耿海云

摘 ?要：超聲波電源的穩(wěn)定性以及工作性能對金屬微納加工領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。該文論述了實用STM32單片機(jī)進(jìn)行PWM信號輸出并給予PID算法實現(xiàn)對輸出功率的閉環(huán)控制，實現(xiàn)電源穩(wěn)定的功率輸出。通過仿真實驗表明，基于PWM功率控制的超聲波電源能夠?qū)崿F(xiàn)功率以及工作頻率可以調(diào)整的功能，符合金屬微納加工領(lǐng)域的應(yīng)用要求。

關(guān)鍵詞：超聲波電源 ?PWM ?功率控制 ?研究

中圖分類號：TB559 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）07（a）-0051-02

超聲波電源在工作過程中會因為工作電壓變化以及負(fù)載特性的變化導(dǎo)致電源的輸出偏離工作的實際需求，造成加工精度降低等方面的實際影響。因此設(shè)計能夠進(jìn)行頻率自動跟蹤以及功率自動調(diào)整的超聲波電源就顯得尤為重要。采用移相脈沖寬度進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，并對電路的頻率進(jìn)行跟蹤具有重要的理論意義與實際應(yīng)用價值。論述了電路的工作原理，并采用Simlink對所設(shè)計的電路進(jìn)行了仿真分析，結(jié)論說明，設(shè)計的產(chǎn)品符合加工的實際要求。

1 ?超聲波電源原理

超聲波電源的工作頻率范圍一般為20～30kHz，工作基本原理是基于AC-DC-AC的基本結(jié)構(gòu)。超聲波電源為了能夠?qū)崿F(xiàn)自動功率控制需要能夠?qū)﹄妷哼M(jìn)行對應(yīng)的控制，通過對逆變后的交流電壓的有效值實現(xiàn)控制可以實現(xiàn)對電路輸出功率的控制。在超聲波電源中對電壓的控制是通過對占空比進(jìn)行調(diào)整實現(xiàn)的。為了能夠適應(yīng)負(fù)載的要求，超聲波電源電路要能夠設(shè)計具有頻率自動跟蹤以及自動穩(wěn)定的匹配電路，并對工作狀態(tài)實施有效跟蹤，保證負(fù)載工作在固有頻率的有效范圍內(nèi)。電源工作過程中220V的交流信號經(jīng)過整流電路以及LC濾波以及降壓后變成了直流信號，直流電壓信號經(jīng)過逆變電路后再經(jīng)過高頻變壓器轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的交流電信號。降壓電路中的IGBT管采用了RC緩沖電路，如果系統(tǒng)采用了大容量的IGBT則需要采用緩沖電阻增加電路的總阻抗，防止極電流電流過大引起系統(tǒng)的短路。逆變電路的IGBT管要能夠采用RCD電路作為保護(hù)電路，以適應(yīng)產(chǎn)品高頻工作的需求。系統(tǒng)中應(yīng)用的IR2110是在功率控制中常用的一種開關(guān)器件，一般作為驅(qū)動器實用，IR2110能夠?qū)崿F(xiàn)對電壓較高的主電路系統(tǒng)的有效驅(qū)動，在高頻工作情況下能夠穩(wěn)定工作。產(chǎn)品的輸入輸出延時較短，一般延時都能夠控制在納秒級。同時系統(tǒng)采用了一路電源實現(xiàn)了對半橋的有效控制，系統(tǒng)能夠具有電源欠壓時自動保護(hù)的功能。超聲波電源的工作原理圖如圖1所示。

2 ?電源頻率跟蹤控制電路

移相閉環(huán)控制實現(xiàn)頻率跟蹤，系統(tǒng)中采用CD4046鎖相環(huán)實現(xiàn)。CD4046集成鎖相環(huán)電路具有鑒相、源極跟隨電路、運(yùn)算放大單元以及壓控振蕩器等單元模塊構(gòu)成。在工作過程中當(dāng)輸入信號放大后，進(jìn)行電容濾波，濾除去信號的高頻的干擾成分，經(jīng)過低頻放大后將信號輸入到鑒相器1與鑒相器2中去，通過相位之間的差異可以得出誤差電壓的差異，通過壓控振蕩器可以實現(xiàn)電壓差異與頻率差異的轉(zhuǎn)換，最后可以通過頻率的差異進(jìn)行調(diào)整，實現(xiàn)頻率的閉環(huán)有效控制。為了能夠讓超聲波電源的可靠性更強(qiáng)，在控制中采用了PID控制算法，通過對電壓與電流信號的采樣、量化以及編碼可以實現(xiàn)對采集模擬信號的數(shù)字化處理，數(shù)字化的功率值與系統(tǒng)設(shè)定的值進(jìn)行比較，如果存在偏差就采用PID電路進(jìn)行計算，根據(jù)計算可以讓輸出值去改變開關(guān)信號的占空比，并通過PWM的程序進(jìn)行相位角的控制，精確實現(xiàn)功率的調(diào)節(jié)。

3 ?系統(tǒng)建模仿真以及測試結(jié)果分析

對超聲波電源的仿真主要是對其整流模塊、逆變模塊以及輸出模塊以及對應(yīng)的匹配電路進(jìn)行分析。在Simlink系統(tǒng)中將功率反饋控制以及PWM頻率反饋控制封裝為對應(yīng)的子系統(tǒng)功能模塊。功率反饋電路檢測系統(tǒng)的感測電壓以及電流信號，通過功率運(yùn)算模塊實現(xiàn)與系統(tǒng)設(shè)置功率的比較，并通過計算形成功率偏差，系統(tǒng)采用PID算法對整流測電壓進(jìn)行相乘可以作為電流反饋的參考值，最后通過信號調(diào)制，輸出驅(qū)動脈沖的信號。該系統(tǒng)中設(shè)置匹配感抗為247uH，匹配容抗為24uF，系統(tǒng)動態(tài)阻抗為100Ω，工作在20kHz頻率，系統(tǒng)的電壓電流仿。

從仿真的最終結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，超聲波電源的電流超前電壓0.5pI個相位，電壓有效值達(dá)到950V以上，系統(tǒng)總體的感抗可以決定電源的電壓以及電流的相位差。根據(jù)采用的Simlink軟件對在超聲波復(fù)合加工制備金屬納米空心球的實驗以及工作的電壓與電流波形可以得出，系統(tǒng)工作在固有頻率也就是20kHz，系統(tǒng)工作的諧振狀態(tài)，電源得到了最為可靠的輸出狀態(tài)，滿足了加工系統(tǒng)對于電源的基本要求。

4 ?結(jié)語

該文采用了STM32高速單片機(jī)設(shè)計了基于移相技術(shù)的PWM功率控制的超聲波電源，CD40046鎖相電路能夠?qū)崿F(xiàn)對電源的頻率的有效跟蹤以及輸出功率的閉環(huán)調(diào)整。通過Simlink軟件對系統(tǒng)的工作效果進(jìn)行了仿真分析，實驗結(jié)果表明，產(chǎn)品的頻率以及輸出功率穩(wěn)定性良好，具有優(yōu)異的負(fù)載特性，能夠在加工過程中實現(xiàn)超聲波電源系統(tǒng)的調(diào)整，并對諧振頻率的漂移進(jìn)行有效跟蹤并進(jìn)行校正?；谝葡嗉夹g(shù)的PWM功率控制的超聲波電源具有良好的市場前景與實際應(yīng)用價值。

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