韓冬林，王程勝

(天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津300350)

一種用于振動(dòng)送料機(jī)的數(shù)字化變頻電源設(shè)計(jì)

韓冬林，王程勝

(天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津300350)

采用集成功率控制PWM模塊的增強(qiáng)型單片機(jī)PIC18F4431作為主控制器芯片，完成了一種用于振動(dòng)送料機(jī)的數(shù)字化變頻電源控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了電源輸出頻率和輸出電壓獨(dú)立實(shí)時(shí)調(diào)控功能，并用樣機(jī)驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)。

變頻電源；振動(dòng)送料機(jī)；PIC18F4431；功率控制PWM模塊

振動(dòng)送料機(jī)是自動(dòng)加工和自動(dòng)裝配系統(tǒng)中的一種供料裝置，由于其整列定向性能優(yōu)良，供料效率高，通用性好，因而廣泛應(yīng)用于自動(dòng)裝配、自動(dòng)加工、自動(dòng)包裝等各種機(jī)械上[1]。針對(duì)不同物料的形狀、材料和送料要求，電磁振動(dòng)送料裝置的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和定向機(jī)構(gòu)均不同，這種多性能指標(biāo)和多影響參數(shù)的匹配問題一直是電磁振動(dòng)送料技術(shù)的研究難題[2]。電磁振動(dòng)送料裝置的機(jī)械參數(shù)決定了系統(tǒng)的幅頻特性，減小振動(dòng)部分的質(zhì)量或增大彈簧的彈性系數(shù)，會(huì)使送料系統(tǒng)的固有頻率升高，反之會(huì)降低固有頻率[3]，因此采用固定工作頻率(50/60 Hz)的工頻電源很難精確控制物料的傳送速度和傳送間距。本文采用美國Microchip公司的PIC18F4431單片機(jī)作為主控制器，設(shè)計(jì)了一種數(shù)字化的變頻電源驅(qū)動(dòng)器，采用C語言編程方式，實(shí)現(xiàn)了電磁振動(dòng)送料裝置的機(jī)電參數(shù)優(yōu)化匹配設(shè)計(jì)。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 主控制器電路設(shè)計(jì)

振動(dòng)送料機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源必須能夠靈活地調(diào)節(jié)輸出頻率和輸出電壓，以達(dá)到匹配各種機(jī)械系統(tǒng)固有頻率和各種物料傳送要求的目的，所以需要設(shè)計(jì)一種既能變頻又能變壓的可調(diào)電源，綜合考慮性能、體積和成本等因素，本設(shè)計(jì)選用了PIC18F4431單片機(jī)作為主控制器。

PIC18F4431單片機(jī)是美國Microchip公司生產(chǎn)的一款采用納瓦技術(shù)的增強(qiáng)型單片機(jī)，具備高耐久性的增強(qiáng)型閃存程序存儲(chǔ)器和工業(yè)級(jí)的溫度范圍[4]，非常適合工業(yè)環(huán)境中高性能功率控制領(lǐng)域的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)中用到的PIC18F4431單片機(jī)的硬件資源如下：

(1)8×8硬件乘法器：PIC18F4431器件中的ALU中包含了一個(gè)8×8硬件乘法器，能夠在一個(gè)指令周期內(nèi)通過硬件操作完成單字節(jié)的乘法運(yùn)算[4]，乘法性能的增強(qiáng)使PIC18F4431器件可以部分替代數(shù)字信號(hào)處理器DSP的應(yīng)用設(shè)計(jì)。

(2)功率控制PWM模塊：在功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中，功率控制PWM模塊簡(jiǎn)化了產(chǎn)生多種同步脈沖寬度調(diào)制(PWM)輸出的過程，PIC18F4431器件中的功率控制PWM模塊分辨率高達(dá)14位，具有4個(gè)占空比發(fā)生器，PWM輸出管腳多達(dá)8個(gè)[4]，可以將PWMH引腳和PWML管腳靈活配對(duì)，適用于各種功率控制模式。

(3)10位高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)模塊：PIC18F4431器件中的A/D轉(zhuǎn)換模塊支持多達(dá)9個(gè)輸入通道，采樣速率高達(dá)200 kb/s，具備雙通道同步采樣功能[4]。

