利用編程控制系統(tǒng)開(kāi)展多路功率電子元器件老煉控制探究

谷元元，賈兆旭

（陜西恒太電子科技有限公司，陜西西安，710100）

0 引言

多路功率電子元器件老煉控制是現(xiàn)代工業(yè)中一個(gè)重要的控制技術(shù)[1]。它涉及到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制多個(gè)功率電子元器件的狀態(tài)，以達(dá)到穩(wěn)定工作和延長(zhǎng)使用壽命的目的。傳統(tǒng)的老煉控制方法存在控制精度不高、穩(wěn)定性差等問(wèn)題[2～3]。因此，開(kāi)展對(duì)多路功率電子元器件老煉控制的深入研究和改進(jìn)具有重要意義。本文基于現(xiàn)有的老煉控制方法和算法，結(jié)合最新的編程技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種新的編程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)多路功率電子元器件的工作狀態(tài)、電流、溫度等參數(shù)，并根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速精確地控制。與傳統(tǒng)控制方法相比，該系統(tǒng)具有更高的控制精度和穩(wěn)定性，可以提高功率電子元器件的老煉效果，延長(zhǎng)使用壽命。本文將介紹編程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)過(guò)程，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其在多路功率電子元器件老煉控制中的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步完善系統(tǒng)設(shè)計(jì)，擴(kuò)展適用范圍，為工業(yè)生產(chǎn)提供更加可靠、高效的老煉控制技術(shù)。

1 系統(tǒng)總框架設(shè)計(jì)

利用編程控制系統(tǒng)開(kāi)展多路功率電子元器件老煉控制，旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)功率電子元器件的精確控制和協(xié)調(diào)運(yùn)行，以提高系統(tǒng)性能、效率和穩(wěn)定性，系統(tǒng)總框架如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總框架設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)部分需要考慮和選擇適當(dāng)?shù)奈⒖刂破?、FPGA等硬件平臺(tái)，設(shè)計(jì)元器件接口電路，包括控制信號(hào)輸入和反饋信號(hào)采集。設(shè)計(jì)通信模塊實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，設(shè)計(jì)電源電路確保元器件供電穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)電路的過(guò)流保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)。

軟件設(shè)計(jì)部分，則根據(jù)PID 控制算法設(shè)計(jì)控制邏輯，考慮多路之間的協(xié)調(diào)與同步，避免互相干擾。實(shí)時(shí)性與響應(yīng)模塊使用中斷或多線程編程技術(shù)，確?？刂葡到y(tǒng)的實(shí)時(shí)性，設(shè)計(jì)任務(wù)調(diào)度，確保不同任務(wù)按時(shí)執(zhí)行。通信與監(jiān)控模塊實(shí)現(xiàn)與外部系統(tǒng)的通信接口，如串口通信、以太網(wǎng)通信等；設(shè)計(jì)監(jiān)控界面，用于顯示元器件狀態(tài)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和故障信息。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在基于多路功率電子元器件老煉控制的編程控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)部分，采用STM32F7 微控制器，以及Xilinx Artix-7FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列）平臺(tái)，具體情況如圖2 所示。

圖2 電路拓?fù)鋱D

功率電子元器件會(huì)用到IR2153 開(kāi)關(guān)電源控制芯片以及IGBT 逆變器，串口型號(hào)為MAX232，使用ENC28J60以太網(wǎng)，與STM32F7 微控制器連接，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸。ACS712 電流傳感器、ZMPT101B 電壓傳感器以及DS18B20 數(shù)字溫度傳感器用來(lái)傳遞實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)電子元器件老煉控制情況。LM7805 電源穩(wěn)壓芯片用于5V 穩(wěn)壓，16x2 字符LCD 顯示，以及Resistive Touch Screen 觸摸屏用于監(jiān)控設(shè)備的顯示。電源供應(yīng)中，采用Agilent E3631A直流電源，Tektronix TBS1000 系列示波器，外殼需要做到保護(hù)電路免受外界環(huán)境影響，散熱器用于功率較大的逆變器元器件，以防止高溫導(dǎo)致的各種問(wèn)題。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

■3.1 PID 控制與協(xié)調(diào)模塊

在基于多路功率電子元器件老煉控制的編程控制系統(tǒng)中，PID 控制與協(xié)調(diào)模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)功率電子元件的精確控制和協(xié)調(diào)運(yùn)行，以提高系統(tǒng)的性能、效率和穩(wěn)定性，具體的運(yùn)行流程如圖3 所示。

