3D打印机稳压电源系统设计与测试

张晓龙

摘 要：3D打印机的高精度控制对3D打印技术进步有着重大意义，本研究对3D打印机稳压电源系统设计与测试进行了研究，提出了有效的基于3D打印机的不断电稳压滤波电源设计方案，为进一步提升打印精度提供了可行的技术支持。

关键词：3D打印机；高精度控制；稳压电源系统

3D打印机作为3D领域的一种前瞻性产品，带来了世界性制造业的革命，无需机械加工或模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的物体，目前成为一种潮流正迅猛发展。但其发展仍然存如成本、材料、标准与软件、成形精度等许多问题。尤其是其成形精度对其应用范围有着直接的影响，因此实现3D打印机的高精度控制对3D打印技术进步有着重大意义。

1.系统结构

为了给3D打印机提供更高质量的电源，设计的不断电滤波穩压电源由主电路、控制电路和保护电路共同组成 。由交流电网输入的220V、50Hz交流电一方面经整流环节，输出198V直流电，经滤波环节供给DC-DC变换电路，这里的DC-DC变换电路采用的是降压斩波电路，经降压变换电路将电压降至13.33V，再经滤波环节滤除谐波，最后经逆变环节逆变为12V交流电供给电机。另一方面，由电网输入的交流电经充电回路给蓄电池充电，一旦打印过程中停电，便由蓄电池代替整流回路给后续环节供电，从而保证了打印过程的连续完整。

1.1主电路设计

（1）整流部分

整流电路选用由电力二极管构成的单相桥式不可控整流电路。该电路具有结构简单、成本低、控制简单等优点。将由交流电网输入的220V、50Hz交流电整流成为直流电，经感容滤波器得到近似平直的直流电。

输出电压Ud1的大小由以下公式得到：

Ud1=0.9U输入（1-（1）

其中U输入为220V。

（（2）DC-DC变换电路

DC-DC变换电路选用由POWERMOSFET、电力二极管等构成的降压斩波电路（BuckChopper）。该电路具有易于驱动、电压电流容量较大等优点。将经过整流滤波的u1降压得到u2。

输出电压Ud2的大小由以下公式得到

Ud2=Ud1*ton/T （1-（2）

其中ton为电路中POWER MOSFET导通的时间，T为开关周期长度。

控制方式选用脉冲宽度调制，即保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton，从而将Ud2调整为期望值。

（3）滤波环节

滤波环节采用由运算放大器等构成的压控电压源二阶低通滤波器。该滤波器具有滤波效果好、不会产生自激振荡等优点。将谐波滤除，得到谐波含量较低的电压。

（4）逆变电路

逆变电路采用由POWER MOSFET等构成的单相电压源型全桥逆变电路。该电路具有开关电流小、管子承受的反压低等优点。将经过滤波的直流电u3逆变成为交流电u4。

（5）充电回路

蓄电池的充电方式有恒电流充电和恒电压充电两种。采用恒电流和恒电压相结合的二阶段快速充电方法，首先，以恒电流充电至预定的电压值，然后，改为恒电压完成剩余的充电。一般两阶段之间的转换电压就是第二阶段的恒电压，采用芯片UC3842进行控制。其本质就是个具有限流稳压功能的开关电源，只要将额定电压，浮充电压，恒流充电电流设置恰当，就能使蓄电池的充电过程基本上沿着理想的充电曲线进行，从而延长蓄电池的使用寿命。

（6）蓄电池

考虑到电压、容量等问题，蓄电池采用12V的蓄电池17节。

1.2驱动保护电路的设计

上述各模块中采用的可控型器件均为POWERMOSFET，由于POWERMOSFET是电压控制型器件，因此只要控制POWERMOSFET的栅极电压就可以使其开通或关断，并且开通时维持比较低的通态压降。研究表明，POWERMOSFET的安全工作区和开关特性随驱动电路的改变而变化。

2.系统控制

系统的控制以实现整个系统的不断电稳压且谐波含量尽可能低为目标，主要分为不断电控制、稳压控制两方面 。

2.1不断电控制

不断电控制主要体现在系统断电时立刻用蓄电池代替整流环节对后续环节进行供电。为达到以上要求，准备在整流滤波输出点设置A/D采样点，采样频率设置为10KHz，采样数据实时反馈给控制器，若连续三次A/D采样结果均为0V则认为系统断电，使蓄电池连入电路中为电路供电。

2.2稳压控制

稳压控制主要体现在系统输出电压一直维持在接近恒定水平。

为达到以上要求，准备在降压斩波电路、滤波逆变三个模块的输出点分别设置A/D采样点，采样频率设置为10KHz，采样数据实时反馈给控制器，控制器通过将采样回的值与预先设定的电压值进行比较得到差值，当系统出现电压波动时均可通过PID算法调节降压斩波电路和逆变电路的触发角以保证输出电压维持在设定的稳定值。

2.3滤波电路设计

为滤除用户端谐波等各种谐波，以避免谐波对打印精度的影响，计划在各个环节后面加入滤波电路，考虑到常用的RC滤波电路会消耗有功功率，降低电源的功率因数，计划选用LC滤波电路进行滤波，在有效滤波的同时又不会消耗有功功率，以保证电源功率因数维持在一个较高的水平。

3.系统调试及性能分析

3.1滤波器参数计算

为了保证滤波器的滤波效果，必须保证滤波器的转折频率远远大于基波频率，通常取滤波器的转折频率为基波频率的5～10倍，开关频率也为转折频率的5～10倍。确定了滤波器的转折频率之后，只要在确定电感或电容的大小就能确定滤波器的参数。

3.2 PI参数调试

考虑到PI控制快速且无静差的优点，在控制中我们选用了简便易行的PI控制，PI参数的调试主要在PSIM中进行，按照惯例，先调节P参数，后调节I参数，之前还考虑加入前馈控制，但是结果证明PI控制已经达到了很好地控制效果。

3.3程序编写

编程软件使用的是TI公司的CCS5.5，编程主要涉及了DSP的AD采样模块和PWM输出模块，中间设计了PI算法和IQMATH的使用 。

3.4仿真结果

我们用PSIM进行了仿真，仿真结果能较好的达到各项指标要求。得出最后逆变出的波形是十分标准的正弦波，畸变非常小，且经过各个滤波环节的滤波，谐波含量也非常的低。因此，我们设计的系统基本符合我们的设计目标。

4.总结

总之，3D打印机作为3D领域的一种前瞻性产品，是一种潮流正迅猛发展。针对3D打印机技术进行相关的研究具有时代意义。本研究针对提高3D打印电源供电的稳定性与可靠性，给3D打印机提供更高质量的电源，提出了以TMS320F28027为控制核心的不断电稳压滤波电源设计方案。系统调试及性能分析表明，该系统设计基本符合预期的设计目标，为实现3D打印机的高精度控制提供了技术支持。

参考文献：

[1]彭波，郑海忠，李淑贤，等.浅析3D打印机常见问题[J]. 科学技术创新， 2015（16）：153-154.

[2]徐军，王天伦. 3D打印机控制系统的设计[J].计算机测量与控制， 2017， 25（3）：51-54.

[3]杨亮，傅瑜等.基于嵌入式平台3D打印机研制[J].实验技术与管理， 2015， 32（1（2）：89-92.