基于單片機(jī)８０８９的超聲波電源控制技術(shù)的研究

摘 要：針對目前大功率超聲波電源采用模擬控制電路存在精度低、動態(tài)響應(yīng)慢、參數(shù)整定不方便等缺點(diǎn)，采用單片機(jī)8089組成智能控制的超聲波電源系統(tǒng)。提出了基于SPWM技術(shù)的雙閉環(huán)控制策略和應(yīng)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)軟鎖相的工作原理和軟件思想，使整個(gè)超聲波電源實(shí)現(xiàn)了低損耗、高功率因數(shù)，優(yōu)化了電路的整體性能。

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關(guān)鍵詞：SPWM;IGBT;8089單片機(jī);軟鎖相；大功率超聲波電源

中圖分類號：TM714 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-373X(2008)09-102-03

Research of Ultrasonic Source Control Technology Base on Single Chip Computer 8089

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PEI Jiuling，QU Baida

(College of Communication and Control Engineering，Jiangnan University，Wuxi，214122，China)

Abstract：To overcome some disadvantages of low precision，slow dynamic response，unconvenience parameter adjust existing in high-power ultrasonic power supply，it applies intelligent control composed of 8089 microcontroller is proposed.The article introduces the modulation principle of SPWM，the composition of high-power ultrasonic power system applying the single chip computer to realize the soft of phase lock loop，the mechanism of work and the software thought.It realizes the low loss，high power factor and the whole performance of the circuit is developed.

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Keywords：SPWM;IGBT;8089 single chip computer;soft of phase lock loop;ultrasonic power supply

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隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、電力電子技術(shù)及信號處理技術(shù)的飛速發(fā)展，超聲波獲得了非常廣泛的應(yīng)用。近年來，由于微機(jī)的廣泛應(yīng)用，構(gòu)成計(jì)算機(jī)控制的智能控制系統(tǒng)或裝置越來越多。這里基于PWM技術(shù)，應(yīng)用單片機(jī)組成智能控制系統(tǒng)，對目前的大功率、高頻率、高性能的智能化超聲波電源技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 系統(tǒng)的硬件電路組成

系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，他包含功率變換主電路和控制電路兩大部分。主電路采用交-直-交結(jié)構(gòu)，包括整流、直流濾波器、逆變器、變壓器及負(fù)載等組成部分。其中，交-直部分為橋式整流，經(jīng)過電解電容器慮波得到平穩(wěn)電流。逆變器選用IGBT作為開關(guān)元件，電路在傳統(tǒng)橋式^[1]結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上加入一個(gè)簡潔的輔助網(wǎng)絡(luò)，形成移相控制全橋逆變器，該電路可以在任意負(fù)載和輸入電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)(ZVS)，減少損耗，提高了電源利用效率。

逆變器的控制電路在整個(gè)系統(tǒng)中至關(guān)重要，這里采用MCS-96系列8089單片機(jī)作為智能控制部分的核心，采用正弦脈寬調(diào)制方式(SPWM)對逆變器進(jìn)行控制，用以實(shí)現(xiàn)功率匹配和頻率跟蹤的數(shù)字化技術(shù)。

1.1 單片機(jī)控制系統(tǒng)

本控制系統(tǒng)由MCS-96系列8089單片機(jī)、74LS138地址譯碼、EPROM2764和RAM6264等構(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(SPWM)，還可實(shí)現(xiàn)功率、頻率顯示以及過壓、過流、過溫保護(hù)控制。

圖1 超聲波電源系統(tǒng)框圖

超聲波電源系統(tǒng)中負(fù)載換能器工作在諧振狀態(tài)，為了保證負(fù)載端電流和電壓同頻同相^[2]，要加上同步鎖相環(huán)。因此，本文逆變環(huán)節(jié)采用雙環(huán)結(jié)構(gòu)的PWM控制方式，控制框圖如圖2所示。

同步電壓信號由相位及峰值檢測電路送至單片機(jī)鎖相處理，單片機(jī)通過D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換口輸出與同步電壓同相位的標(biāo)準(zhǔn)正弦波，外部電壓環(huán)通過將直流母線電壓給定信號U*d與實(shí)際的直流母線電壓Ud進(jìn)行比較后得到的誤差信號送入PI調(diào)節(jié)器，PI調(diào)節(jié)器的輸出則為要控制的輸出電流幅值指令信號Im，這里電壓環(huán)的PI調(diào)節(jié)器在單片機(jī)內(nèi)部用軟件來實(shí)現(xiàn)。電流幅值指令信號Im與標(biāo)準(zhǔn)正弦波相乘后得到了幅值可調(diào)的正弦電流給定信號i*a，與實(shí)際的輸出電流反饋信號ia進(jìn)行比較，電流誤差信號經(jīng)比例調(diào)節(jié)器(為減小穩(wěn)態(tài)誤差，這里采用大比例控制，由外部硬件電路實(shí)現(xiàn))放大后送入比較器，再與三角載波信號比較形成SPWM信號，該SPWM信號經(jīng)過驅(qū)動電路去驅(qū)動主電路開關(guān)器件，便可使實(shí)際的輸出電流跟蹤給定信號，從而達(dá)到與同步電壓保持同相位變化，提高了輸出的功率因數(shù)，同時(shí)由于輸出電流的幅值決定了輸出功率的大小，那么幅值可調(diào)也決定了輸出功率的可調(diào)，并且也達(dá)到了控制支流母線電壓的目的。

