摘  要： 设计了一种智能型电磁搅拌电源的控制系统，基于LPC2368和SA4828的组合，突破了纯硬件和纯软件设计的瓶颈。ARM主控制器完成通信、显示、PI计算等事务性功能，SA4828在ARM的驱动信号下发出6路幅值、频率可调的SPWM波，实现了高精度配置灵活的三相变频电源。采用数字增量式PI控制策略，快速消除外界扰动对输出的影响。采用模块化的程序设计，便于根据工况加入新的模块，同时系统注重可靠性设计，适用于工业现场。

　　关键词： 电磁搅拌；变频电源；SA4828；SPWM

0 引言

　　连铸电磁搅拌装置靠电磁力对金属液体进行非接触搅拌，使熔体的温度和合金成分均匀，能有效提高表面质量，减少中心偏析和疏松，基本消除中心缩孔和裂纹，已广泛应用于各种方圆坯连铸机上[1]。电磁搅拌装置是一种工作在高温、高湿度及高尘渣等恶劣环境下的电气设备，为了达到设定的电磁推力，又要尽量减小装置的体积，这就需要使用一个电压和频率都可以连续调节的大功率三相电源。

　　三相电源一般采用SPWM的方法实现。即用一个低频正弦波去调制一个高频三角形的载波，得到一串等幅不等宽的脉冲。它里面包含有一个基波分量和极少的谐波。改变调制波的频率和幅值，就可以改变脉冲串里基波分量的频率和幅值，也就实现了电源的变压变频控制[2]。通常产生PWM控制信号的方法有两种：由硬件产生的模拟信号和由软件产生的数字信号。硬件生成的PWM控制信号快速可靠，但由于控制参数难以改变，所以不够灵活；软件生成的数字PWM控制信号比较灵活，但由于需要通过软件来计算，所以速度比硬件产生的PWM控制信号稍慢。鉴于纯硬件和纯软件都有瓶颈的现状，采用ARM主控制器和SA4828 PWM波形发生器结合的控制策略，ARM主控制器完成通信、显示、PI计算等事务性功能，SA4828在ARM的驱动信号下发出6路幅值、频率可调的SPWM波，实现了高精度配置灵活的三相变频电源。

1 电磁搅拌变频电源总体设计

　　电磁搅拌变频电源的结构设计如图1所示。电压状态指示器除了指示电源的通电外，更重要的是作为关断时滤波电容放电通路和指示。因为滤波电容的容量很大，通常放电都需要几分钟时间，在三相380 V的电压下会威胁人员的安全，故特别需要被标识。全桥滤波整形模块把输入的380 V交流电转换成约537 V的直流电。电压调整分配模块把约537 V的直流电通过分压变压转换成+15 V、+24 V、+5 V和+3.3 V电压供给不同模块对电源的需求。在变频器的交流调速中，系统的减速是通过降低变频器的输出频率而实现的，当变频器的输出频率下降过快时，负载的动能要回馈到直流电路中，使直流电路电压（泵升电压）不断上升，导致变频器本身过电压保护动作，切断变频器的输出。为了避免出现这一现象，必须将再生到直流电路的能量通过泵升电压抑制器消耗掉。这里设计的泵升电压抑制器是由一个大功率发热电阻和一个有ARM控制通断的IGBT组成。制动断路接触器在有泵升电压发生的时候，同时设置接触器形成热断路回路。ARM主控模块采用NXP公司的LPC2368，主要完成通信、显示、PI计算等事务性功能。隔离驱动模块采用富士公司的EXB841，把6路5 V的SPWM波转换成+15 V、-5 V的电压波形来控制IGBT组成的逆变输出执行模块的通断。键盘显示模块通过232串口和SPI口与ARM主控模块进行双向通信。信号采集反馈模块采用北京森社电子有限公司的闭环霍尔电流传感器CHB-500SG，把输出的三相电流反馈到ARM主控模块，得到的电流幅值和相位供控制算法使用。

2 SPWM驱动波形发生

　　PWM（Pulse Width Modulation）控制就是对脉冲的宽度进行调制，以冲量效果相等来等效地获得目标波形的一种方法。脉冲在幅值一致时，其宽度会以正弦波变化，根据面积等效原理，从作用效果上看，PWM波形与正弦波是等效的，这是在逆变控制中最广泛应用的SPWM（Sinusoidal PWM）波形[3]。

　　SA4828芯片是Mitel公司推出的一块专用于SPWM信号发生和集成控制的芯片，能够与大多数主流控制器I/O连接，其载波频率最高为24 kHz，输出的SPWM波频率范围为0~4 kHz，可设置死区和最小脉宽，每一相输出都是标准的TTL电平，具有最大12 mA的驱动能力。内部ROM固化了3种波形：纯正弦波形、3次谐波增强型和带死区增强型输出波形[4]。