圖1中采用3個(gè)共陽極的數(shù)碼管DS1～DS3，用于顯示電源的輸出頻率和輸出電壓，因?yàn)樾枰眠@3個(gè)數(shù)碼管分時(shí)顯示頻率和電壓數(shù)值，所以在硬件設(shè)計(jì)中采用撥碼開關(guān)S2控制顯示和調(diào)整之間的動(dòng)作切換。當(dāng)S2.Bit1-8處于OFF狀態(tài)時(shí)，3個(gè)數(shù)碼管顯示的是輸出頻率值，分辨率為0.1 Hz；當(dāng)S2.Bit1-8處于ON狀態(tài)時(shí)，3個(gè)數(shù)碼管顯示的是輸出電壓幅值的百分比，分辨率為1%。當(dāng)S2.Bit2-7處于OFF狀態(tài)時(shí)，輸出頻率值可以由電位器HZ調(diào)整，調(diào)整范圍為20.0～80.0 Hz；當(dāng)S2. Bit2-7處于ON狀態(tài)時(shí)，輸出頻率被鎖定在當(dāng)前電位器HZ設(shè)定的工作頻率上，并在工作過程中一直保持該輸出頻率不變，保證調(diào)整好的電源輸出頻率與送料機(jī)的機(jī)械固有頻率形成最佳的共振參數(shù)匹配，并且保證這種共振匹配不會(huì)因?yàn)楣ぷ鲿r(shí)間的長短而發(fā)生頻率參數(shù)漂移。同樣道理，當(dāng)S2.Bit3-6處于OFF狀態(tài)時(shí)，輸出電壓幅值可以由電位器VT調(diào)整，調(diào)整范圍為30%～100%；當(dāng)S2.Bit3-6處于ON狀態(tài)時(shí)，輸出電壓幅值被鎖定在當(dāng)前電位器VT設(shè)定的輸出電壓幅值上，并在工作過程中一直保持該輸出電壓幅值不變。對(duì)于電磁振動(dòng)送料機(jī)而言，在傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械特性不變的前提下，精確地控制物料的傳送速度和傳送間距的關(guān)鍵在于對(duì)共振頻率和振幅的準(zhǔn)確控制，并保證頻率和振幅這兩項(xiàng)關(guān)鍵控制參數(shù)能夠數(shù)字鎖定，不受工作時(shí)間和外界電磁干擾的影響。

圖1 PIC18F4431單片機(jī)主控電路原理圖

圖2 功率輸出電路原理圖

1.2 功率輸出電路設(shè)計(jì)

PIC18F4431單片機(jī)內(nèi)部集成的功率控制PWM模塊包含4個(gè)PWM發(fā)生器和8個(gè)輸出管腳PWM1H/PWM1L～PWM4H/ PWM4L，可配置成邊沿對(duì)齊或中心對(duì)齊兩種PWM脈沖輸出方式，并且支持在成對(duì)的PWMXH/PWMXL輸出脈沖之間進(jìn)行可編程死區(qū)控制[4]。在本設(shè)計(jì)中，因?yàn)橹恍枰刂埔恢浑姶啪€圈的工作狀態(tài)，所以只需要對(duì)PWM1輸出通道進(jìn)行設(shè)置和控制。功率輸出部分電路如圖2所示。

本電源的輸入電壓為220 V(AC)，直流母線(VBUS/AGND)之間的供電電壓大約為300 V(DC)左右，電磁線圈額定工作電流為7 A，功率輸出電路選用IRFP22N50作為逆變開關(guān)，IRFP22N50是一款專用于開關(guān)電源(SMPS)的功率場(chǎng)效應(yīng)管，耐壓為500 V，導(dǎo)通電阻DS最大值為0.23Ω，連續(xù)工作時(shí)漏極電流最大值為22 A[5]，完全能夠滿足功率輸出電路設(shè)計(jì)要求。

圖1中的PIC18F4431單片機(jī)功率控制PWM模塊輸出管腳RB1/PWM1生成PWM控制信號(hào)，分為兩路輸入圖2中的光電耦合器OPH和OPL，經(jīng)光電隔離后的PWM信號(hào)PH和PL分別送入由IR2118組成的驅(qū)動(dòng)電路U2和U3。IR2118是一款專用的場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)芯片，最高偏置電壓為600 V，可輸出10～20 V電壓信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)功率場(chǎng)效應(yīng)管[6]。U2和U3的輸出信號(hào)HO分別驅(qū)動(dòng)上下橋臂的功率場(chǎng)效應(yīng)管Q1和Q2，PIC18F4431單片機(jī)可以通過軟件實(shí)時(shí)調(diào)整PWM脈沖信號(hào)來實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁線圈L1的工作頻率和電壓的控制。

