基于STM32的超声电源研制

李晓东，胡红斐，唐勇军,2，许俊，莫远东

（1.广东工业大学机电工程学院，广东广州 510006；2.上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室，上海 200240）

基于STM32的超声电源研制

李晓东1，胡红斐1，唐勇军1,2，许俊1，莫远东1

（1.广东工业大学机电工程学院，广东广州 510006；2.上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室，上海 200240）

介绍了一种基于STM32的超声电源，其利用DDS芯片直接合成需要的PWM驱动波形，死区时间由单稳态触发器来调节，采用最大电流反馈跟踪及锁相跟踪相结合的方式来实现频率跟踪。通过调节STM32输出PWM信号的占空比，从而控制半桥变换器，使其保持功率恒定。实验表明，本电源具有跟踪精度高、成本低、工作稳定的特点。

超声电源；STM32；DDS；死区控制

超声加工电源的作用是将工频交流电转换成超声频电信号，以激励换能器实现电声转换，再由变幅杆将振幅放大，推动工具头对工件进行加工。随着现代电子技术的发展，目前在超声电源中广泛使用单片机、DSP、FPGA等作为控制器，使超声电源朝着数字化、智能化的方向发展[1]。当超声振动系统的谐振频率发生缓慢漂移时，要求电源输出频率，即PWM信号发生器的输出频率能自动跟踪超声振动系统的谐振频率，这就对其频率分辨率提出了要求。常用的生成PWM信号的方法有：利用专用的PWM控制芯片，如TL494、SG3525等；利用微处理器直接发出PWM信号。利用专用的集成芯片来生成PWM，使用简单，但控制不灵活，很难用单片机等微处理器来调节电源参数；而利用微处理器来直接生成PWM信号，由于受微处理器自身工作频率所限，频率分辨率不高，不能实现高精度的频率跟踪[2]。本文结合STM32单片机及DDS芯片研制了一台频率跟踪精度高、工作可靠的超声电源。

1 电源整体方案设计

超声电源的整体方案见图1。利用STM32 F103RCT6控制器结合DDS芯片AD9850产生两路互补的PWM信号，再由单稳态触发器形成死区时间固定的两路驱动信号。STM32F103RCT6内部的AD模块可采集换能器两端的电流、电压幅值及相位检测电路输出的相位差信息，从而根据上述采样信息调节自身PWM模块的输出占空比及写给AD 9850芯片的控制字，以达到调节功率及频率跟踪的目的。

图1 超声电源整体方案图

STM32控制器的PWM模块可直接产生两路互补的、带死区的PWM信号[3]，通过控制半桥变换器的占空比，达到调节输出功率的目的。

2 DDS模块

DDS技术是一种利用数字控制信号的相位增量技术，具有频率分辨率高、稳定性好、可灵活产生多种信号等优点。

典型的DDS产品有AD9833、AD9834、AD9850、Q2220、Q2230、Q2368等。其中，AD9850采用创新性的高速DDS核心控制器，提供32位的频率控制字，在最高时钟频率125 MHz下，可达到0.0291 Hz的频率分辨率；其与微控制器的接口既可采用串口模式，也可采用并口模式。综合考虑本电源的需求及成本，决定采用AD9850芯片，其引脚排列见图2，功能模块见图3。

图2 AD9850芯片引脚图

AD9850内部拥有可编程DDS模块和高速比较器，能实现全数字编程控制的频率合成。其高速DDS核心是相位累加器，它由一个加法器和一个32位相位寄存器组成。当接收到一个外部参考时钟，相位寄存器便以步长M递加。相位寄存器的输出与相位控制字相加后，可输入至正弦查询表地址上。正弦查询表包含一个正弦波周期的数字幅度信息，每一个地址对应正弦波中0°～360°范围的一个相位点。查询表把输入地址的相位信息映射成正弦波幅度信号，然后驱动DAC，以输出两路互补的电流。DAC的输出经过低通滤波器后再输入到AD9850内部的高速比较器，即可输出方波信号。

图3 AD9850功能模块图

AD9850的输出频率由式（1）确定：式中：fOUT为输出信号的频率，MHz；Δphase为32位频率控制字的值；CLKIN为输入参考时钟频率的值，MHz。

AD9850的外围电路见图4。其中，外部有源晶振为125 MHz，21脚输出正弦波，经低通滤波器后输入至16脚，即可在13、14脚输出两路互补的方波信号。

图4 AD9850的外围电路

3 死区控制

由于DDS模块输出的两路PWM信号不带死区，这就需通过硬件电路形成死区。一般利用触发器来实现延时导通；但由于本超声电源采取最大电流法结合锁相的方法实现频率跟踪，搜索最大电流时不可避免地要改变电源的输出频率，同时在跟踪过程中也要不断改变电源的输出频率。通常，D触发器的延时长短与其时钟频率有关，从而可能造成频率改变时死区为零的现象，这对于桥式逆变电路来说是十分危险的，也是绝对不允许出现的。

单稳态触发器具有以下工作特点：①在无触发信号作用时，电路处于一种稳定状态；②在触发信号作用下，电路由稳态翻转至暂稳态；③由于电路中RC延时环节的作用，暂稳态经一段时间后，电路会自动返回至稳态，而暂稳态的持续时间取决于RC参数值。这些特点使单稳态触发器可生成固定宽度的死区脉冲。两路互补的方波分别与形成的死区脉冲相异或，就能输出死区时间固定的两路驱动波形。具体应用电路见图5，其中一路PWM驱动信号死区形成的实际波形见图6。

