基于DSP的火车制动梁中频加热电源研制

摘要：针对目前普遍采用的火焰加热式热处理设备温度控制精度低的缺点，设计了一种适合于制动梁加热的中频电源。该方案以DSP为控制核心，采用模糊PID温度控制策略，增强了系统对负载参数变化和外部干扰的适应性，有效提高了温度控制精度。分析了加热电源的结构和原理，并对控制电路和控制方法进行了设计。通过实验对该系统的性能进行了验证，结果表明，该系统提高了制动梁热处理温度控制精度，能够满足工业生产要求，可用于对现有制动梁热处理系统进行改造。
关键词：中频电源；制动梁；恒温控制

1 引言
    Q460E等级新型微合金化钢满足L-B型组合式制动梁的强度设计要求，在加热时对加热温度的控制精度要求较高，加热温度过高会使梁架中产生魏氏组织，影响梁架的冲击强度。感应加热质量高，表面氧化和脱碳很少，加热效果稳定，加热的时间和温度易于控制，便于实现自动化，非常适用于对制动梁坯料进行加热。
    火车制动梁中频加热电源，以DSP为控制核心，采用以温度环为外环，以电压环、电流环和阻抗环为内环的恒温控制方案，集控制、触发、显示、上位机通信于一体，可实现恒温控制。

2 加热电源的结构
    该加热电源采用如图1所示的中频感应加热主电路及控制电路。

    三相交流电经全控整流桥整流，再经平波电抗器滤波变为一个恒定直流电流源，单相可控逆变将直流电流逆变成一定频率的中频交流电，负载是由补偿电容和感应线圈组成的并联谐振电路。控制电路包括：三相同步信号电路、温度给定电路、整流触发脉冲隔离及功放电路、中频电压反馈电路、中频频率采样电路、逆变触发脉冲隔离及功放电路、模拟量采样电路、键盘输入及模拟量数字显示电路等。同时控制电路中还包括三相过流保护、三相电源断相保护、中频电压过压保护、冷却水的欠压保护及控制板电源欠压等保护电路。一旦系统发生故障，即可进入逆变保护状态，然后可靠地停机。为保护晶闸管安全运行，每个晶闸管还加了阻容吸收电路来减小器件的开关损耗。
2．1 整流触发
    整流触发电路由三相同步、数字触发和末级驱动等电路组成。三相整流的同步信号由共阳极晶闸管的阴极引线从主电路三相进线上取得，并送入DSP的ADC模块，经转换后得到同步电压。在每个数据采样程序里判断电压是否过零(包括由正到负和由负到正电压的过零)，如果过零，则记下该时刻通用定时器的计数值，并在此后的时间里实时地根据触发角α的变化比较定时器计数值，如果相等则发出相应晶闸管触发脉冲信号，实现双窄脉冲触发。DSP输出的窄脉冲经过放大，驱动脉冲变压器输出触发脉冲，通过改变整流控制角来改变整流器输出电压。
2．2 逆变控制
    以全控型器件作为开关的逆变器控制常采用他激转自激的控制策略，即在开机或负载电压低于阈值时采用开环定频控制，工作在他激状态；当输出负载电压大于阈值电压时进行自动切换，这时逆变器工作在闭环状态，跟踪负载频率变化。
    中频电压反馈信号是从中频反馈变压器取得，经过零比较电路得到与中频电压同频率的方波，该方波和输出的PWM控制脉冲一起经过鉴相器鉴相，得到二者的相位差；再经过低通滤波器得到反映该相位差大小的直流电平。该电平经过A／D采样送入DSP中进行PI调节并输出相应频
率的控制脉冲模拟压控振荡器(VCO)的功能。
    在并联逆变电路中开关管必须遵循先导通后关断的原则，因此控制脉冲必须具有一个重叠死区。此处采用在DSP的PWM输出端口接上反相器的方法，将DSP输出的带有死区的PWM脉冲反相，实现带重叠区的PWM脉冲输出信号。