設(shè)置目標(biāo)值和反饋信號(hào)，首先需要確定被控制目標(biāo)值（設(shè)定點(diǎn)），采集傳感器給予的實(shí)際反饋電流、電壓和溫度信號(hào)。之后計(jì)算誤差，以目標(biāo)值與反饋信號(hào)的差為具體的誤差情況，以此推算PID 輸出。PID 輸出主要由比例項(xiàng)（P 項(xiàng)）、積分項(xiàng)（I 項(xiàng)）、微分項(xiàng)（D 項(xiàng)）三部分組成，在計(jì)算比例項(xiàng)P 時(shí)，具體的計(jì)算公式如式(1)所示：

其中，Kp是比例系數(shù)，O 是誤差。積分項(xiàng)I 項(xiàng)的計(jì)算公式如式(2)所示：

其中，Ki是積分增益，代表對(duì)誤差的積分，dt 表示積分的變量是時(shí)間。微分項(xiàng)D 的計(jì)算公式如式(3)所示：

其中，Kd是微分系數(shù)。PID 輸出則由比例項(xiàng)（P 項(xiàng)）、積分項(xiàng)（I 項(xiàng)）、微分項(xiàng)（D 項(xiàng)）的總和構(gòu)成，根據(jù)PID 輸出生成控制信號(hào)，以此控制功率電子元件。如果存在多個(gè)功率電子元件，便需要執(zhí)行協(xié)調(diào)控制策略，確保多路之間的協(xié)調(diào)和同步。系統(tǒng)通過(guò)CAN 通信協(xié)議讓各個(gè)元件相互通信、共享信息，以此來(lái)傳遞狀態(tài)和控制情況，讓各元件可以協(xié)調(diào)操作，確保不會(huì)產(chǎn)生沖突。以便使用實(shí)時(shí)編程技術(shù)，確?？刂颇K的實(shí)時(shí)性和快速響應(yīng)。

■3.2 實(shí)時(shí)性與響應(yīng)模塊

實(shí)時(shí)編程技術(shù)的有效使用是確?？刂颇K實(shí)時(shí)性和快速響應(yīng)的關(guān)鍵，特別是在多路功率電子元器件的老煉控制系統(tǒng)中[4]。在該模塊中首先需要確定系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性需求，包括任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間、任務(wù)優(yōu)先級(jí)、最大允許的延遲等，根據(jù)需求分析，將系統(tǒng)功能劃分為不同的任務(wù)，為每個(gè)任務(wù)分配合適的優(yōu)先級(jí)，具體劃分情況如表1 所示。

表1 任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間和最大允許的延遲

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)中斷服務(wù)程序（ISR）處理緊急事件，如高優(yōu)先級(jí)任務(wù)、硬件故障等，設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí)，確保高優(yōu)先級(jí)中斷能夠快速響應(yīng)。根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)和時(shí)序要求，合理安排任務(wù)的執(zhí)行順序，使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）來(lái)管理任務(wù)調(diào)度[5]。在調(diào)度前編寫(xiě)任務(wù)的代碼，確保代碼邏輯簡(jiǎn)潔、高效，具體如下操作：

（1）將任務(wù)分解為較小的子任務(wù)。

（2）對(duì)每個(gè)子任務(wù)估算所需的執(zhí)行時(shí)間，確保能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成。

（3）避免使用長(zhǎng)時(shí)間的延時(shí)操作，特別是在高優(yōu)先級(jí)任務(wù)中，需使用短延時(shí)或定時(shí)器中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)定時(shí)操作。

（4）避免在任務(wù)中使用無(wú)限循環(huán)，除非在任務(wù)的設(shè)計(jì)中確實(shí)需要。

（5）將耗時(shí)的操作設(shè)計(jì)為異步操作，使任務(wù)在等待操作完成時(shí)繼續(xù)執(zhí)行其他操作。

（6）使用非阻塞的方式執(zhí)行操作，確保任務(wù)在執(zhí)行期間能夠進(jìn)行上下文切換，而不會(huì)被阻塞。

（7）根據(jù)任務(wù)的緊急程度和重要性，為任務(wù)分配合適的優(yōu)先級(jí)，確保高優(yōu)先級(jí)任務(wù)能夠及時(shí)響應(yīng)。

（8）使用硬件定時(shí)器來(lái)觸發(fā)任務(wù)的執(zhí)行，以確保任務(wù)按照預(yù)定的時(shí)間進(jìn)行。

（9）如果任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間超過(guò)了可接受的范圍，將任務(wù)分為多個(gè)步驟，在不同的時(shí)間段內(nèi)執(zhí)行。

