基于PWM功率控制的超声波电源研究与设计

耿海云

摘  要：超声波电源的稳定性以及工作性能对金属微纳加工领域具有重要的应用价值。该文论述了实用STM32单片机进行PWM信号输出并给予PID算法实现对输出功率的闭环控制，实现电源稳定的功率输出。通过仿真实验表明，基于PWM功率控制的超声波电源能够实现功率以及工作频率可以调整的功能，符合金属微纳加工领域的应用要求。

关键词：超声波电源  PWM  功率控制  研究

中图分类号：TB559   文献标识碼：A 文章编号：1672-3791（2019）07（a）-0051-02

超声波电源在工作过程中会因为工作电压变化以及负载特性的变化导致电源的输出偏离工作的实际需求，造成加工精度降低等方面的实际影响。因此设计能够进行频率自动跟踪以及功率自动调整的超声波电源就显得尤为重要。采用移相脉冲宽度进行功率调节，并对电路的频率进行跟踪具有重要的理论意义与实际应用价值。论述了电路的工作原理，并采用Simlink对所设计的电路进行了仿真分析，结论说明，设计的产品符合加工的实际要求。

1  超声波电源原理

超声波电源的工作频率范围一般为20～30kHz，工作基本原理是基于AC-DC-AC的基本结构。超声波电源为了能够实现自动功率控制需要能够对电压进行对应的控制，通过对逆变后的交流电压的有效值实现控制可以实现对电路输出功率的控制。在超声波电源中对电压的控制是通过对占空比进行调整实现的。为了能够适应负载的要求，超声波电源电路要能够设计具有频率自动跟踪以及自动稳定的匹配电路，并对工作状态实施有效跟踪，保证负载工作在固有频率的有效范围内。电源工作过程中220V的交流信号经过整流电路以及LC滤波以及降压后变成了直流信号，直流电压信号经过逆变电路后再经过高频变压器转换为对应的交流电信号。降压电路中的IGBT管采用了RC缓冲电路，如果系统采用了大容量的IGBT则需要采用缓冲电阻增加电路的总阻抗，防止极电流电流过大引起系统的短路。逆变电路的IGBT管要能够采用RCD电路作为保护电路，以适应产品高频工作的需求。系统中应用的IR2110是在功率控制中常用的一种开关器件，一般作为驱动器实用，IR2110能够实现对电压较高的主电路系统的有效驱动，在高频工作情况下能够稳定工作。产品的输入输出延时较短，一般延时都能够控制在纳秒级。同时系统采用了一路电源实现了对半桥的有效控制，系统能够具有电源欠压时自动保护的功能。超声波电源的工作原理图如图1所示。

2  电源频率跟踪控制电路

移相闭环控制实现频率跟踪，系统中采用CD4046锁相环实现。CD4046集成锁相环电路具有鉴相、源极跟随电路、运算放大单元以及压控振荡器等单元模块构成。在工作过程中当输入信号放大后，进行电容滤波，滤除去信号的高频的干扰成分，经过低频放大后将信号输入到鉴相器1与鉴相器2中去，通过相位之间的差异可以得出误差电压的差异，通过压控振荡器可以实现电压差异与频率差异的转换，最后可以通过频率的差异进行调整，实现频率的闭环有效控制。为了能够让超声波电源的可靠性更强，在控制中采用了PID控制算法，通过对电压与电流信号的采样、量化以及编码可以实现对采集模拟信号的数字化处理，数字化的功率值与系统设定的值进行比较，如果存在偏差就采用PID电路进行计算，根据计算可以让输出值去改变开关信号的占空比，并通过PWM的程序进行相位角的控制，精确实现功率的调节。

3  系统建模仿真以及测试结果分析

对超声波电源的仿真主要是对其整流模块、逆变模块以及输出模块以及对应的匹配电路进行分析。在Simlink系统中将功率反馈控制以及PWM频率反馈控制封装为对应的子系统功能模块。功率反馈电路检测系统的感测电压以及电流信号，通过功率运算模块实现与系统设置功率的比较，并通过计算形成功率偏差，系统采用PID算法对整流测电压进行相乘可以作为电流反馈的参考值，最后通过信号调制，输出驱动脉冲的信号。该系统中设置匹配感抗为247uH，匹配容抗为24uF，系统动态阻抗为100Ω，工作在20kHz频率，系统的电压电流仿。

从仿真的最终结果可以发现，超声波电源的电流超前电压0.5pI个相位，电压有效值达到950V以上，系统总体的感抗可以决定电源的电压以及电流的相位差。根据采用的Simlink软件对在超声波复合加工制备金属纳米空心球的实验以及工作的电压与电流波形可以得出，系统工作在固有频率也就是20kHz，系统工作的谐振状态，电源得到了最为可靠的输出状态，满足了加工系统对于电源的基本要求。

4  结语

该文采用了STM32高速单片机设计了基于移相技术的PWM功率控制的超声波电源，CD40046锁相电路能够实现对电源的频率的有效跟踪以及输出功率的闭环调整。通过Simlink软件对系统的工作效果进行了仿真分析，实验结果表明，产品的频率以及输出功率稳定性良好，具有优异的负载特性，能够在加工过程中实现超声波电源系统的调整，并对谐振频率的漂移进行有效跟踪并进行校正。基于移相技术的PWM功率控制的超声波电源具有良好的市场前景与实际应用价值。

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