圖2 控制框圖

1.2 SPWM原理和波形

脈寬調(diào)制逆變器簡稱PWM，簡單地說，是通過控制逆變器內(nèi)部開關(guān)器件的通、斷順序和時(shí)間分配規(guī)律，調(diào)控逆變器輸出電壓中基波電壓的大小和頻率，增大輸出電壓中最低階次諧波的階次，并減小其諧波的數(shù)值，來達(dá)到調(diào)控其輸出電壓，同時(shí)又改善輸出電壓波形的目的。

本文采用單極性正弦波恒幅脈寬調(diào)制信號(SPWM)，調(diào)制原理見圖3。圖3中，Uc是載波信號，Ur調(diào)制信號，利用采樣控制理論中沖量等效原理，在他們相交點(diǎn)可得到一組等幅矩形脈沖，脈寬和正弦曲線下的面積成正比，脈寬基本上呈正弦分布。從圖中也可以看出在單極性調(diào)制時(shí)，Uc是與Ur始終保持同極性的關(guān)系，即正弦波處于正半周時(shí)，載頻信號也在正值范圍內(nèi)變化，產(chǎn)生正的調(diào)制脈沖序列，與此相同，在負(fù)半周產(chǎn)生負(fù)的調(diào)制脈沖序列。根據(jù)在正弦波半周內(nèi)載頻信號的頻率，可以確定產(chǎn)生調(diào)制脈沖的數(shù)目，這樣也就同時(shí)決定了控制各個(gè)功率管的通斷次數(shù)。 SPWM產(chǎn)生的調(diào)制波是一系列等幅、等距而不寬的脈沖序列。 

圖3 單極性SPWM原理及波形

1.3 軟鎖相

鎖相環(huán)^[3]是一個(gè)相位反饋控制系統(tǒng)。鎖相環(huán)由三部分組成，即鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LPF)和壓控振蕩器(VCO)，其基本構(gòu)成如圖4所示。其主要工作原理：輸入電壓與輸出Ui與輸出Uo通過鑒相器PD進(jìn)行相位比較，得到相位誤差信號Ue，Ue再經(jīng)過低通濾波器LPF產(chǎn)生控制電壓 Ud ，Ud 加到壓控振蕩器VCO上使之產(chǎn)生頻率偏移，從而跟蹤輸入信號的頻率，當(dāng)輸入信號頻率與輸出信號頻率相同時(shí)，鎖相環(huán)鎖定，從而實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤。

圖4 PLL結(jié)構(gòu)圖

本文利用單片機(jī)8089實(shí)現(xiàn)軟鎖相。鎖相部分的軟件設(shè)計(jì)主要分兩個(gè)部分，一是輸入電壓U的相位檢測；二是電流指令正弦波的輸出。

相位的檢測利用8089單片機(jī)的外部中斷實(shí)現(xiàn)，其P0.7引腳的正跳變信號觸發(fā)中斷，連續(xù)兩次正跳變的時(shí)間間隔即為負(fù)載基波電壓的周期Ts。

正弦電流指令的產(chǎn)生由8089單片機(jī)與D/A轉(zhuǎn)換器共同完成，他是由N級階梯波近正弦。8089單片機(jī)有2個(gè)定時(shí)器和4個(gè)軟件定時(shí)器，且均可產(chǎn)生中斷，軟件定時(shí)器的中斷時(shí)間間隔可設(shè)定，利用他來產(chǎn)生正弦的數(shù)字信號。首先根據(jù)D/A轉(zhuǎn)換器的參數(shù)生成基準(zhǔn)正弦Su的正弦表，綜合考慮8089單片機(jī)的運(yùn)算速度以及控制程序的運(yùn)行等，選取合適的正弦表點(diǎn)數(shù)(亦即階梯波的階梯數(shù))N，則每個(gè)階梯所占的時(shí)間為Ts/N。在軟件定時(shí)器中斷服務(wù)程序中，首先設(shè)定下一次的軟定時(shí)中斷時(shí)間Ts/N，再利用查表法實(shí)現(xiàn)i*=α#8226;Su，這里α為正弦的比例系數(shù)，由電壓環(huán)的誤差電壓決定其大小。

