基于FPGA 實(shí)現(xiàn)的一種電加熱浸漆控制方法

翁彬 李潔 顧偉光 上海三菱電梯有限公司（201245）

翁彬（1979年～），男，碩士，工程師，主要從事電梯印板及FPGA/CPLD的設(shè)計(jì)開發(fā)工作。

0 前 言

傳統(tǒng)的浸漆方法多數(shù)采用整體沉浸加烘箱固化方式，設(shè)備投入大，占用空間大，能源消耗大，工藝時(shí)間長，且無法形成流水線操作，已經(jīng)成為眾多電機(jī)制造企業(yè)的一項(xiàng)技術(shù)瓶頸。

作為一項(xiàng)新興的浸漆方法——電加熱/紫外光固化浸漆（以下簡稱為“電加熱浸漆”）技術(shù)，采用了“電加熱浸漬+紫外光固化”相結(jié)合的技術(shù)，能夠大幅度降低能耗，縮短生產(chǎn)周期，大幅節(jié)約浸漬用漆，能有效地解決傳統(tǒng)浸漆方法存在的諸多問題。

在電加熱浸漆技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需要一套能精確控制線圈溫度的直接通電加熱裝置，而該電加熱控制裝置的核心技術(shù)目前僅由國外少數(shù)幾家專業(yè)廠商掌握，其提供給國內(nèi)電機(jī)制造企業(yè)的設(shè)備價(jià)格非常昂貴。考慮到電加熱浸漆方法無法沿用現(xiàn)有的加熱烘箱等設(shè)備，需額外增加大量的初期投資來購買新的電加熱設(shè)備，因此國內(nèi)眾多電機(jī)制造企業(yè)往往不愿放棄現(xiàn)有傳統(tǒng)的浸漆方法，導(dǎo)致該項(xiàng)新興技術(shù)雖然在國外已經(jīng)被普遍使用，而在國內(nèi)卻仍然處于剛剛起步的階段。

1 電加熱浸漆的概述

1.1 電加熱浸漆技術(shù)介紹

傳統(tǒng)浸漆方式，定子線圈升溫過程是通過烘箱加熱來完成的，升溫方式由外而內(nèi)。而電加熱浸漆技術(shù)是直接給電機(jī)線圈通電加熱實(shí)現(xiàn)線圈升溫，升溫方式由內(nèi)而外，使最需要加熱升溫的線圈內(nèi)部迅速升溫，使線圈內(nèi)部空隙中的絕緣漆快速達(dá)到凝膠溫度，減少流失，提高浸漆質(zhì)量。同時(shí)，紫外光固化可以實(shí)現(xiàn)快速固化工件表面，使表面光滑，在工件表面形成外殼阻止樹脂流失，進(jìn)一步提高浸漬質(zhì)量。

相比傳統(tǒng)的烘箱加熱浸漆方式，電加熱浸漆技術(shù)具有以下特點(diǎn)：

(1)縮短加熱時(shí)間，降低能耗，提高生產(chǎn)效率；

對于中小型電機(jī)定子線圈整體電加熱浸漆，約60min可完成全部浸漆工序。而與之對比，目前真空浸漆方式完成整個(gè)工序約6～7h，其中烘箱加熱固化時(shí)間約 4～5h。與真空浸漆相比，電加熱浸漆方法的加熱升溫速度不受烘箱設(shè)備限制，更易實(shí)現(xiàn)流水線操作、規(guī)模化生產(chǎn)。

(2)提高浸漆質(zhì)量，節(jié)約原材料，更加環(huán)保；

電加熱浸漆技術(shù)能精確控制用漆量及浸漬質(zhì)量，通過直接給電機(jī)線圈通電加熱，使絕緣漆快速達(dá)到凝膠溫度，減少了絕緣漆的流失和揮發(fā)，在提高浸漆質(zhì)量的同時(shí)節(jié)約原材料，也更加環(huán)保。

