1 引言
鋁電磁鑄軋技術(shù)是一種集機(jī)械、電氣、液壓、金屬材料、鑄軋工藝（含熔鑄、熱軋和冷軋等）、計(jì)算機(jī)控制等多學(xué)科和新技術(shù)于一體的高效、節(jié)能的鋁帶坯生產(chǎn)高新技術(shù)。電磁鑄軋的機(jī)理是在連續(xù)鑄軋區(qū)施加特殊的交變電磁場，用電磁力改變鑄軋區(qū)中的結(jié)晶與變形條件，使晶粒組織細(xì)化，取代鋁—鈦—硼晶粒細(xì)化劑，獲得高質(zhì)量的鑄軋帶坯。這種具有特殊要求的電磁場，是通過在電磁感應(yīng)器中通入特殊的鑄軋電流波而產(chǎn)生的。因此，研制一套能適應(yīng)各種磁場要求、為電磁感應(yīng)裝置供電的鑄軋專用變頻電源控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)電磁鑄軋工藝系列技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。
在某鋁電磁連續(xù)鑄軋系統(tǒng)中，對(duì)鑄軋?zhí)胤N電源的電氣參數(shù)要求為：
（1）相數(shù)：三相，也可兩相運(yùn)行；
（2）單相電流波形：基波為正弦波，能任意迭加高次諧波；
（3）單相電流幅值：5～25a，獨(dú)立可調(diào)；
（4）單相電流基波頻率：5～20hz，獨(dú)立可調(diào)；
（5）電磁攪拌換相周期：1～5個(gè)周波內(nèi)任選；
（6）相位差:三相運(yùn)行時(shí)為120°,兩相運(yùn)行時(shí)為90°
（7）輔助電源：低壓大電流200～300a，幅度可調(diào)。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，電磁鑄軋電源變頻裝置主電路采用交—交變頻方式，同時(shí)結(jié)合模糊自適應(yīng)pid控制策略實(shí)現(xiàn)裝置的電流波形跟蹤與控制功能。由于電磁感應(yīng)器的三組線圈相互獨(dú)立，需要三相電流的大小單獨(dú)可調(diào)，相位關(guān)系也可調(diào)。因此，電磁鑄軋系統(tǒng)由三個(gè)電源變頻裝置組成。
2 變頻裝置的硬件電路設(shè)計(jì)
電磁鑄軋電源頻率裝置的硬件電路包括功率變換電路、控制電路和其它一些輔助電路。
2.1 功率變換電路
系統(tǒng)的功率變換電路就是系統(tǒng)的主電路，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。整流電路通過整流變壓器與電網(wǎng)相連，整流變壓器接成△/y形式，將380v/50hz的電源變成250v/50hz輸出，既可避免高次諧波注入電網(wǎng)，又可實(shí)現(xiàn)隔離和降壓。在整流橋的交流輸入側(cè)，接有快速熔斷器，以實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)作用。
整流環(huán)節(jié)所用的電力電子器件是scr（晶閘管）模塊，采用scr模塊的標(biāo)稱額定電壓為1600v，額定電流為54a。為了防止過電壓對(duì)scr造成損害，采用阻容保護(hù)：在每個(gè)晶閘管兩端加阻容保護(hù)，由于電容兩端的電壓不能突變，可以限制變壓器次級(jí)的電壓變化率，因而限制了瞬時(shí)電壓的上升水平，串連的電阻還可以消耗部分能量。
圖1 電源變頻裝置主電路原理圖
l和l′是電磁感應(yīng)器內(nèi)部繞在同一個(gè)鐵芯上的兩個(gè)線圈，變頻器p和n采用三相橋式全控整流電路，p組工作時(shí)，在負(fù)載線圈l中得到正半波電流，n組工作時(shí)，在負(fù)載線圈l′中得到負(fù)半波電流。把流經(jīng)同一鐵心上的這兩個(gè)線圈的電流合成，相當(dāng)于在負(fù)載線圈中通入了一個(gè)完整的電流波形。p組和n組輸出之間無電氣連接，不存在環(huán)流使電源短路的問題，控制起來更簡單，鑄軋效果更好，安全性和可靠性也得到很大提高。
