智能复用型电磁搅拌电源控制系统研究

陈 良，许 煜

(上海宝信软件股份有限公司，上海 201900)

智能复用型电磁搅拌电源控制系统研究

陈 良，许 煜

(上海宝信软件股份有限公司，上海201900)

介绍了智能复用型电磁搅拌电源控制系统设计。通过三相电压之间的矢量关系的分解，得到对于普通的三相逆变电源固定其中两相幅值，仅需改动另一相的幅值即可实现二相正交电源的输出。为此，文章设计了由MCU与专用PWM波发生芯片SA4828构成的电磁搅拌变频电源控制系统，且着重分析了SA4828的程序设计要点。该方案具有电路简单、控制方便和运行可靠等优点。

电磁搅拌；PWM；SA4828

0 引言

电磁搅拌可以加速铸坯内部的液态金属运动,促进铸坯内部的热量交换,使得液态温度分布趋于均匀从而控制液态金属成型与凝固，提高金属性能。因此，电磁搅拌技术在连续铸钢领域得到了广泛的应用。按使用电源相数来分主要有两种：二相电源电磁搅拌器和三相电源电磁搅拌器。二相正交变频电源(相位差90°)以其较强的电磁穿透力，主要应用于需要产生行波磁场的板坯电磁搅拌和炉底搅拌等场合；三相对称变频电源(相位差120°)使用范围相对较广，主要应用于需要产生旋转磁场的方坯和圆坯电磁搅拌等场合[1-2]。

目前，国内外厂家提供的产品，对二相正交变频电源和三相对称变频电源是两套产品，硬件结构不同，软件控制也不同，这样一台电源便被限制了使用场景，备件也不通用还增加了使用成本。因此，设计一种二相/三相复用的智能型电磁搅拌变频电源是一件非常有意义的工作。

1 电磁搅拌变频电源

电磁搅拌变频电源的工作原理如图1所示，在整流部分实现外接三相交流电压经过整流桥模块转换成直流母线电压，输出的直流经储能滤波电容模块后除去了直流电压的尖峰扰动使得母线电压表现得较为平滑。在逆变部分，通过波形控制算法模块输出的逆变驱动波形实现了对功率模块(主要是IGBT或MOS组)的通断控制，进而输出低频交流电压供电磁搅拌装置使用。变频电源的开路控制基本情况如上所述，其没有考虑工况干扰和故障发生，故实际使用时必须有前后级模拟信号检测，把电压、电流、温度、频率等参数反馈到控制单元，构成多级闭环系统使得变频电源能根据工况自主调整。保护的成败完全取决于响应速度，对于冷却水温度，它是一个变化趋势相对较缓慢的过程，主控制器通过简单的阈值判断即可保护；但对于功率模块本身的过流，这是一个变化趋势极快的过程，例如英飞凌的IGBT过流保护时间需要在6 μs内给出，这就需要借助FPGA/CPLD这类器件来快速切断输出脉冲。

图1 电磁搅拌电源系统示意图

目前，二相正交变频电源逆变侧电路主要采用H桥形式，三相对称变频电源逆变侧电路主要以三桥臂轮换对称形式。这样硬件形式的不统一会影响产品的使用范围。所以寻求一种统一的硬件结构，通过程序改变实现二相、三相的复用变得非常有意义。本设计，采用三桥臂轮换对称形式为电磁搅拌变频电源逆变侧电路的基础架构，通过程序设计实现二相正交变频电源输出。

2 波形控制实现

因为三相三桥臂产生的对称电压幅值相等，相位差为120°。从严格理论上分析，以A相为公共相，UAB和UAC等效于正交输出的激励电压ub、uc，采用同步速坐标变换,然后通过Park变换将a-b 静止坐标系变换到d-q旋转坐标系中进行控制矩阵运算[3]。这种电磁搅拌变频电源电流和频率的解耦控制，能够实现频率和电流的双闭环控制，但是对算法和软件编程的要求非常高，同时因为算法的复杂性，需要耗费控制器较多的资源。

图2所示为三相电压之间的矢量关系图。因为最终要实现UAB和UAC的正交输出，所以化矢量计算为标量计算能有效降低计算复杂度[4]。

图2 电压矢量分解图

先做一个限定，即相电压UBN和UCN的幅值相等，仅调整UAN的幅值来实现UAB⊥UAC。

因为输出三相电压角度各差120°，所以:

