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嵌入式智能节点型强等离子体逆变电源的研究

2020-12-08阅读(393)

嵌入式智能节点型强等离子体逆变电源的研究

论文摘要

强等离子体具有温度高、能流密度高、化学活性高、可控性好等特点,在固体垃圾以及危险废物的资源化处理、电站燃煤点火、金属冶炼、煤的汽化活化、焊接、喷涂以及切割等领域具有广阔的应用前景。要实现强等离子体技术的全面推广,可靠性高、控制性能好的等离子体电源装置是其中的关键。相比传统电源,高频逆变电源具有节能20-30%、省材60-70%、网电冲击小以及控制性能好等优点,但随着功率增强,因并联均流、温升、电磁干扰、寄生参数等因素造成的可靠性问题已成为制约其推广应用的技术瓶颈。本文在国家自然科学基金的资助下,瞄准制约大功率等离子体逆变电源装置产业化的技术瓶颈问题,研究以ARM和RTOS为核心的嵌入式控制策略,实现强电弧等离子体逆变电源装置功率的增强和能量的高效可靠传递。本设计的强等离子体逆变电源采用智能节点型模块式结构,整个电源装置由多个分散的模块式电源构成。各模块式电源相当于一个智能节点,均具有自律可控性,能够依靠各自的智能控制器分别进行自律管理,不受其他模块的控制与干涉。任何智能节点在发生故障时,均能及时自动切除脱离系统,并在维修后可正常工作时自动切入系统,不会干扰和影响其他智能节点的自律管理以及整个等离子体电源系统的正常运行。智能节点由智能控制器和主电路两大部分构成。主电路采用全桥拓扑结构。以具备Coxter-M3为内核的ARM微处理器LM3S8971为智能控制器的控制核心,设计了完善的IGBT驱动电路、信号采样和故障检测电路以及通信接口电路,构建了嵌入式控制器硬件平台;利用ARM微处理器自带的RTOS实时内核,根据电源工作流程及输出特性,对智能节点的软件系统进行了嵌入式设计,划分了各任务的优先级和任务进程,使得代码结构更加清晰,可读性更强,系统升级和移植更为灵活方便。设计了基于ARM+CPLD双芯控制结构的人机交互系统,利用ARM微处理器LM3S818的控制和运算能力对人机交互过程进行程序控制,同时利用CPLD丰富的I/O引脚和可灵活编程的特点,把ARM发送的命令转化为数码管和LED的显示;通过扩展的RS232接口,实现了人机交互系统与智能节点控制器的数字通信控制。最后,对所设计的等离子体智能节点来进行了实验研究。本课题设计的等离子体电源主要用于冶炼加热,根据工艺设置给定参数,各智能节点之间通过CAN总线控制网络进行连接,并通过CAN/USB转换模块与远程监控计算机进行通信。实验波形以及远程综合管理系统界面显示的数据验证了本设计的正确性。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 课题的研究背景
  • 1.2 等离子体逆变电源的研究现状
  • 1.3 基于嵌入式系统的智能节点
  • 1.4 课题的研究目的及意义
  • 1.5 本课题的主要研究内容
  • 第二章 强等离子体逆变电源的总体方案
  • 2.1 智能节点的组成
  • 2.2 智能节点的数字化
  • 2.2.1 数字化控制
  • 2.2.2 智能节点控制系统的数字化
  • 2.2.3 人机交互系统的数字化
  • 2.3 智能节点的主电路设计
  • 2.4 智能节点的协调工作
  • 2.5 本章小结
  • 第三章 节点的自律及CAN 总线网络
  • 3.1 智能节点的自律
  • 3.2 智能节点CAN 总线控制特点及要求
  • 3.3 电源系统中的CAN 总线
  • 3.3.1 CAN 总线介绍
  • 3.3.2 CAN 总线技术的特征
  • 3.3.3 CAN 的帧类型与帧格式
  • 3.3.4 CAN 总线通信机制
  • 3.3.5 CAN 总线的仲裁
  • 3.4 智能节点的CAN 总线设计
  • 3.4.1 CAN 总线波特率的设置
  • 3.4.2 CAN 总线的同步
  • 3.5 CAN 总线在智能节点系统应用的优点
  • 第四章 控制系统的硬件设计
  • 4.1 嵌入式系统处理器的选择
  • 4.2 智能节点主控制系统的硬件设计
  • 4.2.1 主控芯片的特点
  • 4.2.2 芯片最小应用系统的设计
  • 4.2.3 IGBT 驱动电路
  • 4.2.4 电流电压采样电路
  • 4.2.5 故障保护电路
  • 4.2.6 通信电路
  • 4.3 智能节点人机交互面板的硬件设计
  • 4.4 本章小结
  • 第五章 系统的软件设计
  • 5.1 控制算法
  • 5.2 控制软件开发软件介绍
  • 5.2.1 开发工具介绍
  • 5.2.2 控制芯片的RL-RTX 核介绍
  • 5.3 智能节点控制系统的软件设计
  • 5.3.1 实时内核的编程方式特征
  • 5.3.2 任务进程优先级分配
  • 5.3.3 任务的软件设计
  • 5.3.4 UART 串口通信任务进程设计
  • 5.3.5 CAN 总线通信任务进程设计
  • 5.4 人机交互系统的软件设计
  • 5.4.1 人机交互面板的MCU 设计
  • 5.4.2 开发工具及开发环境的介绍
  • 5.4.3 CPLD 任务设计
  • 5.5 能量综合管理系统通信界面的设计
  • 5.5.1 通信界面软件介绍
  • 5.5.2 通信界面的USB 接口
  • 5.5.3 通信界面任务设计
  • 5.6 本章小结
  • 第六章 软件仿真及实验结果分析
  • 6.1 软件仿真
  • 6.2 实验及结果分析
  • 6.2.1 智能节点的空载实验
  • 6.2.2 智能节点的带载实验
  • 6.2.3 智能节点的联机实验
  • 6.3 本章小结
  • 结论与展望
  • 1 结论
  • 2 展望
  • 参考文献
  • 附录
  • 攻读硕士学位期间取得的研究成果
  • 致谢

    • 相关论文文献

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