表1對電加熱浸漆技術(shù)與傳統(tǒng)浸漆技術(shù)進(jìn)行了對比。

表1 電加熱浸漆技術(shù)與傳統(tǒng)浸漆技術(shù)對比

1.2 電加熱浸漆工藝

傳統(tǒng)的浸漆工藝整個(gè)工序分為如下幾個(gè)階段：浸漆、滴漆、加熱升溫、高溫固化、冷卻。其中浸漆和滴漆階段線圈處于常溫，加熱升溫和高溫固化階段線圈則是通過放入烘箱實(shí)現(xiàn)的。

電加熱浸漆工藝的整個(gè)工序分為如下幾個(gè)階段：預(yù)熱、浸漆、滴漆、電加熱固化、紫外固化。上述5個(gè)階段線圈均處于通電加熱狀態(tài)。

以任意一款中小型電機(jī)的定子線圈為例，采用傳統(tǒng)浸漆工藝如圖1所示，采用電加熱浸漆工藝如圖2所示。從中可以看出，一個(gè)定子線圈完整的浸漆過程，若采用典型的傳統(tǒng)浸漆工藝，至少需要5h，且大部分時(shí)間烘箱都處于工作狀態(tài)，而采用電加熱浸漆工藝，1h內(nèi)即可完成全部浸漆工藝，且無需烘箱設(shè)備，大大提高了生產(chǎn)效率，降低了設(shè)備能耗。

圖1 傳統(tǒng)浸漆工藝

圖2 電加熱浸漆工藝

2 電加熱浸漆的實(shí)現(xiàn)方法

雖然電加熱浸漆技術(shù)具有非常顯著的優(yōu)點(diǎn)，并且在國外也已經(jīng)有成熟的應(yīng)用，但是目前在國內(nèi)其仍為一項(xiàng)新興技術(shù)，尚未普及應(yīng)用。主要的原因是，與傳統(tǒng)的浸漆方式相比，電加熱浸漆具有以下缺點(diǎn)：

(1)需要專門的電加熱控制設(shè)備

據(jù)了解，目前全世界能為用戶度身定做電加熱設(shè)備及掌握核心技術(shù)的只有德國一家公司，其設(shè)備報(bào)價(jià)昂貴，維護(hù)成本很高。

(2)需要具有更加良好的熱固化特性的絕緣漆

經(jīng)某浸漬漆供應(yīng)商推薦，電加熱浸漆技術(shù)所采用的絕緣漆型號(hào)具有更加良好的熱固化特性，同時(shí)也是一款環(huán)保漆，無異味、揮發(fā)少，漆能反復(fù)利用，但該漆價(jià)格較為昂貴，約為同品牌傳統(tǒng)浸漆工藝用漆型號(hào)價(jià)格的2倍?？紤]到采用電加熱浸漆技術(shù)，分?jǐn)偟絾挝涣慵慕n漆用量大幅減少，因此總體的浸漬漆成本還是降低的。

因此，實(shí)現(xiàn)電加熱浸漆控制是國內(nèi)推廣電加熱浸漆技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵，這里詳細(xì)說明一種可實(shí)現(xiàn)的利用FPGA（Field Programmable Gate Array，即現(xiàn)場可編程門陣列）控制電加熱浸漆的方法。

2.1 電加熱控制技術(shù)原理

電加熱浸漆技術(shù)的基本原理是通過給電機(jī)線圈通電加熱實(shí)現(xiàn)線圈升溫，并使通電線圈的溫度在浸漆的各個(gè)階段按照經(jīng)驗(yàn)溫度曲線進(jìn)行變化。因此電加熱浸漆技術(shù)的真正核心就是如何實(shí)現(xiàn)線圈溫度快速精確的控制。要實(shí)現(xiàn)對線圈溫度進(jìn)行快速、精確的控制，可以采用溫度閉環(huán)反饋控制。