(1)

因为对称，所以：

(2)

设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求解二元二次方程组。

%声明两个符号变量

>>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

得到四组实数解，去除无意义的三组，最终得到如下解:

UAN=0.365 8

UAB=1.224 6

三相六桥臂逆变电源转两相示意图如图3所示，以A相为公共相，B相和C相为幅值固定相，对应SA4828芯片，即由红、蓝和黄三相合成后生成的AB、AC两相间相位差为90°，用此信号去驱动逆变桥输出就可得到相位差90°的线电压，可变相的幅值为两固定相幅值的0.365 8倍，同时输出幅值提升为固定相幅值的1.22倍，提高了效率。把矢量计算简化为标量计算，且仅需改动其中一相的幅值即可实现电磁搅拌电源的二相正交，这样的设计特别适合MCU和SPWM专用芯片SA4828的嵌入式方案实现。

图3 三相逆变电源转两相示意图

3 SA4828设计

SA4828是Mitel公司专为异步交流电动机、UPS和其他任何要求电源波形精确的电器设备而设计的PWM芯片[5]。其在变频电源的设计中也常被用于跟微处理器MCU配合，工况稳定时可独立于MCU工作，只有当工况变化时，根据反馈需要，MCU才通过计算更新控制参数。

为保证基准时间的稳定，外接20 MHz有源晶振。电磁搅拌电源主要应用在1～7 Hz的低频工作，所以设定频率范围为12 Hz，载波频率为1.22 kHz。为了防止共态导通，设置死区时间为10 μs，为了消除过窄脉冲引起的开关损耗，设置最小删除脉宽为10 μs。SA4828内部存储了三种波形可供选择，本设计选择了高效正弦波。为了增强系统的鲁棒性，本设计增加了看门狗，喂狗时间间隔为100 ms。

如表1所示，SA4828初始化寄存器的具体设置值为R0=0x24；R1=0x39；R2=0x79；R3=0x22；R4=0x07；R5=0xA1。对应的计算过程如下：

系统时钟频率fCLK=20 MHz；

表1 SA4828初始化寄存器

由前述电压矢量图分析，已知根据幅值给定值确定其中两相的值，则第三相的幅值为两相固定值的0.366倍。幅值控制位AC定义了三相PWM的幅值输出， 若AC=1，则红、蓝、黄三相PWM的幅值分别由控制寄存器中的R3、R4和R5独立控制，如表2所示。

控制寄存器是用来控制系统运行过程中的状态，包括转速、软复位控制、看门狗使能、计数器复位、启停控制、正反转控制和幅值大小。SA4828本身可以独立工作产生PWM波，只有当需要改变变频器的输出频率或电压时，才会通知MCU计算出对应频率和电压的数字量，并操作相应的控制寄存器，其余时间均无须干预。这样的方案使MCU可以更多地投入到事务性控制和电源状态的监控，保证电磁搅拌变频电源的可靠性和稳定性。

表2 SA4828控制寄存器

4 结论

通过对三相电压之间的矢量关系的分解，得到对于普通三相逆变电源固定其中两相幅值，仅需改动另一相的幅值即可实现二相正交电源的输出。为此，本文设计了由MCU与专用PWM波发生芯片SA4828构成的电磁搅拌变频电源控制系统，且着重分析了SA4828的程序设计要点。该方案具有电路简单、控制方便和运行可靠等优点。

[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] 张宏丽，贾交霖，王恩刚，等.电磁搅拌改善铸坯内部质量的实验研究[J].东北大学学报，2001，22(3):315-318.

[3] 王晓雷，励庆孚.二相电磁搅拌器逆变恒流电源矢量控制[J].铸造技术，2005，26(11)：1061-1064.

[4] 王宝国，王凤翔.两相电机的线电压控制方式变频调速研究[J].电力电子技术，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

陈良，许煜.智能复用型电磁搅拌电源控制系统研究J.微型机与应用，2017,36(21)：26-28.

2017-04-07)

陈良(1972-)，男，本科，工程师，主要研究方向：机电一体化设备。

许煜(1984-)，男，硕士，工程师，主要研究方向：工业仪器仪表。