图5 死区形成电路

图6 死区形成实际波形图

由于单稳态触发器CD4538内部的延迟，异或门CD4070的两个输入信号不可能完全同步，从而造成该组合逻辑电路的竞争现象，结果输出了与所需驱动波形频率相同、幅值相等的毛刺（图7）。经观测，毛刺正频宽约80 ns。该毛刺对桥式逆变电路来说是绝对不允许的，必须要消除。消除竞争冒险的方法一般有：修改逻辑设计、增加冗余项、增加选通脉冲、增加关断脉冲和输出端加滤波电容等。经综合考虑及实验调试，本电源最终采用了加滤波电容的方法来消除毛刺。消除毛刺后的驱动波形见图8。

图7 异或门输出的一路带有毛刺的驱动波形

图8 毛刺消除后的两路驱动波形

4 频率跟踪方案与实现

本文采用最大电流反馈法结合相位的方法来实现频率跟踪。最大电流反馈法实现的关键是要采集到能表示交流电流大小的真有效值。本文采用的真有效值转换芯片AD637，具有很高的精度，输入信号的有效值在0～2 V范围时，输出真有效值的最大非线性误差仅为0.02%。

有效值转换电路见图9。15脚接输入电流信号，真有效值转换芯片AD637及其外围RC组成2极点Sallen-Key滤波器，16脚输出电流的真有效值。

图9 有效值转换电路

相位法的实现需获得电压、电流的相位信息。这就需要电压、电流相位检测电路（图10），采样回来的电压、电流信号经高速双通道比较器LM319组成的过零比较器，变成了低电平为0的方波信号。LM319输出的电压、电流信号分别接入CD4013的D端和CLK端，则Q端输出一个指示电压、电流相位信息的标志信号flag，其高电平表示电压超前电流，低电平表示电流超前电压。同时，LM319输出的电压、电流信号经CD4070异或，输出一个方波信号Err，其占空比就代表了相位差的大小。

图10 相位检测电路

AD637的输出Vrms_out和相位差检测电路输出的flag、Err信号经STM32采集后，通过谐振频率搜索及相位法跟踪后，可使电源输出频率与系统的谐振频率保持一致。

频率跟踪流程见图11。系统完成初始化后，在设定的扫频范围内根据最大电流法搜索超声振动系统的谐振频率。搜索完成后，将找到的电流有效值最大时对应的电源输出频率设定为初始工作频率，并开始检测电压、电流的相位差信息。如果相位差绝对值Err小于设定值ΔErr（ΔErr根据DDS芯片的分辨率及实验确定）时，认为系统工作于谐振状态，不需改变电源输出频率；如果Err大于ΔErr，则根据flag信号的状态来确定是增加输出频率还是减小输出频率。频率改变后继续比较Err与ΔErr的大小，如此循环，即可使电源的输出频率跟踪到系统的谐振频率。

图11 频率跟踪流程图

完成频率跟踪后的电压、电流波形见图12。可看出，电压、电流相位差基本为零，实验中使用的换能器由阻抗分析仪测得的谐振频率为32.707 kHz，电源跟踪的谐振频率为31.362 kHz。由于本电源采用串联电感匹配，系统的固有谐振频率变小。电源运行一段时间后，随着温度的变化，换能器谐振频率会发生漂移，AD9850模块的频率分辨率可达0.02 Hz；实际中，将跟踪精度控制为1 Hz，能很好地实现频率自动跟踪。

图12 频率跟踪波形

5 结语

本文利用STM32单片机和DDS芯片AD9850，实现了频率自动跟踪和功率的控制。STM32内部自带的AD模块及带死区控制的PWM模块能使硬件电路大大简化，DDS芯片又保证了频率跟踪的高精度。实验结果表明本电源频率跟踪精度高、速度快、工作稳定、性能可靠。

[1]冯平法，郑书友，张京京.功率超声加工关键技术的研究进展[J].制造技术与机床，2009（9）：57-62.

[2]曾东红.数字化超声电源系统的研究与设计[D].长沙：湖南师范大学，2011.

[3]李小雪，汪东，李平，等.基于DDS的超声换能器频率跟踪系统[J].压电与声光，2009，31（5）：692-694.

The Study on the Ultrasonic Power Supply Based on STM32

Li Xiaodong1，Hu Hongfei1，Tang Yongjun1,2，Xu Jun1，Mo Yuandong1
（1.Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China；2.Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

An ultrasonic power based on STM32 and DDS has been designed.The high speed DDS controller generates the PWM signal required to drive the half bridge inverter，of which the dead-time is controlled by a mono-stable multi-vibrator.The frequency tracing，one of the most important function of ultrasonic power supply，has used the method of maximum current feedback and PLL-method.By adjusting the duty cycle of PWM signal generated by STM32，the output of the half-bridge inverter can be stabilized and adjusted according to the load impedance.The experiment results show that the ultrasonic power supply can provide high frequency tracing accuracy，and performance stability.The total cost of the whole system is low.

ultrasonic power；STM32；DDS；dead-time control

TG663

A

1009－279X（2014）05－0050-04

2013-12-27

国家自然科学基金资助项目（51275097）；机械系统与振动国家重点实验室开放基金资助项目（MSV-2013-08）

李晓东，男，1988年生，硕士研究生。