0 引言
隨著新材料市場(chǎng)的需求, 各種用于新型合金材料表面處理的新工藝和與之相適應(yīng)的電源技術(shù)也得到了迅猛發(fā)展。這些新工藝往往對(duì)電源的輸出波形有特殊要求,且在高壓、大電流的大功率輸出工況下要求電源的主要參數(shù)能夠隨著工藝過程的進(jìn)展大范圍地連續(xù)調(diào)節(jié), 這不僅給電源主電路的設(shè)計(jì)帶來了相當(dāng)?shù)碾y度, 同時(shí)對(duì)電源的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)也提出了更高的要求。目前多數(shù)的大功率特種脈沖電源是由高性能的單片機(jī)或DSP (數(shù)字信號(hào)處理器) 構(gòu)成其控制系統(tǒng)。文章介紹了一種基于新型工業(yè)控制機(jī)PCC 的電源控制器設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。
1 電源系統(tǒng)組成及主要技術(shù)指標(biāo)
合金表面特種加工工藝要求大功率脈沖電源能夠提供大電流、高電壓的雙向不對(duì)稱脈沖, 同時(shí)電源的主要參數(shù)要隨著工藝過程中負(fù)載的變化而大范圍地連續(xù)調(diào)節(jié), 這就要求電源能適應(yīng)工藝曲線的變化給出最佳的控制規(guī)律[1 ] 。電源主要技術(shù)參數(shù)為: ①供電電源: 50 Hz , 380 V ; ②輸出平均電流: 0～240 A 連續(xù)可調(diào); ③輸出峰值電流: 0～1 500A連續(xù)可調(diào); ④輸出峰值電壓0～800 V 連續(xù)可調(diào); ⑤換向頻率0～200 Hz 連續(xù)可調(diào); ⑥脈沖工作頻率: 0～5kHz 連續(xù)可調(diào); ⑦脈沖占空比: 5～95%連續(xù)可調(diào)。
電源系統(tǒng)硬件組成原理如圖1 所示。圖中, 全控整流電路實(shí)現(xiàn)調(diào)壓、移相調(diào)功, 其輸出經(jīng)濾波電路與PWM逆變電路的直流輸入端相連, 后者輸出電壓平均值隨整流電路的導(dǎo)通角α大小而改變。負(fù)載所需的脈沖工作頻率、占空比、脈沖寬度由PWM逆變電路變換, 經(jīng)尖峰抑制電路處理后供給負(fù)載。雙向脈沖采用非對(duì)稱矩形脈沖輸出波形, 且脈沖工作頻率和占空比是連續(xù)可調(diào)的, 以滿足不同加工工藝的需要。因此只要合理控制逆變電路中功率開關(guān)元件的通斷, 就可實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率、換向比和占空比等參數(shù)的連續(xù)調(diào)節(jié)。
圖1 電源主電路及控制系統(tǒng)原理框圖
2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
2．1 PCC 控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介
PCC(可編程計(jì)算機(jī)控制器) 是集計(jì)算機(jī)、通訊和自動(dòng)控制技術(shù)為一體的新型工業(yè)控制裝置,具備極高的可靠性、豐富的高級(jí)編程語(yǔ)言和函數(shù)庫(kù), 其強(qiáng)大的功能、靈活的結(jié)構(gòu)和豐富的I/ O 模塊配置, 能夠勝任大型集散控制系統(tǒng)和復(fù)雜的過程控制。本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的脈沖電源控制系統(tǒng)采用奧地利B&R 公司的PP41(PCC 系列產(chǎn)品) , 是集人機(jī)面板與控制系統(tǒng)于一體的工控裝置。其CPU 是32 位的Motorola M68300 微處理器, 運(yùn)算速度快, 并配有RS232/ RS485 接口、CAN 總線接口以及PCMCIA 插槽, 除自身集成10 個(gè)24VDC 的開關(guān)量輸入和8 個(gè)24VDC 的開關(guān)量輸出通道外還能選配6 個(gè)B&R2003 旋入模塊。用戶RAM 為700Kbyte 的SRAM, 系統(tǒng)PROM 為600 Kbyte 的Flash PROM, 用戶PROM 為114 Mbyte 的Flash PROM, 同時(shí)還可根據(jù)用戶的需要插入PCMCIA 卡以擴(kuò)充存儲(chǔ)容量。