以上分析了相位的檢測和正弦電流指令的產(chǎn)生，接下來是實(shí)現(xiàn)正弦指令與輸入電壓的同步。在利用查表法產(chǎn)生正弦時(shí)，正弦表指針P對正弦表循環(huán)計(jì)數(shù)(0~N)。當(dāng)發(fā)生外中斷，即負(fù)載基波電壓過零時(shí)，正弦電流指令也應(yīng)該正向過零點(diǎn)，所以在外部中斷服務(wù)程序里，應(yīng)該修改指針P，使P位于正弦表的正向過零點(diǎn)。然而由于存在軟硬件的延時(shí)，往往不能將P指向正弦表的正向過零點(diǎn)，而應(yīng)指向p*(這里p*與正弦表的正向過零點(diǎn)有一個(gè)偏差Δp)，才能使D/A輸出的電流指令i*與輸入電壓U的相位差為0。p*的選取需要在實(shí)驗(yàn)中確定，于是在外中斷服務(wù)程序里將P指向p*^[4，5]。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序

主程序包含初始化子程序、顯示子程序和采樣子程序以及中斷程序地址的設(shè)定，參數(shù)的設(shè)定等，開放軟中斷以及軟定時(shí)中斷等。初始化子程序中，對各寄存器設(shè)定初值，對單片機(jī)本身的I/O口、定時(shí)器設(shè)定工作方式。顯示子程序可對電壓與電流信號進(jìn)行定時(shí)采樣，A/D轉(zhuǎn)換后，經(jīng)I/O口輸出，進(jìn)行動態(tài)顯示。本系統(tǒng)還可對超聲波電源頻率、功率進(jìn)行設(shè)定、顯示。

2.2 中斷服務(wù)子程序

中斷服務(wù)子程序分為外部中斷服務(wù)程序和軟件定時(shí)器中斷服務(wù)程序

2.2.1 外部中斷服務(wù)程序

外部中斷服務(wù)程序中主要完成以下任務(wù)：在每次發(fā)生外部中斷時(shí)，把指針P重新指向p*，同時(shí)將正弦表點(diǎn)數(shù)即階梯數(shù)賦給初值(這里程序中一共在一個(gè)周期中設(shè)置了125個(gè)正弦表點(diǎn)數(shù)，每次外中斷發(fā)生時(shí)，依次輸出125個(gè)點(diǎn)即完成正弦電流指令的輸出)，并設(shè)置外中斷發(fā)生標(biāo)志和采樣標(biāo)志。

2.2.2 軟件定時(shí)器中斷服務(wù)程序

軟件定時(shí)器根據(jù)母線電壓PI子程序計(jì)算的正弦比例來實(shí)現(xiàn)正弦波的輸出，或者也可以通過軟件設(shè)置為固定的比例輸出，即固定的功率輸出。由于采用周期控制，一個(gè)周期20 ms，正弦表點(diǎn)數(shù)取為125，所以大約160 μs發(fā)生一次中斷。其程序流程圖如圖5所示。

圖5 軟定時(shí)中斷服務(wù)程序流程圖

2.3 母線電壓PI調(diào)節(jié)子程序

母線電壓采樣信號送入CPU后，由軟件來實(shí)現(xiàn)電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)的數(shù)字化，本文采用增量型PI算法，其表達(dá)式為:



u(k)=u(k－1)+Kp(e(k)－e(k－1))+KITe(k)

=u(k－1)+(KP+KIT)e(k)－KPe(k－1)



令A=KP+KIT，B=KP，他們是與比例系數(shù)、積分

系數(shù)、采樣周期相關(guān)的系數(shù)。則上式可簡化為u(k)=u(k－1)+Ae(k)－Be(k－1)，那么數(shù)字PI控制算法的程序流程圖如圖6所示^[5]。

圖6 數(shù)字PI控制算法程序流程圖

3 結(jié) 語

基于SPWM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；鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)輸出電流與電壓保持同頻同相，從而能將電能以近似于1的功率因數(shù)，提高了電能利用率；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)域應(yīng)用提供性能優(yōu)良的超聲波電源。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］Roland E.Best.鎖相環(huán)設(shè)計(jì)、仿真與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2003.

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［2］林征宇，吳建德，何湘寧.基于DSP帶同步鎖相的逆變器控制\\[J\\].電力電子技術(shù)，2001，35(2):24-25，28.

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［3］胡壽松.自動控制原理\\[M\\].北京：國防工業(yè)出版社，1998.

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［5］汪建，孫開放，章述漢.MCS-96系列單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)［M］.武漢：華中理工大學(xué)出版社，2000.

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［6］徐以榮，冷增祥.電力電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.南京:東南大學(xué)出版社，2004.

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作者簡介 裴玖玲 女，1980年出生，碩士研究生。主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)，當(dāng)前課題主要是大功率高頻超聲波電源的研究。

屈百達(dá) 男，教授，研究生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代控制技術(shù)與應(yīng)用，模式識別和數(shù)據(jù)處理。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。