　　如图2所示为适用于电磁搅拌变频电源的SPWM波发生原理图。SA4828的AD0~AD7接LPC2368的8路I/O口组成模拟的数据总线和地址总线；SA4828的写控制端WR、读控制端RD和写地址锁存端ALE分别与LPC2368的I/O口连接；SA4828的时钟CLK信号接24 MHz的有源晶振保证时钟的稳定，VDD、MUX和RS均接电源，VSS接地，ZPPR接LPC2368的外部中断口实时监控输出的调制波频率，SETTRIP与外部故障信号连接。SA4828的六路输出端接到隔离驱动模块的输入端，根据固件设置产生对应的SPWM波，一旦故障发生，SA4828的六路输出将被立即封锁Trip端口，拉低LED1发光报警，同时进入INT0的中断服务程序，进行软件后续故障处理。

　　通过LPC2368对SA4828的输入控制可以实现输出电源频率2~20 Hz，满足电磁搅拌装置的需要。通过LPC2368对SA4828特定寄存器写入特定值来设定死区时间，可以防止IGBT的共态导通，设定窄脉冲删除时间可降低开关频率减少器件发热。16位调速分辨率使得电源频率可以精确到千分之一赫兹，8位调压分辨率使得输出的三相电源精度达到1 V。

3 高精度控制算法设计

　　当变频电源正常运行时，为了实现系统的反馈与实时控制，需要对SA4828的控制字进行修改。根据现场试验效果，认为数字增量型PI控制策略的调节效果不错。图3给出了信号采集反馈模块采用数字增量型PI控制策略的详细流程。

　　数字增量型PI算法：

　　其中kp是比例系数、ki是积分系数。

　　首先，为防止脉冲扰动，在AD采样后进行中值滤波，若滤波后数据超过限定值，则程序立即终止，并发出报警信号，否则根据式（2）计算输出与设定之间的偏差e（k）的值，然后把式（2）的结果代入式（1）计算执行装置位置的改变量u（k）的值，在此基础上根据式（3）计算出系统控制输出u（k）的值。把这个值转换成十六进制的值写入SA4828的控制寄存器即可实现闭环反馈PI控制，然后步进k自增，重复上述过程。

　　传统的模拟式PI控制中设备的性能受外界温度、湿度等环境因素影响很大，在实际环境中容易出现工作不稳定的状况，用数字增量式PI控制策略则可完全解决这个问题。u（k）只决定执行装置位置的改变量。当计算机出现故障时，执行机构仍保持在前一步的位置上，这样安全性和可靠性就能大大提高。比例环节的作用是对扰动作出快速反应；积分环节的作用是消除系统静差，只要偏差不为零，它将通过积累作用影响控制量，使偏差趋向于零，系统达到稳定。

4 程序设计方案

　　程序设计是电源系统的核心，它决定三相变频电源输出电压的稳定度、精度以及动态响应速度等。系统主程序采用模块化编程方法，图4所示为在主控模块的作用下，三相变频电源的主程序流程图。系统上电后进行初始化自检，自检的目的是确保各硬件模块处于正常待命状态，若自检不通过则不能启动系统，若通过了自检，则将SA4828幅度控制寄存器的控制字从0逐渐加到设定值，即可轻松实现缓启动功能。随着电磁搅拌的进程，需要的电源频率和电流大小都会随时改变，则三相变频电源需要根据工况调整输出电压幅值和频率参数，在调整命令发出后就要不断读取传感器传送回来的数值，若出现过流、过压或欠压的任意一种情况，系统将封锁输出并报警，若都正常，则在软件中更新看门狗定时器，防止其溢出导致的系统中断SPWM信号输出。然后在显示器上显示当前的工作状态参数，以便在控制室监控现场的工况。为了减小实际输出值和控制设定值之间的偏差，采用PI整定进行控制，从而快速稳定系统，把经过PI计算的值与之前写入SA4828控制寄存器的参数进行比较，看是否一致，若不一致则需要更新控制参数重复调整参数的整个流程，若一致，则不断更新看门狗，保持当前状态。

5 结论

　　本文设计了一种智能型高精度电磁搅拌电源的控制系统，基于LPC2368和SA4828的组合，突破了纯硬件和纯软件设计的瓶颈。ARM主控制器完成通信、显示、PI计算等事务性功能，SA4828在ARM的驱动信号下发出6路幅值频率可调的SPWM波，实现了高精度配置灵活的三相变频电源。为了消除外界扰动对输出的影响，采用数字增量式PI控制策略，步进能快速消除扰动，即使计算机出现故障，执行机构仍保持在前一步的位置上，这样安全性和可靠性也得到了提高。

　　参考文献

　　[1] 齐雅丽，蒋光霖，张国志.电磁搅拌对液态金属运动及凝固组织的影响[J].铸造技术，2005，26（2）：118-120.

　　[2] 徐志跃.基于SA4828的变频器设计[J].电气传动，2006，36（1）：14-16.

　　[3] 张艺东.SPWM逆变器调制方式的研究[J].科技创新与生产力，2011（5）：100-102.

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