0 　引言

　　隨著新材料市場(chǎng)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(yīng)的電源技術(shù)也得到了迅猛發(fā)展。這些新工藝往往對(duì)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(shù)能夠隨著工藝過(guò)程的進(jìn)展大范圍地連續(xù)調(diào)節(jié)， 這不僅給電源主電路的設(shè)計(jì)帶來(lái)了相當(dāng)?shù)碾y度，同時(shí)對(duì)電源的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)也提出了更高的要求。目前多數(shù)的大功率特種脈沖電源是由高性能的單片機(jī)或DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）構(gòu)成其控制系統(tǒng)。數(shù)字信號(hào)處理是將信號(hào)以數(shù)字方式表示并處理的理論和技術(shù)。數(shù)字信號(hào)處理與模擬信號(hào)處理是信號(hào)處理的子集。數(shù)字信號(hào)處理的目的是對(duì)真實(shí)世界的連續(xù)模擬信號(hào)進(jìn)行測(cè)量或?yàn)V波。因此在進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理之前需要將信號(hào)從模擬域轉(zhuǎn)換到數(shù)字域，這通常通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。而數(shù)字信號(hào)處理的輸出經(jīng)常也要變換到模擬域，這是通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)的。文章介紹了一種基于新型工業(yè)控制機(jī)PCC 的電源控制器設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。

　　1 　電源系統(tǒng)組成及主要技術(shù)指標(biāo)

　　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(duì)稱脈沖， 同時(shí)電源的主要參數(shù)要隨著工藝過(guò)程中負(fù)載的變化而大范圍地連續(xù)調(diào)節(jié)， 這就要求電源能適應(yīng)工藝曲線的變化給出的控制規(guī)律。電源主要技術(shù)參數(shù)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(diào)③輸出峰值電流：0～1 500A連續(xù)可調(diào)；④輸出峰值電壓0～800 V 連續(xù)可調(diào)；⑤換向頻率0～200 Hz 連續(xù)可調(diào)：⑥脈沖工作頻率：0～5kHz 連續(xù)可調(diào)；⑦脈沖占空比：5～95%連續(xù)可調(diào)。

　　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(shí)現(xiàn)調(diào)壓、移相調(diào)功， 其輸出經(jīng)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(dǎo)通角α大小而改變。負(fù)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(jīng)尖峰抑制電路處理后供給負(fù)載。雙向脈沖采用非對(duì)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(diào)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(kāi)關(guān)元件的通斷，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率、換向比和占空比等參數(shù)的連續(xù)調(diào)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(shè)計(jì)

　　2.1 　PCC 控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

　　PCC可編程計(jì)算機(jī)控制器是集計(jì)算機(jī)、通訊和自動(dòng)控制技術(shù)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(yǔ)言和函數(shù)庫(kù)，其強(qiáng)大的功能、靈活的結(jié)構(gòu)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(fù)雜的過(guò)程控制。PLC是一種專門(mén)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)?！北卷?xiàng)目所設(shè)計(jì)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(chǎn)品），是集人機(jī)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(yùn)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(gè)24VDC 的開(kāi)關(guān)量輸入和8 個(gè)24VDC 的開(kāi)關(guān)量輸出通道外還能選配6 個(gè)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(shí)還可根據(jù)用戶的需要插入PCMCIA 卡以擴(kuò)充存儲(chǔ)容量。PP41 具有內(nèi)部電壓監(jiān)控功能和防止軟件跑飛的看門(mén)狗。帶有用戶可自定義的小鍵盤(pán)和分辨率為QVGA （320 3 240 像素）的LCD , 且體積小便于安裝。鍵盤(pán)和液晶顯示器面板與主機(jī)間通過(guò)RS485 總線連接，二者既可分離也可集成在一起安裝。PP41 對(duì)鍵盤(pán)、顯示、控制面板、看門(mén)狗等功能的高度集成以及豐富的函數(shù)庫(kù)省去了單片機(jī)開(kāi)發(fā)中的許多工作量， 大大縮短了開(kāi)發(fā)周期 ,其工業(yè)級(jí)的品質(zhì)保證了控制器的可靠性。根據(jù)控制系統(tǒng)的功能和要求設(shè)計(jì)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(cè)信號(hào)。而電壓控制信號(hào)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(diào)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(shí)間處理器來(lái)產(chǎn)生PWM信號(hào)，TPU可以在不增加CPU 負(fù)擔(dān)的情況下實(shí)現(xiàn)脈沖計(jì)數(shù)、PWM 信號(hào)生成、頻率測(cè)量、步進(jìn)電機(jī)的控制、同步數(shù)據(jù)通信、脈沖定位等功能。PWM是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過(guò)高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來(lái)對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有（ON），要么完全無(wú)（OFF）。電壓或電流源是以一種通（ON）或斷（OFF）的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開(kāi)的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。B&R 公司開(kāi)發(fā)了TPU,可以在CPU 熱啟動(dòng)時(shí)通過(guò)內(nèi)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(quán)直接訪問(wèn)此存儲(chǔ)區(qū)并通過(guò)LTX函數(shù)來(lái)控制時(shí)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(chǎn)生PWM 信號(hào)，DO135 為4路的數(shù)字量輸出模塊，工作頻率可達(dá)到100 kHz?？刂葡到y(tǒng)工作在PWM 方式下， 因此應(yīng)用PCC 軟件庫(kù)提供的LTXdpwm函數(shù)只需要設(shè)置PCC的數(shù)據(jù)字和控制字即可方便的連續(xù)調(diào)節(jié)頻率和占空比。PWM方式的開(kāi)關(guān)由16位計(jì)數(shù)器來(lái)控制，計(jì)數(shù)達(dá)到65535后隨即返回0并重新開(kāi)始計(jì)數(shù)，控制PWM 開(kāi)關(guān)的計(jì)數(shù)值即可調(diào)節(jié)占空比。PWM信號(hào)由DO135 產(chǎn)生后即可供給功率開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)電路。

