铝合金低频半连续铸造复合磁场控制系统设计与研究

论文摘要

铝合金是应用最广泛的有色金属合金,提高其产品质量、降低生产成本具有重要的意义。本文研究内容来源于国家“973”重点基础研究发展规划资助项目“提高铝材料质量的基础研究”子项。在半连续铸造生产过程中,在结晶器外设置低频电磁场,可有效地起到了细化晶粒和改善铸锭表面品质的作用,而复合磁场控制系统的研究对于低频半连续铸造的应用具有重要意义。论文深入分析了低频电磁场在半连续铸造中的作用机理和复合磁场形成原理,提出了复合磁场控制系统的设计要求,通过方案比较,确定了双PWM变频控制方案,并在逆变环节采用三电平方式,有效控制了输出电流谐波。在系统主电路设计中,为了满足工艺要求,提出一种新的主电路拓扑结构,并详细阐述了其工作原理。在系统控制电路设计中,阐述了基于以太网和DeviceNet的网络结构和PLC、触摸屏组成的控制系统上位机结构,重点研究了以TMS320F2809作为控制核心的DSP控制系统,并分别阐述了PWM模块、人机接口模块、看门狗模块及电压电流检测模块。根据系统实时性的要求,软件设计中引入嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ,并将其移植到了TMS320F2809。实现了基于μC/OS-Ⅱ的在线式的中断管理、多任务管理及任务之间的信息传递,阐述了主要任务的优先级分配。系统采用自适应模糊PID控制算法,并通过Matlab进行仿真研究,结果表明,可以有效地改善控制系统的动态性能,得到满意的控制效果。论文最后对所做工作进行了总结,并提出了一些有待于进一步研究的问题。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 电磁场在半连续铸造过程中的应用
• 1.3 电磁铸造技术的发展
• 1.3.1 国外的研究状况
• 1.3.2 国内对电磁铸造技术的研究
• 1.4 半连续铸造复合磁场控制系统研究现状
• 1.5 论文研究的主要内容及章节安排
• 第二章 复合磁场形成原理与控制方案设计
• 2.1 铝合金低频半连续铸造工艺
• 2.2 复合磁场控制系统的控制要求
• 2.3 复合磁场形成原理
• 2.4 复合磁场控制系统主电路方案比较
• 2.4.1 交交变换器
• 2.4.2 矩阵变换器
• 2.4.3 双PWM变换器
• 2.5 系统总体方案
• 2.6 本章小结
• 第三章 复合磁场控制系统主电路设计
• 3.1 电磁感应器绕组分布
• 3.2 主电路参数计算
• 3.3 主电路拓扑结构
• 3.4 PWM整流器设计
• 3.4.1 PWM整流器原理概述
• 3.4.2 电压型 PWM整流器
• 3.4.3 三相电压型 PWM整流器的电压矢量分析
• 3.5 三电平PWM逆变器设计
• 3.5.1 二极管箱位型多电平变换器
• 3.5.2 逆变器主电路分析
• 3.6 IGBT保护电路
• 3.6.1 电压上升率（dv/dt）保护
• 3.6.2 短路保护和过流保护
• 3.7 本章小结
• 第四章 复合磁场控制系统硬件电路及软件设计
• 4.1 复合磁场控制系统网络设计
• 4.1.1 网络总体概述
• 4.1.2 基于工业以太网的远程监控
• 4.1.3 现场设备网
• 4.2 复合磁场控制系统上位机
• 4.2.1 上位机 PLC控制系统
• 4.2.2 上位机触摸屏监控设计
• 4.3 DSP控制装置
• 4.3.1 TMS320F2809 DSP控制器模块
• 4.3.2 PWM控制模块
• 4.3.3 人机接口模块
• 4.3.4 看门狗电路及铁电存储器模块
• 4.3.5 负载电压的检测电路
• 4.3.6 负载电流的检测电路
• 4.4 控制系统软件设计
• 4.4.1 系统软件需求分析
• 4.4.2 μC/OS-Ⅱ到DSP移植
• 4.4.3 软件的结构设计
• 4.4.4 随机频率的设计与实现
• 4.5 电磁兼容性设计
• 4.5.1 硬件抗干扰技术
• 4.5.2 软件抗干扰技术
• 4.6 本章小结
• 第五章 复合磁场控制系统智能控制器设计
• 5.1 自适应模糊PID控制器的结构
• 5.2 自适应模糊PID控制器的设计
• 5.3 自适应模糊PID控制器仿真及结果讨论
• 5.4 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果