智能復用型電磁攪拌電源控制系統研究

陳 良，許 煜

(上海寶信軟件股份有限公司，上海 201900)

智能復用型電磁攪拌電源控制系統研究

陳 良，許 煜

(上海寶信軟件股份有限公司，上海201900)

介紹了智能復用型電磁攪拌電源控制系統設計。通過三相電壓之間的矢量關系的分解，得到對于普通的三相逆變電源固定其中兩相幅值，僅需改動另一相的幅值即可實現二相正交電源的輸出。為此，文章設計了由MCU與專用PWM波發生芯片SA4828構成的電磁攪拌變頻電源控制系統，且著重分析了SA4828的程序設計要點。該方案具有電路簡單、控制方便和運行可靠等優點。

電磁攪拌；PWM；SA4828

0 引言

電磁攪拌可以加速鑄坯內部的液態金屬運動,促進鑄坯內部的熱量交換,使得液態溫度分布趨于均勻從而控制液態金屬成型與凝固，提高金屬性能。因此，電磁攪拌技術在連續鑄鋼領域得到了廣泛的應用。按使用電源相數來分主要有兩種：二相電源電磁攪拌器和三相電源電磁攪拌器。二相正交變頻電源(相位差90°)以其較強的電磁穿透力，主要應用于需要產生行波磁場的板坯電磁攪拌和爐底攪拌等場合；三相對稱變頻電源(相位差120°)使用范圍相對較廣，主要應用于需要產生旋轉磁場的方坯和圓坯電磁攪拌等場合[1-2]。

目前，國內外廠家提供的產品，對二相正交變頻電源和三相對稱變頻電源是兩套產品，硬件結構不同，軟件控制也不同，這樣一臺電源便被限制了使用場景，備件也不通用還增加了使用成本。因此，設計一種二相/三相復用的智能型電磁攪拌變頻電源是一件非常有意義的工作。

1 電磁攪拌變頻電源

電磁攪拌變頻電源的工作原理如圖1所示，在整流部分實現外接三相交流電壓經過整流橋模塊轉換成直流母線電壓，輸出的直流經儲能濾波電容模塊后除去了直流電壓的尖峰擾動使得母線電壓表現得較為平滑。在逆變部分，通過波形控制算法模塊輸出的逆變驅動波形實現了對功率模塊(主要是IGBT或MOS組)的通斷控制，進而輸出低頻交流電壓供電磁攪拌裝置使用。變頻電源的開路控制基本情況如上所述，其沒有考慮工況干擾和故障發生，故實際使用時必須有前后級模擬信號檢測，把電壓、電流、溫度、頻率等參數反饋到控制單元，構成多級閉環系統使得變頻電源能根據工況自主調整。保護的成敗完全取決于響應速度，對于冷卻水溫度，它是一個變化趨勢相對較緩慢的過程，主控制器通過簡單的閾值判斷即可保護；但對于功率模塊本身的過流，這是一個變化趨勢極快的過程，例如英飛凌的IGBT過流保護時間需要在6 μs內給出，這就需要借助FPGA/CPLD這類器件來快速切斷輸出脈沖。

圖1 電磁攪拌電源系統示意圖

目前，二相正交變頻電源逆變側電路主要采用H橋形式，三相對稱變頻電源逆變側電路主要以三橋臂輪換對稱形式。這樣硬件形式的不統一會影響產品的使用范圍。所以尋求一種統一的硬件結構，通過程序改變實現二相、三相的復用變得非常有意義。本設計，采用三橋臂輪換對稱形式為電磁攪拌變頻電源逆變側電路的基礎架構，通過程序設計實現二相正交變頻電源輸出。

2 波形控制實現

因為三相三橋臂產生的對稱電壓幅值相等，相位差為120°。從嚴格理論上分析，以A相為公共相，UAB和UAC等效于正交輸出的激勵電壓ub、uc，采用同步速坐標變換,然后通過Park變換將a-b 靜止坐標系變換到d-q旋轉坐標系中進行控制矩陣運算[3]。這種電磁攪拌變頻電源電流和頻率的解耦控制，能夠實現頻率和電流的雙閉環控制，但是對算法和軟件編程的要求非常高，同時因為算法的復雜性，需要耗費控制器較多的資源。

圖2所示為三相電壓之間的矢量關系圖。因為最終要實現UAB和UAC的正交輸出，所以化矢量計算為標量計算能有效降低計算復雜度[4]。

圖2 電壓矢量分解圖

先做一個限定，即相電壓UBN和UCN的幅值相等，僅調整UAN的幅值來實現UAB⊥UAC。

因為輸出三相電壓角度各差120°，所以:

(1)

因為對稱，所以：

(2)

設UBN=UCN=1，由余弦定理可得

(3)

(4)

把式(1)、式(2)代入式(3)、式(4)，利用MATLAB求解二元二次方程組。

%聲明兩個符號變量

>>syms x y

>>s=solve(x^2+y^2-1.414*x*y==1,x^2-y^2-y==1,’Real’,true)

s=

x:[4x1 sym]

y:[4x1 sym]

>>double(s.x)

Ans=

1.0000

-1.0000

1.2246

-1.2246

>>double(s.y)