溫度閉環(huán)反饋控制的兩個(gè)重要的要素為：

(1)溫度的輸出控制；

(2)溫度的反饋。

溫度的輸出控制方法為：通過改變線圈兩端加載電壓的大小來改變線圈通電電流，進(jìn)而改變線圈瞬時(shí)發(fā)熱功耗的大小來控制線圈溫度的變化。

溫度反饋即為實(shí)現(xiàn)對線圈溫度的實(shí)時(shí)測量。在電加熱浸漆的實(shí)際應(yīng)用工況中，在線圈內(nèi)埋入熱電偶，或者紅外測溫等傳統(tǒng)的溫度測量方法都不適合。在電加熱浸漆過程中，由于全過程都可以方便的在線圈兩端加載電壓進(jìn)行通電，因此可以采用電壓電流法測量出電阻，通過電阻的變化測量出溫度的變化。

根據(jù)物理學(xué)原理，金屬線圈的電阻與溫度具有如下關(guān)系：

t—試驗(yàn)過程中的線圈溫度，℃

R0—試驗(yàn)起始時(shí)（溫度為 t0）的線圈電阻值，Ω

R—試驗(yàn)過程中（溫度為 t）的線圈電阻值，Ω

k—導(dǎo)體材料在0℃時(shí)電阻溫度系數(shù)的倒數(shù)，對于銅導(dǎo)線， k = 2 34.5。

變換式1，試驗(yàn)過程中的線圈溫度計(jì)算式為：

2.2 電加熱浸漆的硬件平臺(tái)

根據(jù)電加熱浸漆的技術(shù)分析，圖3為一種簡單可行的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。通過控制系統(tǒng)對PWM的開關(guān)控制來實(shí)現(xiàn)A點(diǎn)電壓的控制，從而控制流經(jīng)Rt的電流，電流值的大小又能控制線圈的溫度變化。而線圈溫度的變化會(huì)引起線圈電阻Rt的變化，通過電壓電流的反饋測量，可以計(jì)算出當(dāng)前的Rt，通過式2可以推算出當(dāng)前的溫度。根據(jù)設(shè)定溫度與反饋量計(jì)算出的當(dāng)前溫度可以得出PWM的控制輸出。從而實(shí)現(xiàn)線圈電加熱浸漆過程的溫度閉環(huán)控制。

控制路徑為：電壓——電流——溫度；

信號(hào)回饋路徑為：電壓、電流——電阻——溫度。

圖3 線圈電加熱浸漆控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

圖3 說明：

(1)線圈Coil等效為電阻Rt與電感Lt的串聯(lián)；

(2)FB1反饋點(diǎn)測量電壓值，從而測出A處的電壓，即線圈Coil上電壓值U；

(3)FB2反饋點(diǎn)測量電流值，即通過DCCT測出流經(jīng)線圈Coil的電流值I；

(4)根據(jù)一次電加熱操作的線圈大小及串接數(shù)量來選擇適當(dāng)?shù)哪妇€電壓值DCP及相應(yīng)的母線電容C1。

圖4為本次線圈電加熱浸漆控制系統(tǒng)的控制模塊。FB1反饋點(diǎn)電壓值模擬量信號(hào)和FB2反饋點(diǎn)線圈電流值模擬量信號(hào)均經(jīng)過調(diào)理電路和AD模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)化為數(shù)字量電壓信號(hào)送至核心控制芯片F(xiàn)PGA。FPGA根據(jù)這兩個(gè)反饋值再計(jì)算出溫度反饋量，實(shí)施溫度閉環(huán)控制處理運(yùn)算，而后輸出PWM信號(hào)來調(diào)整線圈的給定電壓，從而完成對電加熱線圈的溫度閉環(huán)控制。

圖4 線圈電加熱浸漆控制模塊

在閉環(huán)控制應(yīng)用中，目前業(yè)界常用的控制芯片為DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）或者M(jìn)CU（微控制器），而在方案中，選用FPGA作為核心控制芯片是基于FPGA具有以下幾方面的優(yōu)勢：

