??? 摘? 要: 針對(duì)新型稀土功能材料作大功率超聲波換能器件需要性能優(yōu)良的配套超聲波電源,介紹了一種應(yīng)用單片機(jī)產(chǎn)生SPWM信號(hào)、由IPM智能功率模塊組成的大功率超聲波電源系統(tǒng)的構(gòu)成、工作原理和軟件設(shè)計(jì)思想。?
??? 關(guān)鍵詞: 超聲波換能器? SPWM? 大功率超聲波電源? IPM智能模塊
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??? 隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、電子技術(shù)及信號(hào)處理技術(shù)的飛速發(fā)展,超聲波在成像無損檢測、測距、超聲清洗、焊接應(yīng)力釋放、無損探傷、醫(yī)療等領(lǐng)域獲得了非常廣泛的應(yīng)用[3～4]。近年來,由于新型稀土功能材料的開發(fā)與研制成功,使制造大功率超聲波換能器成為可能。因此,與超聲波換能器配套的性能優(yōu)良的大功率超聲波電源的研制,則顯得非常重要。本文基于PWM技術(shù),應(yīng)用單片機(jī)組成智能控制系統(tǒng),對(duì)高性能、大功率超聲波電源的制造技術(shù)進(jìn)行了研究。?
1 系統(tǒng)的硬件電路構(gòu)成?
??? 本系統(tǒng)采用Intel80C196MC單片機(jī)作為控制核心,它是一種專門為控制逆變器設(shè)計(jì)的單片機(jī)。其輸出信號(hào)將控制逆變器。智能功率模塊作逆變器,單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)稱為WG的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器,占用CPU時(shí)間非常短,可由P6口直接輸出4路SPWM信號(hào)用于IPM的驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)包含交-直-交主電路、基極驅(qū)動(dòng)電路、單片機(jī)控制系統(tǒng)、SPWM信號(hào)形成電路、電壓顯示、電流顯示以及保護(hù)等主要環(huán)節(jié)。系統(tǒng)硬件電路構(gòu)成如圖1所示。?
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1.1 交-直-交主電路?
??? 主電路整流器由市電220V直接供電,采用單相半控橋式整流模塊,以實(shí)現(xiàn)大功率超聲波電源的電壓調(diào)節(jié)。逆變器則使用三菱公司專門設(shè)計(jì)的PM59RSA120功率模塊,其內(nèi)部的四只IGBT可用作四個(gè)逆變橋臂。IPM內(nèi)部集成有各路IGBT的驅(qū)動(dòng)電路及過壓、過流、過溫等異常情況檢測電路。當(dāng)檢測信號(hào)之一不正常時(shí),其F0輸出端變?yōu)榈碗娖?送至80C196MC的EXTINT端,發(fā)出相應(yīng)故障信號(hào)[2]。?
1.2 單片機(jī)控制系統(tǒng)?
??? 本系統(tǒng)由Intel80C196MC、EPROM2764構(gòu)成最小微機(jī)系統(tǒng),完成超聲波頻率給定、載頻頻率設(shè)定,模擬輸出單極性正弦波恒幅脈寬調(diào)制信號(hào)SPWM,可實(shí)現(xiàn)電壓、頻率、電流顯示以及過壓、過流、過溫保護(hù)控制。?
1.3 SPWM信號(hào)的形成?
??? 脈寬調(diào)制逆變器簡稱PWM。其基本原理是控制逆變器開關(guān)元件的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間比來控制交流電壓的大小和頻率。本文采用單極性正弦波恒幅脈寬調(diào)制方法(SPWM)。調(diào)制原理見圖2。在單極性調(diào)制時(shí),uc與ur始終保持同極性的關(guān)系,即正弦波處于正半周時(shí),載頻信號(hào)在正值范圍內(nèi)變化,產(chǎn)生正的調(diào)制脈沖列。而正弦波處于負(fù)半周時(shí),載頻信號(hào)通過倒相電路變成在負(fù)值范圍內(nèi)變化,產(chǎn)生負(fù)的調(diào)制脈沖列。根據(jù)在正弦波半周內(nèi)載頻信號(hào)的頻率,可以確定產(chǎn)生調(diào)制脈沖的數(shù)目,這樣也就同時(shí)決定了控制各功率開關(guān)管的通斷次數(shù)。?