Ans=

0

0

0.3658

-1.3658

得到四組實數解，去除無意義的三組，最終得到如下解:

UAN=0.365 8

UAB=1.224 6

三相六橋臂逆變電源轉兩相示意圖如圖3所示，以A相為公共相，B相和C相為幅值固定相，對應SA4828芯片，即由紅、藍和黃三相合成后生成的AB、AC兩相間相位差為90°，用此信號去驅動逆變橋輸出就可得到相位差90°的線電壓，可變相的幅值為兩固定相幅值的0.365 8倍，同時輸出幅值提升為固定相幅值的1.22倍，提高了效率。把矢量計算簡化為標量計算，且僅需改動其中一相的幅值即可實現電磁攪拌電源的二相正交，這樣的設計特別適合MCU和SPWM專用芯片SA4828的嵌入式方案實現。

圖3 三相逆變電源轉兩相示意圖

3 SA4828設計

SA4828是Mitel公司專為異步交流電動機、UPS和其他任何要求電源波形精確的電器設備而設計的PWM芯片[5]。其在變頻電源的設計中也常被用于跟微處理器MCU配合，工況穩定時可獨立于MCU工作，只有當工況變化時，根據反饋需要，MCU才通過計算更新控制參數。

為保證基準時間的穩定，外接20 MHz有源晶振。電磁攪拌電源主要應用在1～7 Hz的低頻工作，所以設定頻率范圍為12 Hz，載波頻率為1.22 kHz。為了防止共態導通，設置死區時間為10 μs，為了消除過窄脈沖引起的開關損耗，設置最小刪除脈寬為10 μs。SA4828內部存儲了三種波形可供選擇，本設計選擇了高效正弦波。為了增強系統的魯棒性，本設計增加了看門狗，喂狗時間間隔為100 ms。

如表1所示，SA4828初始化寄存器的具體設置值為R0=0x24；R1=0x39；R2=0x79；R3=0x22；R4=0x07；R5=0xA1。對應的計算過程如下：

系統時鐘頻率fCLK=20 MHz；

表1 SA4828初始化寄存器

由前述電壓矢量圖分析，已知根據幅值給定值確定其中兩相的值，則第三相的幅值為兩相固定值的0.366倍。幅值控制位AC定義了三相PWM的幅值輸出， 若AC=1，則紅、藍、黃三相PWM的幅值分別由控制寄存器中的R3、R4和R5獨立控制，如表2所示。

控制寄存器是用來控制系統運行過程中的狀態，包括轉速、軟復位控制、看門狗使能、計數器復位、啟停控制、正反轉控制和幅值大小。SA4828本身可以獨立工作產生PWM波，只有當需要改變變頻器的輸出頻率或電壓時，才會通知MCU計算出對應頻率和電壓的數字量，并操作相應的控制寄存器，其余時間均無須干預。這樣的方案使MCU可以更多地投入到事務性控制和電源狀態的監控，保證電磁攪拌變頻電源的可靠性和穩定性。

表2 SA4828控制寄存器

4 結論

通過對三相電壓之間的矢量關系的分解，得到對于普通三相逆變電源固定其中兩相幅值，僅需改動另一相的幅值即可實現二相正交電源的輸出。為此，本文設計了由MCU與專用PWM波發生芯片SA4828構成的電磁攪拌變頻電源控制系統，且著重分析了SA4828的程序設計要點。該方案具有電路簡單、控制方便和運行可靠等優點。

[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] 張宏麗，賈交霖，王恩剛，等.電磁攪拌改善鑄坯內部質量的實驗研究[J].東北大學學報，2001，22(3):315-318.

[3] 王曉雷，勵慶孚.二相電磁攪拌器逆變恒流電源矢量控制[J].鑄造技術，2005，26(11)：1061-1064.

[4] 王寶國，王鳳翔.兩相電機的線電壓控制方式變頻調速研究[J].電力電子技術，2001(1)：33-34．

[5] MITEL.SA4828 3-Phase Pulse Width Modulation Engine Advance Information[R].1999.

Research on the control system for intelligent multiplexing electromagnetic stirring power supply

Chen Liang，Xu Yu

(Shanghai Baosight Software Co.，Ltd.，Shanghai 201900，China)

The design of a control system for intelligent multiplexing electromagnetic stirring power supply is introduced.Based on the decomposition of the vector relationship through the three-phase voltage，we conclude that the two phase orthogonal power supply can be realized only by fixing the amplitudes of the two phases and changing the amplitude of the other phase.For this reason，the control system of electromagnetic stirring frequency power supply which is composed of MCU and SA4828 is designed and the key points of the program design of SA4828 are emphatically analyzed.The design has the advantages of simple circuit，convenient control and reliable operation.

EMS; PWM; SA4828

TN773

A

10.19358/j.issn.1674-7720.2017.21.008

陳良，許煜.智能復用型電磁攪拌電源控制系統研究J.微型機與應用，2017,36(21)：26-28.

2017-04-07)

陳良(1972-)，男，本科，工程師，主要研究方向：機電一體化設備。

許煜(1984-)，男，碩士，工程師，主要研究方向：工業儀器儀表。