使用信號(hào)量同步機(jī)制，確保多個(gè)任務(wù)之間的數(shù)據(jù)共享是安全和有序的[6]。實(shí)時(shí)性監(jiān)測(cè)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間、延遲等參數(shù)，找出性能瓶頸和改進(jìn)空間，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，調(diào)整任務(wù)的執(zhí)行邏輯和調(diào)度策略。

■3.3 通信與監(jiān)控模塊

通信與監(jiān)控模塊在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中起到了關(guān)鍵作用，用于與外部設(shè)備通信、采集數(shù)據(jù)以及監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)。通信接口設(shè)置為串口以及以太網(wǎng)接口，通信接口的硬件參數(shù)配置IP地址，選擇Modbus 通信協(xié)議，根據(jù)通信協(xié)議規(guī)范進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和通信，通過(guò)傳感器采集電流、電壓、溫度等數(shù)據(jù)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)處理，模數(shù)轉(zhuǎn)換公式如式(4)所示：

其中，AnalogValue是模擬信號(hào)值，Vref 是參考電壓，Resolution 是ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）的分辨率。將采集到的數(shù)據(jù)封裝成通信協(xié)議規(guī)定的格式，發(fā)送給外部設(shè)備或主機(jī)；接收來(lái)自外部設(shè)備或主機(jī)的命令或數(shù)據(jù)，進(jìn)行解析并處理。系統(tǒng)要監(jiān)控各個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，根據(jù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，判斷系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，是否存在異常情況。如果系統(tǒng)狀態(tài)異常，觸發(fā)報(bào)警機(jī)制，發(fā)送報(bào)警信息給相關(guān)人員或設(shè)備；反饋系統(tǒng)狀態(tài)信息給外部設(shè)備或主機(jī)，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制。

4 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

■4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為對(duì)比傳統(tǒng)控制方法和新的編程控制系統(tǒng)在電子元器件老煉過(guò)程中的性能差異，實(shí)驗(yàn)以溫度控制為例，挑選某電爐進(jìn)行測(cè)試，DS18B20 數(shù)字溫度傳感器用于測(cè)量爐內(nèi)溫度，串口型號(hào)為MAX232，以太網(wǎng)型號(hào)為ENC28J60，電源穩(wěn)壓芯片選擇LM7805 型號(hào)，電源供應(yīng)采用Agilent E3631A 直流電源，Tektronix TBS1000 系列示波器。分別選擇傳統(tǒng)PID 控制器和自編程控制系統(tǒng)，在相同的工作條件下進(jìn)行一系列試驗(yàn)，記錄系統(tǒng)性能。

■4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄中，穩(wěn)定性評(píng)價(jià)為記錄溫度波動(dòng)情況；控制精度評(píng)價(jià)是指記錄實(shí)際溫度與目標(biāo)溫度之間的偏差；響應(yīng)時(shí)間評(píng)價(jià)是記錄系統(tǒng)對(duì)溫度變化的響應(yīng)時(shí)間，具體數(shù)據(jù)記錄如表2 所示。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

綜合分析表2 中的數(shù)據(jù)，編程控制系統(tǒng)在所有工況下都表現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性、更好的控制精度和更快的響應(yīng)時(shí)間，最快可達(dá)0.8s。傳統(tǒng)PID 控制方法在某些情況下也能夠?qū)崿F(xiàn)較好的性能，但在多數(shù)工況下，編程控制系統(tǒng)的性能更為優(yōu)越，控制精度誤差在0.9℃，準(zhǔn)確率最高為99.1%，系統(tǒng)運(yùn)行順暢，表明編程控制系統(tǒng)對(duì)于多路功率電子元器件老煉控制具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文針對(duì)多路功率電子元器件老煉控制問(wèn)題，利用編程控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入探究，進(jìn)行PID 控制與協(xié)調(diào)，建立系統(tǒng)實(shí)時(shí)性與響應(yīng)模塊以及通信與監(jiān)控模塊。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，新的編程控制系統(tǒng)在控制精度、穩(wěn)定性和靈活性方面均優(yōu)于傳統(tǒng)控制方法。未來(lái)，可以進(jìn)一步完善編程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和算法，以提升系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。同時(shí)，研究中結(jié)合新的技術(shù)和方法，拓展控制系統(tǒng)的適用范圍，可以為多路功率電子元器件老煉控制提供更加可靠、高效的解決方案。