0 　引言

　　隨著新材料市場的需求，各種用于新型合金材料表面處理的新工藝和與之相適應的電源技術也得到了迅猛發(fā)展。這些新工藝往往對電源的輸出波形有特殊要求，且在高壓、大電流的大功率輸出工況下要求電源的主要參數能夠隨著工藝過程的進展大范圍地連續(xù)調節(jié)， 這不僅給電源主電路的設計帶來了相當的難度，同時對電源的控制系統(tǒng)設計也提出了更高的要求。目前多數的大功率特種脈沖電源是由高性能的單片機或DSP（數字信號處理器）構成其控制系統(tǒng)。數字信號處理是將信號以數字方式表示并處理的理論和技術。數字信號處理與模擬信號處理是信號處理的子集。數字信號處理的目的是對真實世界的連續(xù)模擬信號進行測量或濾波。因此在進行數字信號處理之前需要將信號從模擬域轉換到數字域，這通常通過模數轉換器實現。而數字信號處理的輸出經常也要變換到模擬域，這是通過數模轉換器實現的。文章介紹了一種基于新型工業(yè)控制機PCC 的電源控制器設計和實現方法。

　　1 　電源系統(tǒng)組成及主要技術指標

　　合金表面特種加工工藝要求大功率脈沖電源能夠提供大電流、高電壓的雙向不對稱脈沖， 同時電源的主要參數要隨著工藝過程中負載的變化而大范圍地連續(xù)調節(jié)， 這就要求電源能適應工藝曲線的變化給出的控制規(guī)律。電源主要技術參數為：①供電電源：50 Hz ,80 V ②輸出平均電流： 0～240 A 連續(xù)可調③輸出峰值電流：0～1 500A連續(xù)可調；④輸出峰值電壓0～800 V 連續(xù)可調；⑤換向頻率0～200 Hz 連續(xù)可調：⑥脈沖工作頻率：0～5kHz 連續(xù)可調；⑦脈沖占空比：5～95%連續(xù)可調。

　　電源系統(tǒng)硬件組成原理如圖1 所示。圖中，全控整流電路實現調壓、移相調功， 其輸出經濾波電路與PWM逆變電路的直流輸入端相連， 后者輸出電壓平均值隨整流電路的導通角α大小而改變。負載所需的脈沖工作頻率、占空比、脈沖寬度由PWM逆變電路變換，經尖峰抑制電路處理后供給負載。雙向脈沖采用非對稱矩形脈沖輸出波形，且脈沖工作頻率和占空比是連續(xù)可調的，以滿足不同加工工藝的需要。因此只要合理控制逆變電路中功率開關元件的通斷，就可實現對頻率、換向比和占空比等參數的連續(xù)調節(jié)。

　　圖1 　電源主電路及控制系統(tǒng)原理框圖

　　2 　控制系統(tǒng)的硬件設計

　　2.1 　PCC 控制系統(tǒng)簡介

　　PCC可編程計算機控制器是集計算機、通訊和自動控制技術為一體的新型工業(yè)控制裝置，具備極高的可靠性、豐富的編程語言和函數庫，其強大的功能、靈活的結構和豐富的I/ O 模塊配置，能夠勝任大型集散控制系統(tǒng)和復雜的過程控制。PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。PLC及其有關的外圍設備都應該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計?！北卷椖克O計的脈沖電源控制系統(tǒng)采用奧地利B&R公司的PP41（PCC 系列產品），是集人機面板與控制系統(tǒng)于一體的工控裝置。其CPU 是32 位的Motorola M68300 微處理器，運算速度快，并配有RS232/ RS485 接口、CAN 總線接口以及PCMCIA 插槽， 除自身集成10 個24VDC 的開關量輸入和8 個24VDC 的開關量輸出通道外還能選配6 個B&R2003 旋入模塊。用戶RAM 為700Kbyte 的SRAM, 系統(tǒng)PROM 為600 Kbyte 的Flash PROM, 用戶PROM 為114 Mbyte 的Flash PROM, 同時還可根據用戶的需要插入PCMCIA 卡以擴充存儲容量。PP41 具有內部電壓監(jiān)控功能和防止軟件跑飛的看門狗。帶有用戶可自定義的小鍵盤和分辨率為QVGA （320 3 240 像素）的LCD , 且體積小便于安裝。鍵盤和液晶顯示器面板與主機間通過RS485 總線連接，二者既可分離也可集成在一起安裝。PP41 對鍵盤、顯示、控制面板、看門狗等功能的高度集成以及豐富的函數庫省去了單片機開發(fā)中的許多工作量， 大大縮短了開發(fā)周期 ,其工業(yè)級的品質保證了控制器的可靠性。根據控制系統(tǒng)的功能和要求設計的電源控制器如圖2所示。