FPGA高速的運(yùn)算處理能力可以帶來更高的控制實(shí)時(shí)性。利用硬件并行的優(yōu)勢，F(xiàn)PGA打破了順序執(zhí)行的模式，在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成更多的處理任務(wù)；

FPGA提供了更靈活的原型開發(fā)能力。由于電加熱浸漆控制算法在國內(nèi)尚無借鑒之處，因此控制模型及算法等都需要在不斷的實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。FPGA的靈活可重配置可以節(jié)省硬件平臺(tái)重開發(fā)的時(shí)間。

FPGA真正的并行處理能力可以非常容易的實(shí)現(xiàn)多個(gè)電加熱浸漆過程的獨(dú)立控制，具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性。

2.3 FPGA實(shí)現(xiàn)的控制方法

利用FPGA實(shí)現(xiàn)的電加熱浸漆溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)，其閉環(huán)控制流程如圖5所示，圖中說明如下：

(1)為溫度設(shè)定曲線生成模塊，根據(jù)時(shí)間基軸產(chǎn)生電加熱所需的設(shè)定溫度值Ts。

(2)為電阻值到溫度值的演算模塊，根據(jù)式2推算出的變形公式。

通過式3，可以將所有的參數(shù)都轉(zhuǎn)化為整數(shù)，并且參數(shù)m和n設(shè)定為2的整數(shù)次方，利用該式進(jìn)行電阻值與電流值之間的演算是為了適應(yīng)FPGA執(zhí)行整數(shù)數(shù)學(xué)運(yùn)算的特性，以避免浮點(diǎn)運(yùn)算占用更多的FPGA內(nèi)部邏輯資源。

(3)為電壓電流值到電阻值的演算。由于浸漆線圈的電阻值通常都比較小，單個(gè)阻值都在1Ω以下，因此在該模塊中進(jìn)行電阻值計(jì)算的時(shí)候，為了減小計(jì)算誤差，可以采用適當(dāng)?shù)谋稊?shù)放大運(yùn)算，例如可以計(jì)算1024×R的值，送入模塊(2)進(jìn)行演算。

(4)為溫度控制算法。通過設(shè)定溫度與實(shí)際溫度的差值來控制加載在線圈兩端電壓的大小?？梢圆捎酶鞣N的閉環(huán)控制算法，諸如經(jīng)典的PID等。本溫度控制算法采用簡易滯環(huán)調(diào)節(jié)的控制方式。在溫度差值處于不同范圍內(nèi)選擇不同幾檔設(shè)定電壓值，差值越大，設(shè)定電壓值越高。當(dāng)實(shí)際溫度高于設(shè)定溫度后，則選擇關(guān)斷電壓輸出。

圖5 溫度閉環(huán)控制的流程

利用FPGA不但能實(shí)現(xiàn)溫度的閉環(huán)控制，而且還能實(shí)現(xiàn)電壓電流值的采樣以及PWM模擬輸出等功能。因此整個(gè)電加熱浸漆的控制過程可由FPGA實(shí)現(xiàn)，其內(nèi)部功能模塊組成如圖6所示。

圖6 FPGA內(nèi)部功能模塊的組成

其中各功能子模塊的功能見表2所示。

表2 FPGA功能模塊的說明

3 電加熱浸漆試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室條件下嘗試電加熱浸漆試驗(yàn)，不僅要考慮可操作性，更要考慮線圈的體積及質(zhì)量，因此本實(shí)驗(yàn)以某一款中小型電機(jī)的定子線圈做為實(shí)驗(yàn)對象。由于該型號(hào)線圈齒單個(gè)電阻值較小，將3個(gè)線圈齒組件串聯(lián)起來，增加被控對象的電阻值，在保證控制精度的同時(shí)能更好地提高浸漆效率。

