源；SA4828；SPWM

0 引言

　　連鑄電磁攪拌裝置靠電磁力對金屬液體進行非接觸攪拌，使熔體的溫度和合金成分均勻，能有效提高表面質量，減少中心偏析和疏松，基本消除中心縮孔和裂紋，已廣泛應用于各種方圓坯連鑄機上[1]。電磁攪拌裝置是一種工作在高溫、高濕度及高塵渣等惡劣環境下的電氣設備，為了達到設定的電磁推力，又要盡量減小裝置的體積，這就需要使用一個電壓和頻率都可以連續調節的大功率三相電源。

　　三相電源一般采用SPWM的方法實現。即用一個低頻正弦波去調制一個高頻三角形的載波，得到一串等幅不等寬的脈沖。它里面包含有一個基波分量和極少的諧波。改變調制波的頻率和幅值，就可以改變脈沖串里基波分量的頻率和幅值，也就實現了電源的變壓變頻控制[2]。通常產生PWM控制信號的方法有兩種：由硬件產生的模擬信號和由軟件產生的數字信號。硬件生成的PWM控制信號快速可靠，但由于控制參數難以改變，所以不夠靈活；軟件生成的數字PWM控制信號比較靈活，但由于需要通過軟件來計算，所以速度比硬件產生的PWM控制信號稍慢。鑒于純硬件和純軟件都有瓶頸的現狀，采用ARM主控制器和SA4828 PWM波形發生器結合的控制策略，ARM主控制器完成通信、顯示、PI計算等事務性功能，SA4828在ARM的驅動信號下發出6路幅值、頻率可調的SPWM波，實現了高精度配置靈活的三相變頻電源。

1 電磁攪拌變頻電源總體設計

　　電磁攪拌變頻電源的結構設計如圖1所示。電壓狀態指示器除了指示電源的通電外，更重要的是作為關斷時濾波電容放電通路和指示。因為濾波電容的容量很大，通常放電都需要幾分鐘時間，在三相380 V的電壓下會威脅人員的安全，故特別需要被標識。全橋濾波整形模塊把輸入的380 V交流電轉換成約537 V的直流電。電壓調整分配模塊把約537 V的直流電通過分壓變壓轉換成+15 V、+24 V、+5 V和+3.3 V電壓供給不同模塊對電源的需求。在變頻器的交流調速中，系統的減速是通過降低變頻器的輸出頻率而實現的，當變頻器的輸出頻率下降過快時，負載的動能要回饋到直流電路中，使直流電路電壓（泵升電壓）不斷上升，導致變頻器本身過電壓保護動作，切斷變頻器的輸出。為了避免出現這一現象，必須將再生到直流電路的能量通過泵升電壓抑制器消耗掉。這里設計的泵升電壓抑制器是由一個大功率發熱電阻和一個有ARM控制通斷的IGBT組成。制動斷路接觸器在有泵升電壓發生的時候，同時設置接觸器形成熱斷路回路。ARM主控模塊采用NXP公司的LPC2368，主要完成通信、顯示、PI計算等事務性功能。隔離驅動模塊采用富士公司的EXB841，把6路5 V的SPWM波轉換成+15 V、-5 V的電壓波形來控制IGBT組成的逆變輸出執行模塊的通斷。鍵盤顯示模塊通過232串口和SPI口與ARM主控模塊進行雙向通信。信號采集反饋模塊采用北京森社電子有限公司的閉環霍爾電流傳感器CHB-500SG，把輸出的三相電流反饋到ARM主控模塊，得到的電流幅值和相位供控制算法使用。

2 SPWM驅動波形發生

　　PWM（Pulse Width Modulation）控制就是對脈沖的寬度進行調制，以沖量效果相等來等效地獲得目標波形的一種方法。脈沖在幅值一致時，其寬度會以正弦波變化，根據面積等效原理，從作用效果上看，PWM波形與正弦波是等效的，這是在逆變控制中最廣泛應用的SPWM（Sinusoidal PWM）波形[3]。

　　SA4828芯片是Mitel公司推出的一塊專用于SPWM信號發生和集成控制的芯片，能夠與大多數主流控制器I/O連接，其載波頻率最高為24 kHz，輸出的SPWM波頻率范圍為0~4 kHz，可設置死區和最小脈寬，每一相輸出都是標準的TTL電平，具有最大12 mA的驅動能力。內部ROM固化了3種波形：純正弦波形、3次諧波增強型和帶死區增強型輸出波形[4]。

　　如圖2所示為適用于電磁攪拌變頻電源的SPWM波發生原理圖。SA4828的AD0~AD7接LPC2368的8路I/O口組成模擬的數據總線和地址總線；SA4828的寫控制端WR、讀控制端RD和寫地址鎖存端ALE分別與LPC2368的I/O口連接；SA4828的時鐘CLK信號接24 MHz的有源晶振保證時鐘的穩定，VDD、MUX和RS均接電源，VSS接地，ZPPR接LPC2368的外部中斷口實時監控輸出的調制波頻率，SETTRIP與外部故障信號連接。SA4828的六路輸出端接到隔離驅動模塊的輸入端，根據固件設置產生對應的SPWM波，一旦故障發生，SA4828的六路輸出將被立即封鎖Trip端口，拉低LED1發光報警，同時進入INT0的中斷服務程序，進行軟件后續故障處理。