2.2 變頻裝置控制電路
2.2.1 對(duì)移相觸發(fā)電路的要求
控制電路的主要作用是對(duì)晶閘管整流電路產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。根據(jù)三相橋式全控整流電路的工作特點(diǎn)，對(duì)移相觸發(fā)電路有如下要求：
（1）觸發(fā)信號(hào)對(duì)門—陰極來說必須是正極性的。為了減少門極損耗，一般不用交流或直流觸發(fā)信號(hào)，而是采用脈沖形式的觸發(fā)信號(hào)，常見的是采用雙窄脈沖；
（2）觸發(fā)脈沖信號(hào)應(yīng)有足夠的功率，但以不超過門—陰極的安全工作區(qū)為限；
（3）觸發(fā)脈沖應(yīng)有一定的寬度，以保證被觸發(fā)的晶閘管可靠導(dǎo)通。由于電磁感應(yīng)器屬于感性負(fù)載，觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)大于晶閘管的陽極電流從零上升到擎住電流的時(shí)間，觸發(fā)脈沖的總寬度不應(yīng)小于100μs，一般要到1ms；
（4）觸發(fā)脈沖應(yīng)與被觸發(fā)晶閘管的陽—陰極的電壓同步，并要保證有足夠的移相范圍。
電磁鑄軋變頻裝置以mcu+cpld為核心完成觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生。mcu捕獲同步信號(hào)的上升、下降沿得到單窄脈沖，之后經(jīng)cpld譯碼得到雙窄脈沖去觸發(fā)晶閘管。因此，觸發(fā)脈沖的形成與輸出模塊包括主要同步移相電路、cpld譯碼形成雙窄脈沖電路、脈沖功率放大與隔離電路三部分。
2.2.2 同步移相電路
傳統(tǒng)同步控制電路存在同步變壓器與整流變壓器的接法配合復(fù)雜、現(xiàn)場調(diào)試?yán)щy、同步變壓器安裝不便等缺點(diǎn)，為此，設(shè)計(jì)了一種無同步變壓器的同步移相控制電路，如圖2所示。該電路以阻容網(wǎng)絡(luò)、過零運(yùn)放和高速光隔代替?zhèn)鹘y(tǒng)的同步變壓器，實(shí)現(xiàn)同步信號(hào)的采集和同步控制電路與主電路的隔離。圖２中hia、hib、hic為同步移相控制電路輸出的同步方波信號(hào)，mcu的cap口捕獲該方波的上升沿和下降沿，實(shí)現(xiàn)同步信號(hào)的采集。
圖2 同步移相控制電路
2.2.3 基于cpld的雙窄脈沖形成與分配技術(shù)
基于cpld的雙窄脈沖形成與分配技術(shù)可以大大簡化觸發(fā)電路，并且工作可靠，電路傳輸時(shí)延小，調(diào)試修改方便，工作橋的選擇和互鎖保護(hù)等功能也比較容易實(shí)現(xiàn)。
對(duì)于三相橋式全控整流電路，雙窄脈沖觸發(fā)是在觸發(fā)某個(gè)晶閘管的同時(shí)，給序號(hào)在前的一個(gè)晶閘管補(bǔ)發(fā)脈沖。同步移相之后的同步電壓信號(hào)，經(jīng)過過零比較電路和光電隔離后得到同步信號(hào)，mcu的cap口捕獲該３相同步信號(hào)的上升沿和下降沿，作為觸發(fā)角α的起點(diǎn)。mcu根據(jù)當(dāng)前閉環(huán)控制的計(jì)算結(jié)果從三個(gè)pwm口輸出觸發(fā)角為α、脈沖寬度為1ms的脈沖。cpld根據(jù)譯碼邏輯輸出六路雙窄脈沖，通過脈沖功率放大與輸出電路后分別作為主電路的6個(gè)晶閘管的觸發(fā)脈沖。6個(gè)晶閘管，相位依次差60°，每個(gè)時(shí)刻有2個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，形成向負(fù)載供電的回路。綜合上述譯碼過程，并考慮正反橋封鎖和“雙1”封鎖功能，可以得出譯碼邏輯為（以正橋?yàn)槔礃蝾愃疲?/P>