為了能更好地驗(yàn)證電加熱浸漆的優(yōu)劣，試驗(yàn)前進(jìn)行了相關(guān)準(zhǔn)備工作。

(1)線圈齒稱重

為了便于計(jì)算電加熱浸漆的耗漆量，事先對單個(gè)線圈齒組件進(jìn)行了稱重，浸漆前質(zhì)量為207.206g。

(2)CSV（Corona Start Voltage）起始放電電壓測試

為了便于評價(jià)浸漆前后線圈齒的絕緣性能，對單個(gè)線圈齒進(jìn)行了CSV測試，其浸漆前起始放電電壓為1.8kV。

(3)熱電偶設(shè)置

為了能更直接地掌握線圈的溫度變化，便于與設(shè)定值比較，在線圈內(nèi)部埋設(shè)了熱電偶線，通過記錄儀實(shí)時(shí)記錄溫度變化。

3.2 工藝說明

電加熱浸漆工藝如下：

3.2.1 工序：預(yù)熱、浸漆、滴漆、電加熱固化、紫外固化

3.2.2 浸漬對象：電機(jī)用小線圈，常溫電阻：0.25±0.05Ω

3.2.3 具體工藝

(1)預(yù)熱：線圈以水平方式吊裝在接線柱上。采用對線圈通電的方式將線圈預(yù)熱，目標(biāo)溫度：線圈90～110℃；

(2)浸漆：緩慢將線圈浸沒入絕緣漆中，下沉速度越慢越好，完全浸沒后控制線圈溫度95～115℃，保持5～8min；

(3)滴漆：將線圈緩慢提出絕緣漆，保持線圈溫度105～115℃，滴漆3～5min；

(4)電加熱固化：線圈加熱至150℃后保持10～20min；

(5)紫外光固化：為確保線圈上非金屬部分完全固化，需將線圈暴露在紫外光輻射下，上下兩個(gè)面各保持5～10min，即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)線圈上樹脂的完全固化。3.2.4補(bǔ)充說明

(1)可以對定子線圈整體實(shí)施電加熱浸漆，亦可對若干個(gè)串聯(lián)起來線圈進(jìn)行電加熱浸漆；

(2)整個(gè)浸漆過程都需要對線圈通電加熱，包括紫外光固化階段；

(3)進(jìn)入滴漆階段時(shí)，可以將線圈緩慢提出漆缸，亦可采用將漆缸升降的方式使兩者分離。

3.3 試驗(yàn)過程

根據(jù)電加熱浸漆工藝，并結(jié)合試驗(yàn)平臺(tái)情況，擬定了臨時(shí)的試驗(yàn)用電加熱浸漆試驗(yàn)工藝，參見表3。

表3 電加熱浸漆試驗(yàn)工藝設(shè)定

將上述工藝步驟擬合成給定溫度—時(shí)間曲線，電加熱浸漆控制系統(tǒng)嚴(yán)格按照此溫度設(shè)定曲線來進(jìn)行電加熱浸漆試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中記錄兩組數(shù)據(jù)，一組為通過熱電偶測量所得的線圈實(shí)測溫度，另一組為FPGA內(nèi)部計(jì)算所得的線圈反饋溫度。其中線圈實(shí)測溫度的數(shù)據(jù)為，在線圈中埋設(shè)熱電偶，并通過溫度記錄儀將線圈溫度實(shí)時(shí)記錄下來。而線圈反饋溫度是指FPGA控制系統(tǒng)內(nèi)部，通過采集的線圈電壓與電流值，通過計(jì)算得到的線圈當(dāng)前反饋溫度，該數(shù)據(jù)通過FPGA的串行調(diào)試接口送至上位機(jī)記錄所得。最后將所記錄的上述兩組溫度數(shù)據(jù)曲線與給定溫度曲線按照同一時(shí)間軸匯集在一起，即可得到電加熱浸漆試驗(yàn)溫度曲線，如圖7所示。