PIC18F4431單片機(jī)的功率控制PWM模塊具備兩路故障保護(hù)輸入管腳RC1/FLTA和RC2/FLTB，故障保護(hù)管腳為低電平輸入有效，主要作用是禁止PWM輸出信號(hào)，并將其驅(qū)動(dòng)為無效狀態(tài)[4]。本設(shè)計(jì)中使用RC1/FLTA管腳來實(shí)現(xiàn)功率場(chǎng)效應(yīng)管Q1和Q2過流保護(hù)功能，圖2中的直流母線過流保護(hù)電路主要由R39、R40、R41、C23、U4A、U4B、OPFA等元件構(gòu)成，其中R39(0.047Ω/5 W)作為電流檢測(cè)電阻，運(yùn)放U4A作為電壓跟隨器，運(yùn)放U4B作為電壓比較器，U4B的同相輸入端的信號(hào)為VREF，電壓基準(zhǔn)信號(hào)VREF由R42、R43、C24組成的分壓電路產(chǎn)生，VREF信號(hào)電平為5 V，當(dāng)電壓跟隨器U4A的輸出電壓超過5 V時(shí)，電壓比較器U4B的輸出信號(hào)ITRP變?yōu)榈碗娖?，光電隔離器OPFA內(nèi)部的發(fā)光二極管導(dǎo)通，光電三級(jí)管的輸出信號(hào)FA由正常時(shí)的高電平拉低為低電平，觸發(fā)PIC18F4431單片機(jī)的故障保護(hù)輸入管腳RC1/FLTA，同時(shí)鎖定PWM輸出管腳RB1/PWM1為無效狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了過流保護(hù)功能。

場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)器IR2118工作時(shí)的總功耗為[7]：式中：是驅(qū)動(dòng)器由于場(chǎng)效應(yīng)管柵極電容充放電而產(chǎn)生的功耗是驅(qū)動(dòng)器由于吸收靜態(tài)電流而產(chǎn)生的功耗；是驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部由于交越導(dǎo)通而產(chǎn)生的功耗。其中部分的功耗是最高的，特別是在較低的PWM頻率工作時(shí)[7]。本設(shè)計(jì)將PIC18-F4431單片機(jī)的PWM驅(qū)動(dòng)脈沖工作頻率定為10 kHz，因此場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)器IR2118的功耗主要源于。

2 軟件流程設(shè)計(jì)

2.1 主程序控制流程

本變頻電源的單片機(jī)控制軟件采用C語言進(jìn)行模塊化開發(fā)，主程序包括初始化模塊、撥碼開關(guān)讀取模塊、頻率設(shè)定ADC模塊、電壓設(shè)定ADC模塊、功率控制PWM管理模塊、數(shù)碼管顯示模塊。主程序流程如圖3所示。

圖3 主程序控制流程

PIC18F4431單片機(jī)上電復(fù)位后首先調(diào)用初始化模塊，完成單片機(jī)通用I/O口的設(shè)置、單片機(jī)內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器和功率控制PWM模塊的初始化任務(wù)，然后進(jìn)入主循環(huán)程序。在主循環(huán)程序中第一步先調(diào)用撥碼開關(guān)讀取模塊，讀出撥碼開關(guān)S2的設(shè)定狀態(tài)，程序根據(jù)S2的設(shè)定狀態(tài)去控制頻率/電壓的讀取及數(shù)碼管顯示內(nèi)容的切換，單片機(jī)通過調(diào)用頻率設(shè)定ADC模塊和電壓設(shè)定ADC模塊完成對(duì)電位器HZ和電位器VT電壓值的采樣讀??；第二步根據(jù)當(dāng)前頻率/電壓的設(shè)定值，調(diào)用功率控制PWM管理模塊，通過調(diào)整PWM脈沖的載波頻率和占空比，完成對(duì)工作頻率和工作電壓的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制功能。