式中，lckz、lckf分別為正、反橋選擇信號(hào)，當(dāng)其值為0時(shí)，封鎖相應(yīng)橋的觸發(fā)脈沖，當(dāng)其值為1時(shí)，開放相應(yīng)橋的觸發(fā)脈沖。但當(dāng)lckz=lckf=1時(shí)，正反橋均進(jìn)入封鎖狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)互鎖保護(hù)功能。
2.2.4 脈沖功率放大與隔離電路
從cpld譯碼輸出的雙窄脈沖不能直接加到主電路晶閘管的g、k極之間，還需要有脈沖的放大和隔離環(huán)節(jié)，即脈沖輸出電路，脈沖輸出電路如圖3所示。它由高速光隔tlp114構(gòu)成的電氣隔離環(huán)節(jié)、v1與v2構(gòu)成的脈沖放大環(huán)節(jié)和脈沖變壓器tm及附屬電路構(gòu)成的脈沖輸出環(huán)節(jié)等部分組成。tlp114的作用是將cpld輸出的雙窄脈沖與脈沖功放和輸出環(huán)節(jié)隔離，提高系統(tǒng)可靠性。當(dāng)v1、v2導(dǎo)通時(shí)，通過脈沖變壓器向晶閘管的門極和陰極之間輸出觸發(fā)脈沖。vd2和r4是為了v1、v2由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)脈沖變壓器tm釋放其儲(chǔ)存的能量而設(shè)的，r5用來限制晶閘管控制極電流。
圖3 晶閘管脈沖放大隔離電路
主電路中晶閘管的門極觸發(fā)電流參數(shù)為150ma，為保證可靠觸發(fā)，設(shè)計(jì)放大隔離電路時(shí)采用脈沖變壓器，一次側(cè)電源為+15v。
3 軟件控制策略
在電磁鑄軋電源變頻裝置控制系統(tǒng)中，采用模糊自適應(yīng)pid控制器作為acr（電流調(diào)節(jié)器），通過模糊控制實(shí)現(xiàn)pid參數(shù)kp、ki和kd的在線自整定，以獲得更滿意的控制效果，如圖4所示。
圖4 基于模糊自適應(yīng)pid控制器的電磁鑄軋電源變頻裝置控制系統(tǒng)
根據(jù)系統(tǒng)需求可知，電磁鑄軋電流波形發(fā)生器是實(shí)現(xiàn)控制方案的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，它輸出頻率可調(diào)、幅值可調(diào)并能任意迭加高次諧波的特殊電流波作為電源變頻裝置的給定。設(shè)計(jì)中采用查表法實(shí)現(xiàn)波形發(fā)生器，并同時(shí)滿足在線實(shí)時(shí)控制的要求。
3.1 電流波形發(fā)生器的產(chǎn)生
正弦波形是由其幅值和頻率唯一確定的。設(shè)有一正弦函數(shù)
式中，a為正弦波的幅值，f0為正弦波的頻率,t0為周期。
令y(t)的幅值a=1，將y(t)按1000點(diǎn)進(jìn)行離散處理，那么，第n個(gè)離散點(diǎn)的幅值y(n)為
將離散點(diǎn)y(0)、y(1)、y(2)、y(3)、……y(1000)按順序組成一個(gè)表格sintab，存放在內(nèi)存中，cpu以固定的周期t訪問表格sintab。當(dāng)步長為m時(shí)，獲得的數(shù)據(jù)為y(0)、y(m)、y(2m)、y(3m)、……y(n×m)，這些離散點(diǎn)組成周期t=t×n的正弦波（n=1000/m，取整）。由此可見，當(dāng)表格長度和訪問周期t一定時(shí)，cpu以不同的步長訪問表格，就可以得到不同頻率的正弦波。
由于系統(tǒng)的給定是基波與高次諧波的迭加，以基波、3次諧波和5次諧波的迭加為例，迭加后的給定為
其中：a為幅值給定，k3、k5為諧波的百分含量。
根據(jù)上述波形發(fā)生器的產(chǎn)生原理可得，疊加結(jié)果為y(0)、y(m)+y(3m)+y(5m)、y(2m)+y(6m)+y(10m)、y(3m)+y(9m)+y(15m)、……。在設(shè)計(jì)中建立正弦函數(shù)表sintab和基波與諧波迭加表htab，通過查表建立基波與諧波迭加表格。
