0 引言
隨著新材料市場的需求, 各種用于新型合金材料表面處理的新工藝和與之相適應的電源技術也得到了迅猛發展。這些新工藝往往對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能夠隨著工藝過程的進展大范圍地連續調節, 這不僅給電源主電路的設計帶來了相當的難度, 同時對電源的控制系統設計也提出了更高的要求。目前多數的大功率特種脈沖電源是由高性能的單片機或DSP (數字信號處理器) 構成其控制系統。文章介紹了一種基于新型工業控制機PCC 的電源控制器設計和實現方法。
1 電源系統組成及主要技術指標
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、高電壓的雙向不對稱脈沖, 同時電源的主要參數要隨著工藝過程中負載的變化而大范圍地連續調節, 這就要求電源能適應工藝曲線的變化給出最佳的控制規律[1 ] 。電源主要技術參數為: ①供電電源: 50 Hz , 380 V ; ②輸出平均電流: 0～240 A 連續可調; ③輸出峰值電流: 0～1 500A連續可調; ④輸出峰值電壓0～800 V 連續可調; ⑤換向頻率0～200 Hz 連續可調; ⑥脈沖工作頻率: 0～5kHz 連續可調; ⑦脈沖占空比: 5～95%連續可調。
電源系統硬件組成原理如圖1 所示。圖中, 全控整流電路實現調壓、移相調功, 其輸出經濾波電路與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通角α大小而改變。負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, 經尖峰抑制電路處理后供給負載。雙向脈沖采用非對稱矩形脈沖輸出波形, 且脈沖工作頻率和占空比是連續可調的, 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元件的通斷, 就可實現對頻率、換向比和占空比等參數的連續調節。
圖1 電源主電路及控制系統原理框圖
2 控制系統的硬件設計
2．1 PCC 控制系統簡介
PCC(可編程計算機控制器) 是集計算機、通訊和自動控制技術為一體的新型工業控制裝置,具備極高的可靠性、豐富的高級編程語言和函數庫, 其強大的功能、靈活的結構和豐富的I/ O 模塊配置, 能夠勝任大型集散控制系統和復雜的過程控制。本項目所設計的脈沖電源控制系統采用奧地利B&R 公司的PP41(PCC 系列產品) , 是集人機面板與控制系統于一體的工控裝置。其CPU 是32 位的Motorola M68300 微處理器, 運算速度快, 并配有RS232/ RS485 接口、CAN 總線接口以及PCMCIA 插槽, 除自身集成10 個24VDC 的開關量輸入和8 個24VDC 的開關量輸出通道外還能選配6 個B&R2003 旋入模塊。用戶RAM 為700Kbyte 的SRAM, 系統PROM 為600 Kbyte 的Flash PROM, 用戶PROM 為114 Mbyte 的Flash PROM, 同時還可根據用戶的需要插入PCMCIA 卡以擴充存儲容量。PP41 具有內部電壓監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庫省去了單片機開發中的許多工作量, 大大縮短了開發周期[2 ] ,其工業級的品質保證了控制器的可靠性。根據控制系統的功能和要求設計的電源控制器如圖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、電流傳感器的檢測信號。而電壓控制信號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調節三相全控智能整流模塊的電壓輸出。
PP41 控制器中集成了TPU (時間處理器) 來產生PWM信號, TPU 可以在不增加CPU 負擔的情況下實現脈沖計數、PWM 信號生成、頻率測量、步進電機的控制、同步數據通信、脈沖定位等功能。B&R 公司開發了TPU Code Linker (TPU 代碼鏈接器) , 可以在CPU 熱啟動時通過內部模塊總線將代碼送入CPU 與TPU 之間的2Kbyte 的RAM, 之后只有TPU 有權直接訪問此存儲區并通過LTX函數來控制時間處理器的工作。