　　圖2 　電源控制器的組成框圖

　　圖2 中模擬量輸入模塊AI774 有4 路微分輸入， 均為12bit 分辨率的0～20mA 的電流輸出方式， 可直接采集霍爾電壓、電流傳感器的檢測信號。而電壓控制信號的生成則采用雙通道12bit 分辨率的模擬量輸出模塊AO352 , 其0～10V 的電壓輸出方式即可直接連續(xù)調節(jié)三相全控智能整流模塊的電壓輸出。

　　PP41控制器中集成了TPU時間處理器來產生PWM信號，TPU可以在不增加CPU 負擔的情況下實現脈沖計數、PWM 信號生成、頻率測量、步進電機的控制、同步數據通信、脈沖定位等功能。PWM是一種對模擬信號電平進行數字編碼的方法。通過高分辨率計數器的使用，方波的占空比被調制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有（ON），要么完全無（OFF）。電壓或電流源是以一種通（ON）或斷（OFF）的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。B&R 公司開發(fā)了TPU,可以在CPU 熱啟動時通過內部模塊總線將代碼送入CPU與TPU之間的2Kbyte的RAM,之后只有TPU 有權直接訪問此存儲區(qū)并通過LTX函數來控制時間處理器的工作。

　　B&R公司提供了許多具有TPU 功能的輸出模塊，PCC系列中有專用的DO135 模塊可方便的產生PWM 信號，DO135 為4路的數字量輸出模塊，工作頻率可達到100 kHz?？刂葡到y(tǒng)工作在PWM 方式下， 因此應用PCC 軟件庫提供的LTXdpwm函數只需要設置PCC的數據字和控制字即可方便的連續(xù)調節(jié)頻率和占空比。PWM方式的開關由16位計數器來控制，計數達到65535后隨即返回0并重新開始計數，控制PWM 開關的計數值即可調節(jié)占空比。PWM信號由DO135 產生后即可供給功率開關器件的驅動電路。

　　2.2 模糊控制器設計

　　大功率脈沖電源已被廣泛地應用于許多工業(yè)領域中，其控制算法通常采用常規(guī)PID控制， 其算法簡單，魯棒性好， 可靠性高， 適用于負載性質確定且負載變化范圍不大的場合。PID（比例-積分-微分）控制器作為早實用化的控制器已有70多年歷史，現在仍然是應用廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器簡單易懂，使用中不需的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應用為廣泛的控制器。 PID應用范圍廣。雖然很多工業(yè)過程是非線性或時變的，但通過對其簡化可以變成基本線性和動態(tài)特性不隨時間變化的系統(tǒng)。

　　模糊數學的基本思想和理論的控制方法。在傳統(tǒng)的控制領域里，控制系統(tǒng)動態(tài)模式的與否是影響控制優(yōu)劣的主要關鍵，系統(tǒng)動態(tài)的信息越詳細，則越能達到控制的目的。然而，對于復雜的系統(tǒng)，由于變量太多，往往難以正確的描述系統(tǒng)的動態(tài)，于是工程師便利用各種方法來簡化系統(tǒng)動態(tài)，以達成控制的目的，但卻不盡理想。換言之，傳統(tǒng)的控制理論對于明確系統(tǒng)有強而有力的控制能力，但對于過于復雜或難以描述的系統(tǒng)，則顯得無能為力了。因此便嘗試著以模糊數學來處理這些控制問題

　　由于文章涉及到的電源負載是隨著工藝過程的進行， 其性質和大小均有較大范圍的變化， 很難建立其數學模型， 實踐證明采用常規(guī)PID 控制器難以達到理想的控制效果。

　　文章所設計的電源控制器， 其重要的控制功能之一就是在生產過程中當負載電流受工藝影響或當系統(tǒng)受到強干擾時負載電流發(fā)生突變（有時出現尖峰） , 或按工藝要求突加負載和突卸負載時， 能夠通過調節(jié)電壓， 迅速使電流恒定在設定的工藝曲線上。

