利用編程控制系統開展多路功率電子元器件老煉控制探究

谷元元，賈兆旭

（陜西恒太電子科技有限公司，陜西西安，710100）

0 引言

多路功率電子元器件老煉控制是現代工業中一個重要的控制技術[1]。它涉及到實時監測和控制多個功率電子元器件的狀態，以達到穩定工作和延長使用壽命的目的。傳統的老煉控制方法存在控制精度不高、穩定性差等問題[2～3]。因此，開展對多路功率電子元器件老煉控制的深入研究和改進具有重要意義。本文基于現有的老煉控制方法和算法，結合最新的編程技術，設計了一種新的編程控制系統。該系統可以實時監測多路功率電子元器件的工作狀態、電流、溫度等參數，并根據實時數據進行快速精確地控制。與傳統控制方法相比，該系統具有更高的控制精度和穩定性，可以提高功率電子元器件的老煉效果，延長使用壽命。本文將介紹編程控制系統的設計原理和實現過程，并通過實驗驗證其在多路功率電子元器件老煉控制中的優勢，進一步完善系統設計，擴展適用范圍，為工業生產提供更加可靠、高效的老煉控制技術。

1 系統總框架設計

利用編程控制系統開展多路功率電子元器件老煉控制，旨在實現對多個功率電子元器件的精確控制和協調運行，以提高系統性能、效率和穩定性，系統總框架如圖1 所示。

圖1 系統總框架設計

硬件設計部分需要考慮和選擇適當的微控制器、FPGA等硬件平臺，設計元器件接口電路，包括控制信號輸入和反饋信號采集。設計通信模塊實現與其他系統的數據交換，設計電源電路確保元器件供電穩定，實現電路的過流保護、過溫保護。

軟件設計部分，則根據PID 控制算法設計控制邏輯，考慮多路之間的協調與同步，避免互相干擾。實時性與響應模塊使用中斷或多線程編程技術，確?？刂葡到y的實時性，設計任務調度，確保不同任務按時執行。通信與監控模塊實現與外部系統的通信接口，如串口通信、以太網通信等；設計監控界面，用于顯示元器件狀態、實時數據和故障信息。

2 系統硬件設計

在基于多路功率電子元器件老煉控制的編程控制系統硬件設計部分，采用STM32F7 微控制器，以及Xilinx Artix-7FPGA（現場可編程門陣列）平臺，具體情況如圖2 所示。

圖2 電路拓撲圖

功率電子元器件會用到IR2153 開關電源控制芯片以及IGBT 逆變器，串口型號為MAX232，使用ENC28J60以太網，與STM32F7 微控制器連接，以實現數據的網絡傳輸。ACS712 電流傳感器、ZMPT101B 電壓傳感器以及DS18B20 數字溫度傳感器用來傳遞實時數據，監測電子元器件老煉控制情況。LM7805 電源穩壓芯片用于5V 穩壓，16x2 字符LCD 顯示，以及Resistive Touch Screen 觸摸屏用于監控設備的顯示。電源供應中，采用Agilent E3631A直流電源，Tektronix TBS1000 系列示波器，外殼需要做到保護電路免受外界環境影響，散熱器用于功率較大的逆變器元器件，以防止高溫導致的各種問題。

3 系統軟件設計

■3.1 PID 控制與協調模塊

在基于多路功率電子元器件老煉控制的編程控制系統中，PID 控制與協調模塊的主要功能是實現對多個功率電子元件的精確控制和協調運行，以提高系統的性能、效率和穩定性，具體的運行流程如圖3 所示。

設置目標值和反饋信號，首先需要確定被控制目標值（設定點），采集傳感器給予的實際反饋電流、電壓和溫度信號。之后計算誤差，以目標值與反饋信號的差為具體的誤差情況，以此推算PID 輸出。PID 輸出主要由比例項（P 項）、積分項（I 項）、微分項（D 項）三部分組成，在計算比例項P 時，具體的計算公式如式(1)所示：

其中，Kp是比例系數，O 是誤差。積分項I 項的計算公式如式(2)所示：

其中，Ki是積分增益，代表對誤差的積分，dt 表示積分的變量是時間。微分項D 的計算公式如式(3)所示：

其中，Kd是微分系數。PID 輸出則由比例項（P 項）、積分項（I 項）、微分項（D 項）的總和構成，根據PID 輸出生成控制信號，以此控制功率電子元件。如果存在多個功率電子元件，便需要執行協調控制策略，確保多路之間的協調和同步。系統通過CAN 通信協議讓各個元件相互通信、共享信息，以此來傳遞狀態和控制情況，讓各元件可以協調操作，確保不會產生沖突。以便使用實時編程技術，確?？刂颇K的實時性和快速響應。

