0 概述

過去的10年中，我國鋁材尤其是鋁型材發展迅速，在航天、汽車、建筑、電子和包裝等工程領域得到廣泛應用，表面處理工藝的要求也隨之提高，由傳統陽極氧化等電源發展到現在的脈沖電源，但在實際應用中仍存在一定的缺陷，例如電源工藝單一、表面處理不均勻、著色顏色不理想、損耗大等，高品質表面處理電源的需求日益明顯。

以晶閘管為核心的相控技術以其成熟性和高可靠性在金屬表面處理行業處于不可替代的地位。再配以高精度快速控制系統，就可以形成一種工藝多樣性、復雜性、高效節能的整流電源，從而提高鋁型材硬質膜的品質。

本文提出一種基于FPGA+PowePC的雙脈沖電源系統，應用于以晶閘管為功率器件的整流電源中，該控制系統精度高，速度快、自動化接口豐富等優勢，滿足鋁型材“外包裝”過程中各種不同類型的電流或電壓波形，包括脈沖波、鋸齒波、連續直流波、直流疊加波、斷續直流波、正反向脈沖波、周期換向波、12脈波等，同時豐富的接口滿足自動化生產線的需求。

1 雙脈沖電源系統控制策略

雙脈沖電源主回路原理如圖1所示，變壓器次級為六相半波雙反星型，晶閘管拓撲結構采用雙橋反并方式，在控制系統的作用下，進行柔性輸出。

圖1 雙脈沖電源主回路

目前，數字集成電路制造技術發展迅速，技術更新換代的愈來愈快。集成度愈來愈高，功能愈來愈復雜。現場可編程邏輯陳列控制器（FPGA）和以PowePC系列CPU為代表的高性能精簡指令架構（RISC）處理器日趨完善，性價比高，這兩種器件都具有體系結構清晰、邏輯單元靈活、集成度高、適用范圍廣、功耗低、開發工具先進、性能穩定等特點，在航天、軍事、工業控制領域得到廣泛應用。

根據系統的需求，充分利用FPGA和PowePC各自優勢，配合完成調節和自動化接口功能。FPGA時序控制和并行處理能力突出，用于完成DSP算法、時序邏輯處理、頻率測量、同步檢測、同步采樣、FFT、脈沖形成、通道冗余接口等；PowePC處理數據吞吐能力優異，用于完成PID運算、邏輯保護、CAN、RS232、以太網通訊等。控制系統的架構如圖2所示。

圖2 控制系統架構

1）數字量輸入隔離單元對外部輸入信號進行處理，提高系統的抗干擾能力。

2）數字量輸出隔離單元將內部電平轉換成繼電器干接點輸出；

3）信號調理:將外部輸入信號轉換成-12V~+12V信號，并生成相應的方波信號、同步脈沖信號等，將DA輸出轉換成0~5V。

4）自動化接口即通訊接口，提供CAN接口、RS232接口、以太網接口，全部采用光隔離方式，降低系統通訊誤碼率，保證自動化生產穩定、可靠。

2.1 數據交換

PowerPC系統時鐘刷新周期小于1ms，FPGA和PowerPC之間采用LOCAL BUS總線，完成一次所有數據信息交換時間小于1ms，保證兩者數據的實時性和準確性。

2.2 AD和DA

傳統AD和DA采用保持器和多路開關，缺點速度慢、精度低、功耗大。本文AD和DA采用多路16位芯片，與FPGA之間采用并行讀取方式。其中AD采樣與脈沖形成單元結合，控制AD采樣的起點和終點，保證了精度和速度，降低了功耗，大大提升系統性能。以工頻50HZ為例，一個脈沖周期是3.3ms，該系統可以在3.3ms時間內完成大于1000個采樣點，DSP核運算，FPGA和CPU數據交換，一次PID運算。

2.3 脈沖形成和工作方式

脈沖形成采用三路同步信號，在同步信號任意一相斷線，系統都可以自動恢復同步信號，保證系統繼續運行。脈沖產生使用實時控制信號，每一路脈沖都使用當前脈沖作為移相依據，一次產生正向6路脈沖，反向6路脈沖。再配合不同的切換方式和時間，就可以產生多種工作方式，符合鋁型材“外包裝”復雜工藝要求。

2.4 頻率補償

由于同步處理使用了RC移相電路，在頻率不同時，移相角不同，為保證10HZ~100HZ頻率系統運行穩定可靠，需要對RC移相電路進行補償。本系統由FPGA直接對同步信號進行補償，保證RC移相電路前后的同步信號相位一致。

2.5 看門狗監測

采用一款具有看門狗功能的電源管理芯片，提供2秒鐘打狗信號，該打狗信號由CPU完成，但是操作系統需要一個過程，系統初始上電由FPGA來進行打狗，50秒后將打狗權交給CPU，當CPU出現死機異常，系統會自動復位，并且閉鎖脈沖，保護系統安全運行。

本文系統具有對等冗余模塊，使用冗余技術實現雙通道熱備。對等冗余模塊互連，就可以實現運行和備用狀態的自動切換，不需要第三方單元參與，簡化了系統。備用通道實時跟蹤運行通道，當運行通道發生故障強行退出時，備用通道自動切換到運行通道，實現幾乎無擾動切換。

3 軟件設計

控制系統搭建好僅提供裸機運行平臺，需要嵌入式實時軟件的支持，方可充分調動硬件資源。本文采用RT－Linux嵌入式硬實時操作系統，該系統成功地應用于航天飛機的空間數據采集、科學儀器測控和電影特技圖像處理等廣泛領域。

FPGA程序流程如圖3所示，PowerPC程序流程如圖4所示，為實現快速調節，采用周期PID運算，在實際應用中，FPGA完成12路脈沖輸出，再根據鋁型材表面處理工藝需求，完成各個工作方式；PowerPC控制系統的實時運行，在運行調節中對工作方式進行靈活組態，可輸出各種特色的波形。

圖3 FPGA流程圖

圖4 CPU流程圖

4 實際應用

以工頻電50HZ為供電，以晶閘管導通周期為控制周期，即3.3ms。設計換向周期、工作時間、正向脈沖數和反向脈沖數等參數靈活可變，方便用戶使用，輸出以下典型波形：

連續直流輸出

直流疊加輸出，其中基值脈沖6個 峰值脈沖2個

周期換向輸出，其中正向脈沖12個，反向脈沖1個

周期換向輸出，其中正向脈沖12個，反向脈沖數6個

簡單介紹了我國鋁型材表面處理的生產發展和工藝進步，深入分析了我國表面處理電源的技術特點，總結了表面處理工藝的技術問題，再從環境保護、節約能源、降低消耗和提高表面處理膜品質等可持續發展的新高度，對鋁型材表面處理工藝的多樣性、復雜性和產品質量的深入思考，進而提出了一種基于FPGA+PowePC雙脈沖電源系統，用于建筑鋁型材、工業鋁板、炊具制品等行業鋁合金的表面氧化、著色、電泳工藝及生產線控制和數據記錄，使鋁型材“外包裝”處理電源具有低碳、高效、節能等優勢，并且提供豐富的生產線自動化接口。通過可編程和嵌入式器件的協同設計，輔助于合理的主回路拓撲結構，實現基于FPGA+PowerPC的雙脈沖電源系統（雙脈沖：正向6路脈沖，反向6路脈沖），該系統將可控硅相控技術發揮極致，大大提升了鋁型材表面處理膜的品質，達到了低碳、高效、節能的目的，豐富的自動化接口適合各種生產線流程，符合現代鋁型材“外包裝”技術的發展方向。