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 模塊可方便的產生PWM 信號, DO135 為4 路的數字量輸出模塊, 最大工作頻率可達到100 kHz?？刂葡到y工作在PWM 方式下, 因此應用PCC 軟件庫提供的LTXdpwm ( ) 函數只需要設置PCC的數據字和控制字即可方便的連續調節頻率和占空比。PWM方式的開關由16 位計數器來控制, 計數達到65535 后隨即返回0并重新開始計數, 控制PWM 開關的計數值即可調節占空比。PWM 信號由DO135 產生后即可供給功率開關器件的驅動電路。
2．2 模糊控制器設計
大功率脈沖電源已被廣泛地應用于許多工業領域中, 其控制算法通常采用常規PID 控制, 其算法簡單,魯棒性好, 可靠性高, 適用于負載性質確定且負載變化范圍不大的場合。
由于文章涉及到的電源負載是隨著工藝過程的進行, 其性質和大小均有較大范圍的變化, 很難建立其數學模型, 實踐證明采用常規PID 控制器難以達到理想的控制效果。
文章所設計的電源控制器, 其重要的控制功能之一就是在生產過程中當負載電流受工藝影響或當系統受到強干擾時負載電流發生突變(有時出現尖峰) , 或按工藝要求突加負載和突卸負載時, 能夠通過調節電壓, 迅速使電流恒定在設定的工藝曲線上。
為保證電源輸出電流為設定值, 控制系統采用電流閉環控制。脈沖電源輸出的電流經霍爾傳感器反饋到微處理器中, 模糊控制器根據電流誤差及誤差的變化率按照模糊控制規則得到控制量
Δu , 來控制電源系統的輸出電流。
模糊控制系統如圖3 所示。
Ii —手動設定電流值; Io —負載端輸出脈沖電流平均值
圖3 模糊控制原理框圖
其具體設計如下：
(1) 選擇模糊控制器的語言變量。模糊控制器的輸入語言變量選為手動設定電流值Ii 與實際負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 , 而其輸出語言變量為被控對象的控制量u 。
(2) 建立輸入語言變量誤差E、誤差變化EC 和輸出語言U 的賦值表。
設定E、EC 和U 為下列模糊子集:
E = EC = U = { NB NM NS 0 PS PM PB}
其中NB = 負大, NM = 負中, NS = 負小, 0 = 零, PS= 正小, PM = 正中, PB = 正大。根據馬達尼法, 設定E , EC 的論域為[ - 6 , + 6 ] , 并將其量化為13 個等級, U 的論域為[ - 7 , + 7 ] , 量化的等級為15 個,
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) 選擇控制規則
用“IF A AND B THEN C”的模糊條件語句來描述, 該控制器把實際控制策略歸納為: IF E = NB AND
EC = NB THEN U = PB . . . . . . . . . 等條件語句, 控制規則表詳見文獻[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, 為了減少在線計算量,采用離線計算, 形成以觀測值和與之對應的控制值為內容的模糊控制表。
在電源控制系統中, 電壓、電流均可以采用模糊控制的算法來增強控制系統的動態穩定性,但生成的是在原先控制量基礎上的變化量Δu , 因此在實際的控制系統中的控制量為原先控制量u 與Δu 之和[5] 。在PCC 控制系統中, 我們將離線運算得到的模糊控制表以數組的形式輸入到存儲器中, 這樣當運行模糊控制子程序時, 模糊推理和判決的工作量就會相對減少。模糊控制程序如圖4 所示。
圖4 模糊控制程序流程圖
在實際電源系統中不允許發生大電流的階躍和沖擊。所以在實驗過程中設定平均電流為150 A , 對其施加幅值為30 A 的階躍試驗, 并用上位機監控軟件完成數據采集及顯示, 圖中步長為20 ms。
實驗結果符合設計思想, 響應曲線超調小, 上升時間短, 動態性能好, 電源控制系統采用模糊控制算法取得了良好的控制效果。
上升時間tr = 480 s ; 超調量δ% = 419%
圖5 PCC 電源系統階躍響應示意圖
3 結束語
以PCC 作為大功率特種脈沖電源系統的核心控制器, 控制器硬件選用B&R 公司PCC 系列的PP41 , 其主要優點是硬件模塊化和抗干擾能力強。采用高級語言ANSI C 作為PCC 的軟件編程語言, 開發的程序簡潔易讀, 可移植性強, 修改方便, 有與其硬件類似的模塊化結構的特點。模糊控制算法的引進, 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的穩態特性和動態品質有了明顯的提高。