　　為保證電源輸出電流為設定值， 控制系統(tǒng)采用電流閉環(huán)控制。脈沖電源輸出的電流經霍爾傳感器反饋到微處理器中，霍爾傳感器是根據霍爾效應制作的一種磁場傳感器?；魻栃谴烹娦囊环N，這一現象是霍爾（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金屬的導電機構時發(fā)現的。后來發(fā)現半導體、導電流體等也有這種效應，而半導體的霍爾效應比金屬強得多，利用這現象制成的各種霍爾元件，廣泛地應用于工業(yè)自動化技術、檢測技術及信息處理等方面。模糊控制器根據電流誤差及誤差的變化率按照模糊控制規(guī)則得到控制量Δu , 來控制電源系統(tǒng)的輸出電流。

　　模糊控制系統(tǒng)如圖3 所示。

　　Ii -手動設定電流值； Io -負載端輸出脈沖電流平均值

　　圖3 　模糊控制原理框圖

　　其具體設計如下：

　?。?） 選擇模糊控制器的語言變量。模糊控制器的輸入語言變量選為手動設定電流值Ii與實際負載端輸出脈沖電流平均值Io之間的差e = Io - Ii 及其變化率d e/ d t , 而其輸出語言變量為被控對象的控制量u 。

　　（2） 建立輸入語言變量誤差E、誤差變化EC和輸出語言U的賦值表。

　　設定E、EC和U為下列模糊子集：

　　E = EC = U = ｛ NB NM NS 0 PS PM PB｝

　　其中NB = 負大， NM = 負中， NS = 負小， 0 = 零， PS= 正小， PM = 正中， PB = 正大。根據馬達尼法， 設定E , EC 的論域為[ - 6 , + 6 ] , 并將其量化為13 個等級， U 的論域為[ - 7 , + 7 ] , 量化的等級為15 個，

　　E = EC = ｛ - 6 , - 5 , - 4 , - 3 , - 2 , - 1 ,0 ,1 ,2 ,3 ,4 ,5 ,6｝

　　U = ｛ - 7 , - 6 , - 5 , - 4 , - 3 , - 2 , - 1 ,0 ,1 ,2 ,3 ,4 ,5 ,6 ,7｝

　?。?） 選擇控制規(guī)則

　　用"IF A AND B THEN C"的模糊條件語句來描述，該控制器把實際控制策略歸納為：IF E = NB AND

　　EC= NB THEN U = PB . . . . . . . . . 等條件語句，控制規(guī)則表 。

　?。?） 確定模糊推理算法和模糊判決方法，建立模糊控制器查詢表。

　　采用的模糊推理算法是Mamdani"- "推理法，模糊判決為重心法，為了減少在線計算量，采用離線計算，形成以觀測值和與之對應的控制值為內容的模糊控制表。

　　在電源控制系統(tǒng)中電壓、電流均可以采用模糊控制的算法來增強控制系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性，但生成的是在原先控制量基礎上的變化量Δu , 因此在實際的控制系統(tǒng)中的控制量為原先控制量u 與Δu 之和[5] 。在PCC 控制系統(tǒng)中，我們將離線運算得到的模糊控制表以數組的形式輸入到存儲器中，這樣當運行模糊控制子程序時，模糊推理和判決的工作量就會相對減少。模糊控制程序如圖4 所示。

　　圖4 　模糊控制程序流程圖

　　在實際電源系統(tǒng)中不允許發(fā)生大電流的階躍和沖擊。所以在實驗過程中設定平均電流為150 A ,對其施加幅值為30 A 的階躍試驗，并用上位機監(jiān)控軟件完成數據采集及顯示，圖中步長為20 ms。

　　實驗結果符合設計思想， 響應曲線超調小，上升時間短，動態(tài)性能好，電源控制系統(tǒng)采用模糊控制算法取得了良好的控制效果。

　　上升時間tr =480s ;超調量δ% =419%

　　圖5 　PCC電源系統(tǒng)階躍響應示意圖

　　3 　結束語

　　以PCC作為大功率特種脈沖電源系統(tǒng)的控制器，控制器硬件選用B&R 公司PCC 系列的PP41,其主要優(yōu)點是硬件模塊化和抗干擾能力強。采用語言ANSIC作為PCC 的軟件編程語言，開發(fā)的程序簡潔易讀，可移植性強，修改方便，有與其硬件類似的模塊化結構的特點。模糊控制算法的引進，不僅保證了電源可工作于恒壓、恒流兩種工作方式下，且使得電源控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性和動態(tài)品質有了明顯的提高。