圖7 電加熱浸漆試驗(yàn)溫度曲線

其中反饋溫度是FPGA內(nèi)部通過對電壓電流的反饋采樣值的一系列公式演算得出的溫度值，由于電加熱過程中溫度變化引起的電阻值變化相對較小，因此要精確的計(jì)算出當(dāng)前的實(shí)際溫度值需要十分精準(zhǔn)的電壓及電流采樣方式。由于試驗(yàn)所采用的電壓與電流測量方式自身存在一定的誤差，因此目前試驗(yàn)數(shù)據(jù)中反映出的反饋溫度計(jì)算值與當(dāng)前實(shí)測溫度值存在±5℃偏差現(xiàn)象屬于正常的試驗(yàn)測量誤差。從圖7所示曲線分析，實(shí)測溫度曲線與給定溫度曲線雖然存在一定的溫度偏差，但總體趨勢基本一致，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)的溫度閉環(huán)控制完全滿足電加熱浸漆試驗(yàn)。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對浸漆后的單個(gè)線圈齒組件進(jìn)行CSV測試，其CSV值達(dá)到2.1kV，較浸漆前單個(gè)線圈齒的CSV值有明顯提高。從外觀及解剖情況來看，整個(gè)線圈絕緣漆覆蓋均勻，滲透良好，固化完整，滴漆干凈，無凝滴態(tài)，表面無氣泡現(xiàn)象。

對浸漆后的線圈齒組件進(jìn)行了稱重，為210.238g，與浸漆前所稱值對比可得，該型號(hào)電機(jī)單個(gè)線圈齒僅耗漆3.632g，按整個(gè)電機(jī)18個(gè)線圈齒計(jì)算，每臺(tái)電機(jī)采樣電加熱浸漆僅耗漆約65g?？梢姴捎秒娂訜峤岱绞?，絕緣漆的用量將大大降低。

4 結(jié) 語

作為一次實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的電加熱浸漆試驗(yàn)，整體效果達(dá)到了預(yù)期，電加熱浸漆的高效率、高質(zhì)量、環(huán)保節(jié)能等優(yōu)勢都得以佐證。作為一次技術(shù)方法上的嘗試，利用FPGA實(shí)現(xiàn)的電加熱浸漆控制方法，從技術(shù)角度而言，論證了自主開發(fā)電加熱浸漆控制技術(shù)的可行性。為后續(xù)設(shè)計(jì)開發(fā)應(yīng)用于實(shí)際電機(jī)產(chǎn)品的電加熱浸漆設(shè)備做了技術(shù)準(zhǔn)備。該電加熱浸漆控制方法成功實(shí)現(xiàn)，一定程度上打破了國外在電加熱浸漆設(shè)備上的技術(shù)壁壘，可以有效的推廣先進(jìn)的電加熱浸漆工藝在國內(nèi)電機(jī)制造廠商中的應(yīng)用，提高國內(nèi)電機(jī)的絕緣性能和質(zhì)量，同時(shí)可以有效的改善電機(jī)制造行業(yè)的環(huán)保與節(jié)能。

[1]楊杰.可調(diào)距式電加熱紫外固化設(shè)備研究[J].機(jī)械工程與字自動(dòng)化，2010，（02）：103-105.

[2]孟凡君，佟德成，姜云波.低壓電機(jī)繞組掛漆量工藝研究[J].防爆電機(jī)，2011，46：47-50.

[3]黃霞.基于FPGA的智能溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].武漢理工大學(xué)，2012，(12).

[4]付學(xué)志,姚旺生,茍偉,譚斌.基于FPGA的高速PID控制器設(shè)計(jì)與仿真[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用. 2007，(01).

[5]吳繼華，王誠.Altera FPGA/CPLD設(shè)計(jì)（高級篇）[M].人民郵電出版社，2005.