基于PWM技术的大功率超声波电源系统的研究

$"$ 中 断 服 务 子 程 序
当 =’. 智 能 功 率 模 块 出 现 过 压 & 过 流 & 过 温 等 异 常 情 况 时 $ 其 " $ 输 出 端 变 为 低 电 平 $ 送 到 ?$ @ &AB .@ 的 6NE=+E 端 $ 使 单 片 机 产 生 中 断 $ 发 出 相 应 故 障 信 号 $ 并 封 锁 ,’-. 输 出 信 号 % 基 于 ’-. 技 术 的 大 功 率 超 声 波 电 源 由 于 采 用 单 片机智能控制系统$ 从而使电源频率可实现人工设 定$ 输出电压亦可通过调节可控整流角 ! 而改变)单 片 机 模 拟 输 出 的 ,’-. 信 号 可 使 硬 件 电 路 简 化 $ 系 统 功率因数与效率大大提高)同时采用高频调制后可获
本 系 统 由 ’ () * + ,-. /0 1&. ! ? $ : B &7 C1# 构 成 最 小 微机系统"完成超声波频率给定! 载频频率设定"模拟 输 出 单 极 性 正 弦 波 恒 幅 脉 宽 调 制 信 号 4$ % & " 可 实 现 电压!频率!电流显示以及过压 !过流!过温保护控制%
图 ! 光电隔离及驱动电路
得高质量的输出电流波形$抑制了高次谐波$使换能 器损耗减小$从而可为大功率超声波换能器在各个领 域的应用提供性能优良的超声波电源% 参考文献 & 姜 泓$赵洪恕(电力拖动交流调速系统(武汉*华中理 工 大 学 出 版 社 $ &AAB G 唐 勇 奇 ( 基 于 =OPQRS$@&AT 的 通 用 伺 服 控 制 系 统 ( 电 子 技 术 应 用 $ G$$& ) GC ! 5 " > 张广明(超声 U 扫描伪象剔除技术研究(无损检测$ &AAA ) ! C " 5 纪良文(机器人超声测距数据的采集与处理(电子技术 应 用 $ G$$& ) GC ! 5 " * &T V &? W 梁 合 庆 $ 梁 韬 ( .@, XAB 系 列 十 六 位 单 片 微 机 实 用 手 册 (
个 逆 变 桥 臂 % ’$& 内 部 集 成 有 各 路 ’2<= 的 驱 动 电 路 及过压!过流!过温等异常情况检测电路% 当检测信 号 之 一 不 正 常 时 " 其 >- 输 出 端 变 为 低 电 平 " 送 至
,- . /01 &. 的 ?@=’A= 端 " 发 出 相 应 故 障 信 号 # 7 $ % !"$ 单 片 机 控 制 系 统
!"! 交#直#交 主 电 路
主 电 路 整 流 器 由 市 电 77- 8 直 接 供 电 " 采 用 单 相 半控桥式整流模块"以实现大功率超声波电源的电压 调 节 % 逆 变 器 则 使 用 三 菱 公 司 专 门 设 计 的
’$& 逆 变 器
4$%& 产 生 的 调 制 波 是 一 系 列 等 幅 ! 等 距 而 不 等
见 图 >% 该 电 路 可 实 现 对
+
输出负半波脉冲列
/
0 3 4 ,’-. 子 程 序 流 程 图
?$@&AB.@ 的 四 路 ,’-. 信 号 与 =’. 的 光 电 隔 离 $ 并
图 5 主 程 序 及 ,’-. 子 程 序 流 程 图
I J M 转换后$经 = J 8 口输出$进行动态显示% 本系统
!"
还可对超声波电源频率进行设定&显示%
实 现 驱 动 和 电 平 转 换 功 能 % 光 耦 采 用 B+&>C ! 高 速 光 隔 "$三 极 管 选 用 高 频 开 关 管 $ 供 电 电 压 &)D$ 该 三 极 管 可 将 来 自 光 耦 的 EEF 电 平 转 换 为 =’. 的 门 极 驱 动 信 号 ’G (%
宽的脉冲列% 其调制的基本特点是在半个周期内"中
! !"
$& 90 :4; /7- 功 率 模 块 " 其 内 部 的 四 只 ’2<= 可 用 作 四
单相半控桥
!’
F
超声波 换能器
8= / F
’$& 门极驱动隔离 ?@= ’A =
电压!电流 频率显示 键 盘
8= #
!&
>电压转换
$ 8= !
DE 8= 7
+ ’&(!%&* / "% $ ’ &()%& 012 主 程 序 流 程 图
周期到否# 排除故障 产生负半波脉冲列 声 光 报 警 ’ &()%&
"%& # /
封锁脉冲输出
+
调 ,’-. 子 程 序
查表取对应脉宽值
产生正半波脉冲列
时间到否#
+
输 出 正 半 波 ,’-.