2.2 功率控制PWM管理程序

通過正確設(shè)置并實(shí)時(shí)刷新PIC18F4431單片機(jī)功率控制PWM模塊的內(nèi)部寄存器組，就可以產(chǎn)生逆變電路需要的PWM驅(qū)動(dòng)脈沖。PTMRH/PTMRL寄存器設(shè)定PWM時(shí)基，PTPERL/PTPERH寄存器設(shè)定PWM脈沖周期，PDC1L/PDC1H寄存器控制PWM占空比[4]。本設(shè)計(jì)將PWM模塊設(shè)置為自由運(yùn)行模式，PWM信號(hào)的最大分辨率(以位為單位)為：式中：為單片機(jī)晶振時(shí)鐘頻率；PWM為PWM脈沖周期。使用單片機(jī)功率控制PWM模塊產(chǎn)生正弦波最實(shí)用的方法就是使用一個(gè)包含正弦波所有工作點(diǎn)的ROM查找表，單片機(jī)PWM管理程序每經(jīng)過一個(gè)周期性的時(shí)間間隔從該查找表讀出工作點(diǎn)的正弦波數(shù)據(jù)，然后將該數(shù)據(jù)進(jìn)行換算，使之符合所允許的PWM占空比范圍，并將換算值寫入占空比控制寄存器[8]。理論上，ROM查找表中正弦波工作點(diǎn)的點(diǎn)數(shù)越多越好，但是查找表中的點(diǎn)數(shù)過多會(huì)占用單片機(jī)寶貴的ROM空間，實(shí)用的方法是根據(jù)PWM載波頻率和PWM最大調(diào)制頻率確定查找表中的點(diǎn)數(shù)值，具體算法如下[8]：

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文提出的基于PIC18F4431單片機(jī)的數(shù)字化變頻電源樣機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)方案，分別設(shè)計(jì)了單片機(jī)主控電路板與數(shù)碼管顯示電路板，由于采用了高集成度的增強(qiáng)型單片機(jī)芯片PIC18F4431，顯著地降低了電路板的元器件數(shù)量，既降低了PCB的布線難度又有效地提高了變頻電源的性能，圖4是樣機(jī)電路板的實(shí)物照片。

圖4 樣機(jī)電路板實(shí)物圖

4 結(jié)論

本文基于集成了功率控制PWM模塊的增強(qiáng)型單片機(jī)PIC18F4431，設(shè)計(jì)了用于振動(dòng)送料機(jī)的數(shù)字化變頻驅(qū)動(dòng)電源，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電源輸出頻率和輸出電壓兩項(xiàng)工作參數(shù)獨(dú)立實(shí)時(shí)調(diào)控的技術(shù)要求，達(dá)到了匹配各種機(jī)械系統(tǒng)固有頻率和各種物料傳送要求的目的。通過對(duì)功率控制PWM管理程序的優(yōu)化設(shè)計(jì)，已經(jīng)在多種形式的電磁振動(dòng)送料機(jī)械系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)物料傳送速度和傳送間距的精確控制，達(dá)到了針對(duì)每臺(tái)振動(dòng)送料裝置定制最佳機(jī)電參數(shù)匹配的工藝設(shè)計(jì)要求。

[1]杜玉明,關(guān)志華,吳瑞,等.壓電式振動(dòng)給料機(jī)的技術(shù)反求[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，1999(4)：18-20.

[2]祝水琴,牛鳳蓮.電磁振動(dòng)給料系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真分析與研究[J].礦山機(jī)械，2009(7)：44-46.

[3]魏澤鼎,閻濤.振動(dòng)上料裝置的機(jī)電參數(shù)研究[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009(9)：230-233.

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[5]International Rectifier Corporation.SMPS MOSFET IRFP22N50A Data Sheet[M].California,United States of America:International Rectifier Corporation,2006.

[6]International Rectifier Corporation.IR2118 Single Channel Driver Data Sheet[M].California,United States of America:International Rectifier Corporation,2008.

[7]Microchip Technology Inc.Matching MOSFET Drivers to MOSFETs [M].Arizona,United States of America:Microchip Technology Inc, 2004.

[8]Microchip Technology Inc.An Introduction to AC Induction Motor Control Using the dsPIC30F/dsPIC33F DSC[M].Arizona,United States of America:Microchip Technology Inc,2005.

Design of digital variable frequency power supply for vibration feeder

HAN Dong-lin,WANG Cheng-sheng

Using integrated power control PWM module enhanced MCU PIC18F4431 as the main controller chip,the hardware and software design task of digital variable frequency power supply for vibration feeder was completed. Independent real-time control function of the power supply output frequency and output voltage was realized.The design was verified.

variable frequency power supply;vibration feeder;PIC18F4431;power control PWM module

TM 571

A

1002-087 X(2015)03-0597-03

2014-08-25

韓冬林(1966—)，男，天津市人，正高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)閭鞲衅髋c電控技術(shù)。