■3.2 實時性與響應模塊

實時編程技術的有效使用是確保控制模塊實時性和快速響應的關鍵，特別是在多路功率電子元器件的老煉控制系統中[4]。在該模塊中首先需要確定系統的實時性需求，包括任務的響應時間、任務優先級、最大允許的延遲等，根據需求分析，將系統功能劃分為不同的任務，為每個任務分配合適的優先級，具體劃分情況如表1 所示。

表1 任務的響應時間和最大允許的延遲

設計并實現中斷服務程序（ISR）處理緊急事件，如高優先級任務、硬件故障等，設置中斷優先級，確保高優先級中斷能夠快速響應。根據任務的優先級和時序要求，合理安排任務的執行順序，使用實時操作系統（RTOS）來管理任務調度[5]。在調度前編寫任務的代碼，確保代碼邏輯簡潔、高效，具體如下操作：

（1）將任務分解為較小的子任務。

（2）對每個子任務估算所需的執行時間，確保能夠在規定的時間內完成。

（3）避免使用長時間的延時操作，特別是在高優先級任務中，需使用短延時或定時器中斷來實現定時操作。

（4）避免在任務中使用無限循環，除非在任務的設計中確實需要。

（5）將耗時的操作設計為異步操作，使任務在等待操作完成時繼續執行其他操作。

（6）使用非阻塞的方式執行操作，確保任務在執行期間能夠進行上下文切換，而不會被阻塞。

（7）根據任務的緊急程度和重要性，為任務分配合適的優先級，確保高優先級任務能夠及時響應。

（8）使用硬件定時器來觸發任務的執行，以確保任務按照預定的時間進行。

（9）如果任務的執行時間超過了可接受的范圍，將任務分為多個步驟，在不同的時間段內執行。

使用信號量同步機制，確保多個任務之間的數據共享是安全和有序的[6]。實時性監測任務的執行時間、延遲等參數，找出性能瓶頸和改進空間，根據監測結果進行優化，調整任務的執行邏輯和調度策略。

■3.3 通信與監控模塊

通信與監控模塊在系統軟件設計中起到了關鍵作用，用于與外部設備通信、采集數據以及監控系統狀態。通信接口設置為串口以及以太網接口，通信接口的硬件參數配置IP地址，選擇Modbus 通信協議，根據通信協議規范進行數據交換和通信，通過傳感器采集電流、電壓、溫度等數據，對采集到的數據進行模數轉換以及數據處理，模數轉換公式如式(4)所示：

其中，AnalogValue是模擬信號值，Vref 是參考電壓，Resolution 是ADC（模數轉換器）的分辨率。將采集到的數據封裝成通信協議規定的格式，發送給外部設備或主機；接收來自外部設備或主機的命令或數據，進行解析并處理。系統要監控各個關鍵參數，根據監控數據，判斷系統是否正常運行，是否存在異常情況。如果系統狀態異常，觸發報警機制，發送報警信息給相關人員或設備；反饋系統狀態信息給外部設備或主機，以實現遠程監控和控制。

4 對比實驗

■4.1 實驗準備

為對比傳統控制方法和新的編程控制系統在電子元器件老煉過程中的性能差異，實驗以溫度控制為例，挑選某電爐進行測試，DS18B20 數字溫度傳感器用于測量爐內溫度，串口型號為MAX232，以太網型號為ENC28J60，電源穩壓芯片選擇LM7805 型號，電源供應采用Agilent E3631A 直流電源，Tektronix TBS1000 系列示波器。分別選擇傳統PID 控制器和自編程控制系統，在相同的工作條件下進行一系列試驗，記錄系統性能。

■4.2 實驗結果

實驗結果記錄中，穩定性評價為記錄溫度波動情況；控制精度評價是指記錄實際溫度與目標溫度之間的偏差；響應時間評價是記錄系統對溫度變化的響應時間，具體數據記錄如表2 所示。

表2 實驗結果表

綜合分析表2 中的數據，編程控制系統在所有工況下都表現出更高的穩定性、更好的控制精度和更快的響應時間，最快可達0.8s。傳統PID 控制方法在某些情況下也能夠實現較好的性能，但在多數工況下，編程控制系統的性能更為優越，控制精度誤差在0.9℃，準確率最高為99.1%，系統運行順暢，表明編程控制系統對于多路功率電子元器件老煉控制具有重要的應用價值。

5 結束語

綜上所述，本文針對多路功率電子元器件老煉控制問題，利用編程控制系統進行了深入探究，進行PID 控制與協調，建立系統實時性與響應模塊以及通信與監控模塊。通過實驗驗證，新的編程控制系統在控制精度、穩定性和靈活性方面均優于傳統控制方法。未來，可以進一步完善編程控制系統的設計和算法，以提升系統的性能和穩定性。同時，研究中結合新的技術和方法，拓展控制系統的適用范圍，可以為多路功率電子元器件老煉控制提供更加可靠、高效的解決方案。