/
查表取对应脉宽值
, ’ - . 波 形 的 一 系 列 脉 冲 ’&(% !"# 光 电 隔 离 及 驱 动 电 路 =’. 门 极 驱 动 隔 离 电 路
!(
$
’()*+ ,- . /01
故障信号指示
!&
%$
图 7 单 极 性 4$%& 原 理 电 路 及 其 波 形
?$:B&
图 / 系统硬件原理图
!"
自动化与仪器仪表
间的脉冲宽$两边的脉冲窄$ 各个脉冲之间等距$ 而脉宽 和正弦曲线下的积分面积成 正比$ 脉宽基本上成正弦分 布% 经倒相后正半周输出正 脉冲列$ 负半周输出负脉冲 列% 在单片机控制时$ 可在
! " % &’() 信 号 的 形 成
脉 宽 调 制 逆 变 器 简 称 $%& % 其 基 本 原 理 是 控 制 逆 变器开关元件的导通和关断时间比来控制交流电压 的大小和频率% 本文采用单极性正弦波恒幅脉宽调制 方 法 & 4$%& ’ % 调 制 原 理 见 图 7 % 在 单 极 性 调 制 时 " ! " 与 !# 始 终 保 持 同 极 性 的 关 系 " 即 正 弦 波 处 于 正 半 周 时"载频信号在正值范围内变化"产生正的调制脉冲 列% 而正弦波处于负半周时"载频信号通过倒相电路 变成在负值范围内变化"产生负的调制脉冲列 % 根据 在正弦波半周内载频信号的频率"可以确定产生调制 脉冲的数目"这样也就同时决定了控制各功率开关管 的通断次数%
北 京 * 电 子 工 业 出 版 社 $ X &$ "
$ 系统软件设计
$"! 主 程 序
主 程 序 流 程 图 如 图 5 所 示 % 包 含 初 始 化 子 程 序 & ,’H
-. 信 号 产 生 子 程 序 和 显 示 子 程 序 % 初 始 化 子 程 序 中 $ ?$@&AB 对 =’. 智 能 功 率 模 块 ’.)A7,I&G$ 进 行 初 始 化 $
给定堆栈地址 开始 开始 取电源周期值
调 初 始 化 子 程 序 ! "#$ " 开中断
送定时器 & 取载频周期值
6’78. 中 存 入 正 弦 函 数 的 周
期值& 载频信号的周期值以 及与对应的正弦曲线下的积 分面积成正比的各脉宽值$ 然后通过查表和加减移位运 算$将正弦函数的周期值&采 样 周 期 内 的 时 间 间 隔 ! 9: : 与 脉 宽 ! ;< 的 值 一 并 送 入 定 时 器$利用定时中断接口 电 路 送 出相应的高低电平$实时产生
并 对 单 片 机 本 身 的 各 = J 8 口 &定 时 器 等 设 定 工 作 方 式 %
,’-. 信 号 产 生 子 程 序 中 $ 由 单 片 机 产 生 单 极 性 恒
幅正弦波脉宽调制模拟信号$ 通过给定两个计数常数 !正 弦 波 周 期 值 和 载 频 周 期 值 "$查 表 依 次 取 得 各 调 制 脉 宽 值 $ 经 @’K 运 算 后 $ 由 = J 8 口 输 出 ,’-. 信 号 $ 再 经 光 电 隔 离 &电 平 转 换 后 $去 控 制 各 功 率 开 关 管 的 通 断 ’) ( % 显示子程序可对电压与电流信号进行定时采样L
$%& 技 术 " 应 用 单 片 机 组 成 智 能 控 制 系 统 " 对 高 性
能!大功率超声波电源的制造技术进行了研究%
! 系统的硬件电路构成
本 系 统 采 用 ’()*+ ,- . /01 &. 单 片 机 作 为 控 制 核 心"它是一种专门为控制逆变器设计的单片机% 其输 出信号将控制逆变器% 智能功率模块作逆变器"单片 机 内 部 有 一 个 称 为 %2 的 $%& 驱 动 信 号 发 生 器 " 占 用 .$3 时 间 非 常 短 " 可 由 $ 1 口 直 接 输 出 # 路 4$%& 信 号 用 于 ’$& 的 驱 动 % 系 统 包 含 交 5 直 6 交 主 电 路 ! 基 极 驱 动 电 路 ! 单 片 机 控 制 系 统 ! 4$%& 信 号 形 成 电 路 ! 电压显示!电流显示以及保护等主要环节% 系统硬件 电路构成如图 / 所示%
4$%&
大功率超声波电源
’$& 智 能 模 块
随着计算机软硬件技术!电子技术及信号处理技 术的飞速发展"超声波在成像无损检测!测距!超声 清洗!焊接应力释放!无损探伤!医疗等领域获得了 非 常 广 泛 的 应 用 #!"# $% 近 年 来 " 由 于 新 型 稀 土 功 能 材 料的开发与研制成功"使制造大功率超声波换能器成 为可能% 因此"与超声波换能器配套的性能优良的大 功率超声波电源的研制"则显得非常重要% 本文基于