　　2.2 模糊控制器設(shè)計(jì)

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

　　模糊數(shù)學(xué)的基本思想和理論的控制方法。在傳統(tǒng)的控制領(lǐng)域里，控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模式的與否是影響控制優(yōu)劣的主要關(guān)鍵，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的信息越詳細(xì)，則越能達(dá)到控制的目的。然而，對(duì)于復(fù)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(dòng)態(tài)，于是工程師便利用各種方法來(lái)簡(jiǎn)化系統(tǒng)動(dòng)態(tài)，以達(dá)成控制的目的，但卻不盡理想。換言之，傳統(tǒng)的控制理論對(duì)于明確系統(tǒng)有強(qiáng)而有力的控制能力，但對(duì)于過(guò)于復(fù)雜或難以描述的系統(tǒng)，則顯得無(wú)能為力了。因此便嘗試著以模糊數(shù)學(xué)來(lái)處理這些控制問(wèn)題

　　由于文章涉及到的電源負(fù)載是隨著工藝過(guò)程的進(jìn)行， 其性質(zhì)和大小均有較大范圍的變化， 很難建立其數(shù)學(xué)模型， 實(shí)踐證明采用常規(guī)PID 控制器難以達(dá)到理想的控制效果。

　　文章所設(shè)計(jì)的電源控制器， 其重要的控制功能之一就是在生產(chǎn)過(guò)程中當(dāng)負(fù)載電流受工藝影響或當(dāng)系統(tǒng)受到強(qiáng)干擾時(shí)負(fù)載電流發(fā)生突變（有時(shí)出現(xiàn)尖峰） , 或按工藝要求突加負(fù)載和突卸負(fù)載時(shí)， 能夠通過(guò)調(diào)節(jié)電壓， 迅速使電流恒定在設(shè)定的工藝曲線上。

　　為保證電源輸出電流為設(shè)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(jīng)霍爾傳感器反饋到微處理器中，霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場(chǎng)傳感器?；魻栃?yīng)是磁電效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是霍爾（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。后來(lái)發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體、導(dǎo)電流體等也有這種效應(yīng)，而半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)比金屬?gòu)?qiáng)得多，利用這現(xiàn)象制成的各種霍爾元件，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)及信息處理等方面。模糊控制器根據(jù)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(lái)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(dòng)設(shè)定電流值； Io -負(fù)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(shè)計(jì)如下：

　?。?） 選擇模糊控制器的語(yǔ)言變量。模糊控制器的輸入語(yǔ)言變量選為手動(dòng)設(shè)定電流值Ii與實(shí)際負(fù)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(yǔ)言變量為被控對(duì)象的控制量u 。

　?。?） 建立輸入語(yǔ)言變量誤差E、誤差變化EC和輸出語(yǔ)言U的賦值表。

　　設(shè)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(fù)大， NM = 負(fù)中， NS = 負(fù)小， 0 = 零， PS= 正小， PM = 正中， PB = 正大。根據(jù)馬達(dá)尼法， 設(shè)定E , EC 的論域?yàn)閇 - 6 , + 6 ] , 并將其量化為13 個(gè)等級(jí)， U 的論域?yàn)閇 - 7 , + 7 ] , 量化的等級(jí)為15 個(gè)，

　　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(yǔ)句來(lái)描述，該控制器把實(shí)際控制策略歸納為：IF E = NB AND

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

　　（4） 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(jì)算量，采用離線計(jì)算，形成以觀測(cè)值和與之對(duì)應(yīng)的控制值為內(nèi)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(lái)增強(qiáng)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，但生成的是在原先控制量基礎(chǔ)上的變化量Δu , 因此在實(shí)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(yùn)算得到的模糊控制表以數(shù)組的形式輸入到存儲(chǔ)器中，這樣當(dāng)運(yùn)行模糊控制子程序時(shí)，模糊推理和判決的工作量就會(huì)相對(duì)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(shí)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(shí)驗(yàn)過(guò)程中設(shè)定平均電流為150 A ,對(duì)其施加幅值為30 A 的階躍試驗(yàn)，并用上位機(jī)監(jiān)控軟件完成數(shù)據(jù)采集及顯示，圖中步長(zhǎng)為20 ms。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)思想， 響應(yīng)曲線超調(diào)小，上升時(shí)間短，動(dòng)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(shí)間tr =480s ;超調(diào)量δ% =419%

　　圖5 　PCC電源系統(tǒng)階躍響應(yīng)示意圖

　　3 　結(jié)束語(yǔ)

　　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(diǎn)是硬件模塊化和抗干擾能力強(qiáng)。采用語(yǔ)言ANSIC作為PCC 的軟件編程語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)的程序簡(jiǎn)潔易讀，可移植性強(qiáng)，修改方便，有與其硬件類似的模塊化結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。模糊控制算法的引進(jìn)，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(dòng)態(tài)品質(zhì)有了明顯的提高。