PP41 具有內(nèi)部電壓監(jiān)控功能和防止軟件跑飛的看門狗。帶有用戶可自定義的小鍵盤和分辨率為QVGA (320 3 240 像素)的LCD , 且體積小便于安裝。鍵盤和液晶顯示器面板與主機(jī)間通過RS485 總線連接, 二者既可分離也可集成在一起安裝。PP41 對(duì)鍵盤、顯示、控制面板、看門狗等功能的高度集成以及豐富的函數(shù)庫(kù)省去了單片機(jī)開發(fā)中的許多工作量, 大大縮短了開發(fā)周期[2 ] ,其工業(yè)級(jí)的品質(zhì)保證了控制器的可靠性。根據(jù)控制系統(tǒng)的功能和要求設(shè)計(jì)的電源控制器如圖2 所示。
圖2 電源控制器的組成框圖
圖2 中模擬量輸入模塊AI774 有4 路微分輸入, 均為12bit 分辨率的0～20mA 的電流輸出方式, 可直接采集霍爾電壓、電流傳感器的檢測(cè)信號(hào)。而電壓控制信號(hào)的生成則采用雙通道12bit 分辨率的模擬量輸出模塊AO352 , 其0～10V 的電壓輸出方式即可直接連續(xù)調(diào)節(jié)三相全控智能整流模塊的電壓輸出。
PP41 控制器中集成了TPU (時(shí)間處理器) 來產(chǎn)生PWM信號(hào), TPU 可以在不增加CPU 負(fù)擔(dān)的情況下實(shí)現(xiàn)脈沖計(jì)數(shù)、PWM 信號(hào)生成、頻率測(cè)量、步進(jìn)電機(jī)的控制、同步數(shù)據(jù)通信、脈沖定位等功能。B&R 公司開發(fā)了TPU Code Linker (TPU 代碼鏈接器) , 可以在CPU 熱啟動(dòng)時(shí)通過內(nèi)部模塊總線將代碼送入CPU 與TPU 之間的2Kbyte 的RAM, 之后只有TPU 有權(quán)直接訪問此存儲(chǔ)區(qū)并通過LTX函數(shù)來控制時(shí)間處理器的工作。
B&R 公司提供了許多具有TPU 功能的輸出模塊,PCC 系列中有專用的DO135 模塊可方便的產(chǎn)生PWM 信號(hào), DO135 為4 路的數(shù)字量輸出模塊, 最大工作頻率可達(dá)到100 kHz。控制系統(tǒng)工作在PWM 方式下, 因此應(yīng)用PCC 軟件庫(kù)提供的LTXdpwm ( ) 函數(shù)只需要設(shè)置PCC的數(shù)據(jù)字和控制字即可方便的連續(xù)調(diào)節(jié)頻率和占空比。PWM方式的開關(guān)由16 位計(jì)數(shù)器來控制, 計(jì)數(shù)達(dá)到65535 后隨即返回0并重新開始計(jì)數(shù), 控制PWM 開關(guān)的計(jì)數(shù)值即可調(diào)節(jié)占空比。PWM 信號(hào)由DO135 產(chǎn)生后即可供給功率開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)電路。
2．2 模糊控制器設(shè)計(jì)
大功率脈沖電源已被廣泛地應(yīng)用于許多工業(yè)領(lǐng)域中, 其控制算法通常采用常規(guī)PID 控制, 其算法簡(jiǎn)單,魯棒性好, 可靠性高, 適用于負(fù)載性質(zhì)確定且負(fù)載變化范圍不大的場(chǎng)合。
由于文章涉及到的電源負(fù)載是隨著工藝過程的進(jìn)行, 其性質(zhì)和大小均有較大范圍的變化, 很難建立其數(shù)學(xué)模型, 實(shí)踐證明采用常規(guī)PID 控制器難以達(dá)到理想的控制效果。
文章所設(shè)計(jì)的電源控制器, 其重要的控制功能之一就是在生產(chǎn)過程中當(dāng)負(fù)載電流受工藝影響或當(dāng)系統(tǒng)受到強(qiáng)干擾時(shí)負(fù)載電流發(fā)生突變(有時(shí)出現(xiàn)尖峰) , 或按工藝要求突加負(fù)載和突卸負(fù)載時(shí), 能夠通過調(diào)節(jié)電壓, 迅速使電流恒定在設(shè)定的工藝曲線上。
為保證電源輸出電流為設(shè)定值, 控制系統(tǒng)采用電流閉環(huán)控制。脈沖電源輸出的電流經(jīng)霍爾傳感器反饋到微處理器中, 模糊控制器根據(jù)電流誤差及誤差的變化率按照模糊控制規(guī)則得到控制量
Δu , 來控制電源系統(tǒng)的輸出電流。
模糊控制系統(tǒng)如圖3 所示。
Ii —手動(dòng)設(shè)定電流值; Io —負(fù)載端輸出脈沖電流平均值