　　通過LPC2368對SA4828的輸入控制可以實現輸出電源頻率2~20 Hz，滿足電磁攪拌裝置的需要。通過LPC2368對SA4828特定寄存器寫入特定值來設定死區時間，可以防止IGBT的共態導通，設定窄脈沖刪除時間可降低開關頻率減少器件發熱。16位調速分辨率使得電源頻率可以精確到千分之一赫茲，8位調壓分辨率使得輸出的三相電源精度達到1 V。

3 高精度控制算法設計

　　當變頻電源正常運行時，為了實現系統的反饋與實時控制，需要對SA4828的控制字進行修改。根據現場試驗效果，認為數字增量型PI控制策略的調節效果不錯。圖3給出了信號采集反饋模塊采用數字增量型PI控制策略的詳細流程。

　　數字增量型PI算法：

　　其中kp是比例系數、ki是積分系數。

　　首先，為防止脈沖擾動，在AD采樣后進行中值濾波，若濾波后數據超過限定值，則程序立即終止，并發出報警信號，否則根據式（2）計算輸出與設定之間的偏差e（k）的值，然后把式（2）的結果代入式（1）計算執行裝置位置的改變量u（k）的值，在此基礎上根據式（3）計算出系統控制輸出u（k）的值。把這個值轉換成十六進制的值寫入SA4828的控制寄存器即可實現閉環反饋PI控制，然后步進k自增，重復上述過程。

　　傳統的模擬式PI控制中設備的性能受外界溫度、濕度等環境因素影響很大，在實際環境中容易出現工作不穩定的狀況，用數字增量式PI控制策略則可完全解決這個問題。u（k）只決定執行裝置位置的改變量。當計算機出現故障時，執行機構仍保持在前一步的位置上，這樣安全性和可靠性就能大大提高。比例環節的作用是對擾動作出快速反應；積分環節的作用是消除系統靜差，只要偏差不為零，它將通過積累作用影響控制量，使偏差趨向于零，系統達到穩定。

4 程序設計方案

　　程序設計是電源系統的核心，它決定三相變頻電源輸出電壓的穩定度、精度以及動態響應速度等。系統主程序采用模塊化編程方法，圖4所示為在主控模塊的作用下，三相變頻電源的主程序流程圖。系統上電后進行初始化自檢，自檢的目的是確保各硬件模塊處于正常待命狀態，若自檢不通過則不能啟動系統，若通過了自檢，則將SA4828幅度控制寄存器的控制字從0逐漸加到設定值，即可輕松實現緩啟動功能。隨著電磁攪拌的進程，需要的電源頻率和電流大小都會隨時改變，則三相變頻電源需要根據工況調整輸出電壓幅值和頻率參數，在調整命令發出后就要不斷讀取傳感器傳送回來的數值，若出現過流、過壓或欠壓的任意一種情況，系統將封鎖輸出并報警，若都正常，則在軟件中更新看門狗定時器，防止其溢出導致的系統中斷SPWM信號輸出。然后在顯示器上顯示當前的工作狀態參數，以便在控制室監控現場的工況。為了減小實際輸出值和控制設定值之間的偏差，采用PI整定進行控制，從而快速穩定系統，把經過PI計算的值與之前寫入SA4828控制寄存器的參數進行比較，看是否一致，若不一致則需要更新控制參數重復調整參數的整個流程，若一致，則不斷更新看門狗，保持當前狀態。

5 結論

　　本文設計了一種智能型高精度電磁攪拌電源的控制系統，基于LPC2368和SA4828的組合，突破了純硬件和純軟件設計的瓶頸。ARM主控制器完成通信、顯示、PI計算等事務性功能，SA4828在ARM的驅動信號下發出6路幅值頻率可調的SPWM波，實現了高精度配置靈活的三相變頻電源。為了消除外界擾動對輸出的影響，采用數字增量式PI控制策略，步進能快速消除擾動，即使計算機出現故障，執行機構仍保持在前一步的位置上，這樣安全性和可靠性也得到了提高。

　　參考文獻

　　[1] 齊雅麗，蔣光霖，張國志.電磁攪拌對液態金屬運動及凝固組織的影響[J].鑄造技術，2005，26（2）：118-120.

　　[2] 徐志躍.基于SA4828的變頻器設計[J].電氣傳動，2006，36（1）：14-16.

　　[3] 張藝東.SPWM逆變器調制方式的研究[J].科技創新與生產力，2011（5）：100-102.

　　[4] MITEL. SA4828 3-phase pulse width modulation engine advance information[R]. 1999.