3.2 “分段+實(shí)時(shí)修正”的全數(shù)字觸發(fā)技術(shù)
數(shù)字式觸發(fā)電路的觸發(fā)脈沖形成一般采取以下方式：控制周期定時(shí)時(shí)間到時(shí)，cpu根據(jù)給定、反饋信號(hào)的采樣值，按照一定的控制算法計(jì)算出觸發(fā)角α，并在同步信號(hào)到來時(shí)刻產(chǎn)生中斷；在中斷服務(wù)程序中，將根據(jù)觸發(fā)角α的當(dāng)前運(yùn)算結(jié)果給某一對(duì)應(yīng)的定時(shí)器中寫入一個(gè)計(jì)數(shù)值，定時(shí)器對(duì)一固定頻率的時(shí)鐘信號(hào)計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)到計(jì)數(shù)值時(shí)，即達(dá)到觸發(fā)角相應(yīng)的電角度時(shí), 定時(shí)器發(fā)出晶閘管的觸發(fā)脈沖。
所謂“分段+實(shí)時(shí)修正”，就是每個(gè)觸發(fā)角а分成幾段來定時(shí)，每次定時(shí)的時(shí)候以最新的a計(jì)算結(jié)果來實(shí)時(shí)修正定時(shí)值。采用每30°定時(shí)一次的分段方法，即每30°實(shí)時(shí)修正一次觸發(fā)角a。利用mcu的timerb模塊，采用下面的方法來實(shí)現(xiàn)“分段+實(shí)時(shí)修正”技術(shù)：
同步信號(hào)的上升沿或下降沿到來時(shí)，定時(shí)器timerb發(fā)生捕獲，將此捕獲值與30°定時(shí)值（對(duì)于50hz工頻來說約為1.67ms）和寫入timerb的一個(gè)寄存器（如ccr1），則當(dāng)定時(shí)器計(jì)數(shù)到ccr1中的值時(shí)，會(huì)發(fā)生定時(shí)中斷而進(jìn)入中斷服務(wù)程序，在中斷服務(wù)程序中：
（1）計(jì)算：觸發(fā)角的最新計(jì)算結(jié)果a與當(dāng)前定時(shí)值t之差s，即：s=α-t；
（2）判斷與處理
時(shí)，立即發(fā)出脈沖；
時(shí)，將ccr1中的值增加30°，即30°以后再發(fā)生中斷進(jìn)行判斷與處理；
時(shí)，以α作為觸發(fā)角寫入寄存器ccr1，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到時(shí)發(fā)出脈沖。
其中
與
是不同處理方式的分界點(diǎn)，其數(shù)值沒有嚴(yán)格要求，可根據(jù)實(shí)際情況加以確定。
這種“分段+實(shí)時(shí)修正”的全數(shù)字化觸發(fā)技術(shù)，能有效地克服一般數(shù)字觸發(fā)控制器的實(shí)時(shí)性不高的問題，提高了控制精度，并且由于數(shù)字觸發(fā)采用軟件實(shí)現(xiàn)，因而觸發(fā)規(guī)律變更方便，只要稍加修改，就可以適用于其他應(yīng)用場合。
4 結(jié)束語
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本鋁電磁鑄軋電源變頻裝置的研究和設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期效果，負(fù)載電流波形比較理想，系統(tǒng)的成功研制有助于鋁電磁鑄軋技術(shù)的推廣應(yīng)用和提高鋁材質(zhì)量的進(jìn)一步研究。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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