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    基于PWM技術的大功率超聲波換能器電源設計

    發布:2020/5/9 15:03:55人氣:1455
    近年來隨著科學技術的不斷發展,超聲技術廣泛地應用在軍事、航海、工業生產、家用電器等行業。我國目前所用的超聲波裝置主要采用壓電陶瓷做超聲波換能頭,其輸出功率受到限制(僅幾百瓦左右)自甘肅某稀土功能材料有限公司研發成功具有磁致伸縮效應的稀土功能材料后,為生產大功率超聲波裝置提供了性能良好的換能器材料,而研發高效率、性能優良的超聲波換能器電源成為當務之急。該文基于PWM技術,應用單片機組成智能控制系統,對高性能、大功率超聲波換能器電源進行了設計與實現。
     
    1.系統硬件電路構成
    系統采用Intel80C196MC單片機作為控制核心,主要考慮其輸出信號將控制逆變器,而Intel80C196MC是一種專門為控制逆變器設計的單片機。其內部有一個稱為WG的PWM驅動信號發生器,占用CPU時間非常短,可由P6口直接輸出4路SPWM信號用于IPM的驅動。系統包含交-直-交主電路、基極驅動電路、單片機控制系統、電壓、電流顯示以及保護等主要環節。系統硬件電路構成如圖1所示。
    1.1交一直一交主電路
    主電路整流器采用單相半控橋式整流模塊,由市電20V直接供電,以實現大功率超聲波換能器電源的電壓調節。逆變器則使用的PM9RSA120智能功率模塊,其內部的4只ICBT可用作4個逆變橋臂。IPM內部集成有各路IGBT的驅動電路及異常情況檢測電路,如過壓、過流、過溫等。當檢測信號之一不正常時,其PO輸出端變為低電平,送至80C19%MC的 EXTINT端,發出相應故障信號。
    1.2單片機控制系統
    系統由 Intel8OC19%MC、 EPROM2764構成ZUI小微機系統,完成超聲波頻率給定,載頻頻率設定,模擬輸出單極性正弦波恒幅脈寬調制信號SPWM,可實現電壓、頻率電流顯示以及過壓、過流、過溫保護控制。
    1.3SPWM信號的形成
    脈寬調制逆變器簡稱PWM。其基本原理是控制逆變器開關元件的導通和關斷時間比來控制交流電壓的大小和頻率。系統采用單極性正弦波恒幅脈寬調制方法( SPWM)。調制原理見圖2。在單極性調制時,U與U始終保持同極性的關系,即正弦波處于正半周時,載頻信號在正值范圍內變化,產生正的調制脈沖列。而正弦波處于負半周時,載頻信號通過倒相電路變成負值范圍內變化,產生負的調制脈沖列。根據在正弦波半周內載頻信號的頻率,可以確定產生調制脈沖的數目,這樣也同時決定了控制各功率開關管的通斷次數。
    SPWM產生的調制波是一系列等幅、等距而不等寬的脈沖列。其調制的基本特點是在半個周期內,中間位置的脈沖寬,兩邊的脈沖窄,各個脈沖之間等距,而脈寬和正弦曲線下的積分面積成正比,脈寬基本上成正弦分布。經倒相后正半周輸出正脈沖列,負半周輸出負脈沖列。在單片機控制時,可在EPROM中存入正弦函數的周期值、載頻信號的周期值以及與對應的正弦曲線下的積分面積成正比的各脈寬值,然后通過查表和加減移位運算,將正弦函數的周期值、采樣周期內的時間間隔Toff與脈寬Tpm的值一并送入定時器,利用定時中斷接口電路送出相應的高低電平,實時產生SPWM波形的一系列脈沖。
    1.4光電隔離及驅動電路
    門極驅動隔離電路如圖3。該電路可實現對80C196MC的四路SPWM信號與IPM的光電隔離,并實現驅動和電平轉換功能。光耦采用6N137(高速光隔),三極管選用高頻開關管,供電電壓15V,該三極管可將來自光耦的TTL電平轉換為IPM的門極驅動信號。
    2.系統軟件設計
    2.1主程序
    主程序流程如圖4所示。包含初始化子程序、SPWM信號產生子程序和顯示子程序。初始化子程序由80C196對PM59RSA120進行初始化,并對單片機本身的各I/O口、定時器等設定工作方式。
    SPWM信號產生子程序將由單片機產生單極性恒幅正弦波脈寬調制模擬信號,通過給定兩個計數常數(正弦波周期值和載頻周期值),查表依次取得各調制脈寬值,經CPU運算后,由I/0口輸出SP-WM信號,再經光電隔離、電平轉換后,去控制各功率開關管的通斷。
    顯示子程序可對電壓與電流信號進行定時采樣、A/D轉換后,經I/O口輸出,進行動態顯示。系統還可對超聲波電源頻率進行設定、顯示。
    2.2中斷服務子程序
    中斷服務子程序流程如圖5所示。當IPM智能功率模塊出現過壓、過流、過溫等異常情況時,其PO輸出端變為低電平,送到80C196MC的EXTINT端,使單片機產生中斷,發出相應故障信號,并封鎖SPWM輸出信號。
     
    3.結束語
    基于PWM技術的大功率超聲波換能器電源由于采用單片機智能控制系統,從而使電源頻率可實現人工設定,輸出電壓亦可通過調節可控整流角α而改變,單片機輸出的SPWM模擬信號可使硬件電路簡化,系統功率因數與效率大大提高,同時采用高頻調制后可獲得高質量的輸出電流波形,抑制了高次諧波,使換能器損耗減小,從而可為大功率超聲波換能器在各個領域的應用提供性能優良的電源。
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