圖3 模糊控制原理框圖
其具體設(shè)計(jì)如下：
(1) 選擇模糊控制器的語(yǔ)言變量。模糊控制器的輸入語(yǔ)言變量選為手動(dòng)設(shè)定電流值Ii 與實(shí)際負(fù)載端輸出脈沖電流平均值Io之間的差e = Io - Ii 及其變化率d e/ d t , 而其輸出語(yǔ)言變量為被控對(duì)象的控制量u 。
(2) 建立輸入語(yǔ)言變量誤差E、誤差變化EC 和輸出語(yǔ)言U 的賦值表。
設(shè)定E、EC 和U 為下列模糊子集:
E = EC = U = { NB NM NS 0 PS PM PB}
其中NB = 負(fù)大, NM = 負(fù)中, NS = 負(fù)小, 0 = 零, PS= 正小, PM = 正中, PB = 正大。根據(jù)馬達(dá)尼法, 設(shè)定E , EC 的論域?yàn)閇 - 6 , + 6 ] , 并將其量化為13 個(gè)等級(jí), U 的論域?yàn)閇 - 7 , + 7 ] , 量化的等級(jí)為15 個(gè),
E = EC = { - 6 , - 5 , - 4 , - 3 , - 2 , - 1 ,0 ,1 ,2 ,3 ,4 ,5 ,6}
U = { - 7 , - 6 , - 5 , - 4 , - 3 , - 2 , - 1 ,0 ,1 ,2 ,3 ,4 ,5 ,6 ,7}
(3) 選擇控制規(guī)則
用“IF A AND B THEN C”的模糊條件語(yǔ)句來描述, 該控制器把實(shí)際控制策略歸納為: IF E = NB AND
EC = NB THEN U = PB . . . . . . . . . 等條件語(yǔ)句, 控制規(guī)則表詳見文獻(xiàn)[3] 。
(4) 確定模糊推理算法和模糊判決方法, 建立模糊控制器查詢表。
采用的模糊推理算法是Mamdani“最小- 最大”推理法[4] , 模糊判決為重心法, 為了減少在線計(jì)算量,采用離線計(jì)算, 形成以觀測(cè)值和與之對(duì)應(yīng)的控制值為內(nèi)容的模糊控制表。
在電源控制系統(tǒng)中, 電壓、電流均可以采用模糊控制的算法來增強(qiáng)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性,但生成的是在原先控制量基礎(chǔ)上的變化量Δu , 因此在實(shí)際的控制系統(tǒng)中的控制量為原先控制量u 與Δu 之和[5] 。在PCC 控制系統(tǒng)中, 我們將離線運(yùn)算得到的模糊控制表以數(shù)組的形式輸入到存儲(chǔ)器中, 這樣當(dāng)運(yùn)行模糊控制子程序時(shí), 模糊推理和判決的工作量就會(huì)相對(duì)減少。模糊控制程序如圖4 所示。
圖4 模糊控制程序流程圖
在實(shí)際電源系統(tǒng)中不允許發(fā)生大電流的階躍和沖擊。所以在實(shí)驗(yàn)過程中設(shè)定平均電流為150 A , 對(duì)其施加幅值為30 A 的階躍試驗(yàn), 并用上位機(jī)監(jiān)控軟件完成數(shù)據(jù)采集及顯示, 圖中步長(zhǎng)為20 ms。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)思想, 響應(yīng)曲線超調(diào)小, 上升時(shí)間短, 動(dòng)態(tài)性能好, 電源控制系統(tǒng)采用模糊控制算法取得了良好的控制效果。
上升時(shí)間tr = 480 s ; 超調(diào)量δ% = 419%
圖5 PCC 電源系統(tǒng)階躍響應(yīng)示意圖
3 結(jié)束語(yǔ)
以PCC 作為大功率特種脈沖電源系統(tǒng)的核心控制器, 控制器硬件選用B&R 公司PCC 系列的PP41 , 其主要優(yōu)點(diǎn)是硬件模塊化和抗干擾能力強(qiáng)。采用高級(jí)語(yǔ)言ANSI C 作為PCC 的軟件編程語(yǔ)言, 開發(fā)的程序簡(jiǎn)潔易讀, 可移植性強(qiáng), 修改方便, 有與其硬件類似的模塊化結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。模糊控制算法的引進(jìn), 不僅保證了電源可工作于恒壓、恒流兩種工作方式下, 且使得電源控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)品質(zhì)有了明顯的提高。