3 保护电路设计
    晶闸管中频电源在运行时会遇到各种非正常情况，对这些情况必须采取一定的保护措施。保护电路主要包括：冷却水压过低，直流电流过流保护，中频电压过高等。为保证故障检测实时性，保护电路采用模拟电路。 [p]
3．1 水压保护电路
    在冷却水回路中安装一个带触点的水压表。水压低于设定值时，压力发出一个闭合触点信号，该信号两端接至控制器水压检测接口。图2示出水压检测电路。当水压过低时，水压信号闭合接地，9013关断，电源通过电阻给电容充电，拉高TRIG和THR引脚的电压。当电压升至2Vcc／3时，定时器输出翻转为“0”，DIS接地，发光二极管亮。

3．2 直流过流检测
    直流过流保护电路如图3所示，电流转换成的电压信号送至555定时器THR引脚。当引脚上电压大于2Vcc／3时，OUT引脚输出“0”，输出保护信号；DIS引脚导通接地，过流指示灯亮。

[p]
3．3 中频过压保护
    中频电压过压保护电路如图4所示，中频电压信号整流后，经电阻分压再送至555定时器THR引脚。当引脚上电压大于2Vcc／3时，OUT引脚输出“0”，输出保护信号；DIS引脚导通接地，中频过压指示灯亮。

4 控制策略及控制流程
    在制动梁生产中，由于存在各种扰动，中频感应加热电源必须具有自动调节能力，才能使系统可靠工作，保证加热质量。系统采用温度控制外环与电压环、电流环以及阻抗3个闭环相结合的恒温控制方式。控制系统结构如图5所示。

    电压和电流调节器组成常规电压、电流双闭环控制。在启动和运行的整个阶段，电流环始终参与工作，电压环只在运行阶段工作。下面主要分析模糊PID温度控制策略。
    温度闭环采用调节电源输出功率的方式来控制加热温度。在中频电源中，中频输出功率PH与工件终点温度T之间关系为：
   
    式中：UH为中频电压；RH为等效电阻。
    由式(1)，式(2)得，由于T>>T0，所以由上式可得，可知，调节UH即可达到调节温度的目的。当测得的坯料温度高于设定范围时，中频电源会自动降低输出功率，反之温度低于设定温度范围时，中频电源会自动升高输出功率，使加热温度始终保持在规定范围内。为克服中频电源加热时，受负载影响较大、参数变化等问题，温度控制闭环采用模糊PID调节方式。模糊控制器以加热时间作为一个输入量，以第n个采样周期中频加热系统的温度偏差e(t)作为另一个输入量，设计3个模糊控制器对PID控制中的3个参数进行在线调整。PID控制器根据整定后的参数、输入温度设定值以及检测得到的温度计数控制输出量。参数自整定模糊控制器的结构如图6所示。 [p]

    控制系统软件主要实现他激转自激启动、温度制动控制、人机接口程序等功能。控制程序流程如图7所示。

    系统上电后，进行初始化、开中断，然后检测有无报警信号，完成与上位机的握手协议，正常后采样输入加热温度设定值，温度设定后按启动按钮，之后系统由他激转自激启动，当启动成功后，系统开始升高输出功率，进入温度自动跟踪阶段，若有扰动则系统自动调节输出功率。

5 实验及结论
    根据上述分析，设计了一套250 kW／1．5 kHz的火车制动梁中频热处理感应加热电源。图8示出实验波形。图8a中ua为α=30°时a相输入电压波形，ugVT为a相下桥臂晶闸管整流触发脉冲波形，图中前一个窄脉冲上升沿基本在正弦波30°，两个窄脉冲上升沿约相差20°。

    当中频电压大于设定值时，外部模拟电路将输出过压保护信号，DSP接到过压保护信号后执行过压保护程序发出高频触发脉冲，通过多次短暂通断，达到逐步释放能量的目的。图8b下侧波形与上侧波形相比，触发脉冲的频率升高。
    实验结果表明，提出的基于DSP的火车制动梁中频感应加热电源，其整流触发、逆变触发以及保护电路都能可靠工作。温度闭环基本可根据温度变化调节输出功率，实现了制动梁加热的恒温控制，可解决制动梁热处理时恒温控制问题，基于该方案研制的控制系统可应用在制动梁生产中。