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??? SPWM產(chǎn)生的調(diào)制波是一系列等幅、等距而不等寬的脈沖列。其調(diào)制的基本特點(diǎn)是在半個(gè)周期內(nèi),中間的脈沖寬,兩邊的脈沖窄,各個(gè)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(jīng)倒相后正半周輸出正脈沖列,負(fù)半周輸出負(fù)脈沖列。在單片機(jī)控制時(shí),可在EPROM中存入正弦函數(shù)的周期值、載頻信號(hào)的周期值以及與對(duì)應(yīng)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(yùn)算,將正弦函數(shù)的周期值、采樣周期內(nèi)的時(shí)間間隔Toff與脈寬Tpm的值一并送入定時(shí)器,利用定時(shí)中斷接口電路送出相應(yīng)的高低電平,實(shí)時(shí)產(chǎn)生SPWM波形的一系列脈沖[1]。?
1.4光電隔離及驅(qū)動(dòng)電路?
??? IPM門極驅(qū)動(dòng)隔離電路見圖3。該電路可實(shí)現(xiàn)對(duì)80C196MC的四路SPWM 信號(hào)與IPM的光電隔離,并實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和電平轉(zhuǎn)換功能。光耦采用6N137(高速光隔),三極管選用高頻開關(guān)管,供電電壓15V,該三極管可將來自光耦的TTL電平轉(zhuǎn)換為IPM的門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)[2]。?
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2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)?
2.1主程序?
??? 主程序流程圖如圖4所示。包含初始化子程序、SPWM信號(hào)產(chǎn)生子程序和顯示子程序。初始化子程序中,80C196對(duì)IPM智能功率模塊PM59RSA120進(jìn)行初始化,并對(duì)單片機(jī)本身的各I/O口、定時(shí)器等設(shè)定工作方式。?
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??? SPWM信號(hào)產(chǎn)生子程序中,由單片機(jī)產(chǎn)生單極性恒幅正弦波脈寬調(diào)制模擬信號(hào),通過給定兩個(gè)計(jì)數(shù)常數(shù)(正弦波周期值和載頻周期值),查表依次取得各調(diào)制脈寬值,經(jīng)CPU運(yùn)算后,由I/O口輸出SPWM 信號(hào),再經(jīng)光電隔離、電平轉(zhuǎn)換后,去控制各功率開關(guān)管的通斷[5]。?
??? 顯示子程序可對(duì)電壓與電流信號(hào)進(jìn)行定時(shí)采樣,A/D轉(zhuǎn)換后,經(jīng)I/O口輸出,進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示。本系統(tǒng)還可對(duì)超聲波電源頻率進(jìn)行設(shè)定、顯示。?
2.2中斷服務(wù)子程序?
??? 當(dāng)IPM智能功率模塊出現(xiàn)過壓、過流、過溫等異常情況時(shí),其F0輸出端變?yōu)榈碗娖?送到80C196MC的EXTINT端,使單片機(jī)產(chǎn)生中斷,發(fā)出相應(yīng)故障信號(hào),并封鎖SPWM 輸出信號(hào)。?
??? 基于PWM技術(shù)的大功率超聲波電源由于采用單片機(jī)智能控制系統(tǒng),從而使電源頻率可實(shí)現(xiàn)人工設(shè)定,輸出電壓亦可通過調(diào)節(jié)可控整流角α而改變;單片機(jī)模擬輸出的SPWM信號(hào)可使硬件電路簡化,系統(tǒng)功率因數(shù)與效率大大提高;同時(shí)采用高頻調(diào)制后可獲得高質(zhì)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(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供性能優(yōu)良的超聲波電源。?
參考文獻(xiàn)?
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