基于DSP的铝电磁铸造磁场控制器的设计和实现

　 0 引言

　　铝合金是重要的民用、战略金属材料，其力学性能与合金的晶粒尺寸和形态密切相关。但是未经细化处理的结晶铝合金晶粒粗大、柱状晶发达、深拉性能差，严重影响其质量。研究表明，在铸造生产过程中，在铸造区引入特殊的低频复合电磁场，可有效地起到细化晶粒和改善铸锭表面品质的作用。

　　针对铝电磁铸造特殊复合磁场的控制要求，根据前期研究和设计的铝电磁场快速铸轧控制器在福建瑞闽铝板带厂的实际运行情况，本文研究和设计了基于DSP(TMS320F2808)+单片机(C8051F410)+CPLD(EPM7128)的复合磁场控制器。

　　1 系统总体设计

　　复合磁场控制系统以DSP(TMS320F2808)为主控制处理核心，以单片机为专用人机接口控制核心，DSP和单片机之间采用同步串行SPI接口进行通信；CPLD完成晶闸管触发脉冲的形成，本文特别设计了采用高频双窄脉冲列的触发方式；各模拟量的采集基于提高精度的考虑选用外扩双极性16位的AD。系统总体框图如图1所示。

　　1．1 系统硬件设计

　　(1)系统主电路设计

　　产生特殊复合磁场的电磁感应装置是铝电磁场半连续铸造的关键技术之一。根据电磁半连续铸造的特殊工艺要求，以及复合磁场感应器的特殊结构，选取了交一交变频方式作为复合磁场控制器的变频方式，同时设计了有别于传统交一交变频方式的主电路结构，如图2所示。

　　L、L'是电磁感应装置内部环绕在同一个铁心上的两个负载线圈(注意两者之间没有电气连接)，VF组和VR组变流器均采用三相桥式全控整流。VF组工作时，线圈L中得到相应的正半波电流，VR组工作时，线圈L'中得到相应的负半波电流。在同一铁心上将两者叠加则相当于在负载线圈中引入了一个完整的电磁铸造所需的特殊电流，从而最终获得特殊的电磁场，达到控制目的。

　　(2)晶闸管触发脉冲设计

　　针对现在普遍采用的双窄脉冲驱动晶闸管的方法提出新的驱动方案，采用高频双窄脉冲列来代替普通的双窄驱动脉冲，根据脉冲变压器的能量传输理论，新方案传输能量效率更高，可以大大节省脉冲变压器的体积。

　　常规的高频双窄脉冲列产生方法为使用双窄脉冲去控制一个高频振荡器的输出来获得高频双窄脉冲列，此方法存在高频双窄脉冲列和双窄脉冲的脉冲前沿不一致的缺陷，从而会导致触发角的不准确，这在大功率晶闸管的驱动控制中是需要改进的。本文设计在利用CPLD产生双窄脉冲的同时，通过一定的处理，变成高频双窄脉冲列，经仿真和实践，取得明显效果。高频双窄脉冲列形成的原理框图如图3所示。

　　(3)SCI转RS485电路

　　三路高速光电隔离(TLP113)是为了防止总线上的干扰信号窜入DSP控制器，提高系统通信的抗干扰能力。低功耗RS485半双工收发器(SP3485)完成RS485通信接口电路。具体实现如图4所示。图中发光二极管用来显示通信数据的发送和接收状态，RS485两根输出引线之间接一个120W的匹配电阻，并分别进行一阶低通滤波。需要注意的是光隔离器两端的电源和地要绝对地绝缘，实现真正的隔离。

　　(4)铁电存储和看门狗电路设计

　　铝电磁铸造复合磁场控制器涉及到一系列参数的设置和保存，并且可能经常被重复修改，此外，现场工作环境恶劣，为了提高系统抗干扰能力，必须外设系统看门狗。鉴于上面原因，选择具有集串行非易失性存储器(铁电存储器--无限制的读写次数，掉电数据保持10年)、实时时钟／日历、低电压复位、看门狗、快速的二线制串行接口(I2C)于一体的元器件FM31256。具体电路如图5所示。

　　在制作PCB板的时候，为了提高DSP和FM312561间通信的稳定性和可靠性，两者应尽量靠近，I2C通信线尽可能短，并可考虑加一级低通滤波(100W，100p)。

　　(5)人机接口设计

　　人机接口处理采用专门的单片机进行管理，单片机与系统主控制核心DSP间采用SPI总线形式通信，编程简单且实现容易。单片机主要完成键盘扫描(参数的设置等)、液晶显示(运行检测的参数显示)功能。根据人机接口功能的需要，考虑性价比，选用新华龙推出的C8051F410单片机，显示装置则选择北京青云公司的LCM128×64蓝色背光液晶，按照总体设计规划设置6个按键，采用矩阵式结构即可。人机接口框图如图6所示。

　　1．2 系统软件设计

　　(1)系统软件架构

鉴于整个系统要实现的任务繁多，DSP各外设均被应用，对处理的实时性要求比较高，并且DSP(TMS320F2808)平台支持和能承载RTOS的开发，所以系统软件采用mC／OS-II设计。mC／OS-II是一种源码公开、可移植、可固化(ROMable)、可裁减(scalable)、可剥夺性(preemptive)、占先式的实时多任务操作系统[3，5]。整个系统软件分为两步：a．μ C／OS-II到DSP移植；b．μC／OS-II平台上软件的编写。μ C／OS-II到