基于3D打印機的不斷電穩壓濾波電源設計

傅貴玲　左鵬飛　張寧　周宇　羊豪門

【摘 要】3D打印技術是一項具有工業革命意義的新興制造技術，隨著3D打印技術的不斷發展，高精度成為3D打印技術的一個重要發展方向，這就對電源供電的穩定性與可靠性提出了更高的要求。針對這一問題，我們分析了3D打印機的供電電路結構，研究了其電路參數，分析了其對供電穩定性與可靠性的影響，分析了用戶側諧波對3D打印機打印精度的影響，并基于PSIM進行了建模仿真與實驗驗證，提出了基于3D打印機的不斷電穩壓濾波電源設計方案，為進一步提升打印精度提供了可行的技術支持。

【關鍵詞】3D打印機；穩壓電源；不斷電；濾除諧波

中圖分類號： TP334.8 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）20-0115-002

Continuous Electric Power Supply Voltage Filter Design based on 3D Printer

FU Gui-ling ZUO Peng-fei ZHANG Ning ZHOU Yu YANG Hao-men

（School of Mechanical Electronic&Information Engineering，China University of Mining&Technology（Beijing），

Beijing 100083，China）

【Abstract】3D printing has become a new manufacturing technology which has the industrial revolution significance. With the continuous development of 3D printing technology，high precision will be an important developing of 3D printing device.This is for the stability and reliability of power supply put forward higher requirements.In order to solve this problem，we analyzed the power supply circuit structure of 3D printing，the circuit parameters were studied，and analyzes its stability and reliability of power supply，and analyzes the user side harmonic effects on 3D printing，And the modeling simulation and experimental validation with the PSIM，is proposed based on electric power supply voltage filtering of printer design scheme，to further enhance the printing precision provides a feasible technical support.

【Key words】3D printer；Power supply；Continuous electric；Filter

3D打印技術出現在20世紀90年代中期，實際上是利用光固化和紙層疊等技術的最快速成型裝置。目前3D打印技術逐漸成熟，到今天已經漸漸進入了商用時代。已經十分廣泛應用到各個領域，醫療用品、日常消費、服裝時尚、航天航空、汽車、建筑設計等等。

雖然3D立體打印產業發展迅速、前景可期，但其發展仍然存如成本、材料、標準與軟件、成形精度等許多問題。[1]尤其是其成形精度對其應用范圍有著直接的影響，因此實現3D打印機的高精度控制對3D打印技術進步有著重大意義，而其電源供電的穩定性與可靠性又制約了其精度的進一步提高，因此提高電源供電的質量對3D打印機的進一步推廣應用具有重大意義。

1 系統結構

為了給3D打印機提供更高質量的電源，設計的不斷電濾波穩壓電源由主電路、控制電路和保護電路共同組成。主電路由整流部分、濾波環節、DC-DC變換電路、逆變電路、充電回路、蓄電池等模塊組成。

系統結構如圖1所示。由交流電網輸入的220V、50Hz交流電一方面經整流環節，輸出198V直流電，經濾波環節供給DC-DC變換電路，這里的DC-DC變換電路采用的是降壓斬波電路，經降壓變換電路將電壓降至13.33V，再經濾波環節濾除諧波，最后經逆變環節逆變為12V交流電供給電機。另一方面，由電網輸入的交流電經充電回路給蓄電池充電，一旦打印過程中停電，便由蓄電池代替整流回路給后續環節供電，從而保證了打印過程的連續完整。

1.1 主電路設計

主電路由整流部分、DC-DC變換電路、濾波環節、逆變電路、充電回路、蓄電池等

模塊組成，主電路結構圖如圖2所示。（圖2中已去掉觸發電路部分，只保留了主電路）

（1）整流部分

整流電路選用由電力二極管構成的單相橋式不可控整流電路。該電路具有結構簡單、成本低、控制簡單等優點。其主要電路結構如圖2中{1}所示。將由交流電網輸入的220V、50Hz交流電整流成為直流電，經感容濾波器得到近似平直的直流電。

輸出電壓Ud1的大小由以下公式得到：

Ud1=0.9U輸入[2] （1-1）

其中U輸入為220V。

（2）DC-DC變換電路endprint

DC-DC變換電路選用由POWER MOSFET、電力二極管等構成的降壓斬波電路（Buck Chopper）。該電路具有易于驅動、電壓電流容量較大等優點。其主要電路結構如圖2中{2}所示。將經過整流濾波的u1降壓得到u2。

輸出電壓Ud2的大小由以下公式得到：

Ud2=Ud1*ton/T[3] （1-2）

其中ton為電路中POWER MOSFET導通的時間，T為開關周期長度。

控制方式選用脈沖寬度調制，即保持開關周期T不變，調節開關導通時間ton，從而將Ud2調整為期望值。

（3）濾波環節

濾波環節采用由運算放大器等構成的壓控電壓源二階低通濾波器。該濾波器具有濾波效果好、不會產生自激振蕩等優點。其主要電路結構如圖2中所示。將諧波濾除，得到諧波含量較低的電壓。

（4）逆變電路

逆變電路采用由POWER MOSFET等構成的單相電壓源型全橋逆變電路。該電路具有開關電流小、管子承受的反壓低等優點。其主要電路結構如圖2中{3}所示。將經過濾波的直流電u3逆變成為交流電u4。

（5）充電回路

蓄電池的充電方式有恒電流充電和恒電壓充電兩種。采用恒電流和恒電壓相結合的二階段快速充電方法，首先，以恒電流充電至預定的電壓值，然后，改為恒電壓完成剩余的充電。一般兩階段之間的轉換電壓就是第二階段的恒電壓，采用芯片 UC3842 進行控制。其本質就是個具有限流穩壓功能的開關電源，只要將額定電壓，浮充電壓，恒流充電電流設置恰當，就能使蓄電池的充電過程基本上沿著理想的充電曲線進行，從而延長蓄電池的使用壽命。[4]

（6）蓄電池

考慮到電壓、容量等問題，蓄電池采用12V的蓄電池17節。

1.2 驅動保護電路的設計

上述各模塊中采用的可控型器件均為POWER MOSFET，由于POWER MOSFET是電壓控制型器件，因此只要控制POWER MOSFET的柵極電壓就可以使其開通或關斷，并且開通時維持比較低的通態壓降。研究表明，POWER MOSFET的安全工作區和開關特性隨驅動電路的改變而變化。因此，為了保證POWER MOSFET可靠工作，驅動保護電路至關重要。POWER MOSFET驅動保護電路的原則如下：

1）動態驅動能力強，能為柵極提供具有陡峭前后沿的驅動脈沖；

2）開通時能提供合適的正向柵極電壓（12～15V），關斷時可以提供足夠的反向關斷柵極電壓（一5V）；

3）盡可能少的輸入輸出延遲時間，以提高工作效率；

4）足夠高的輸入輸出電氣隔離特性，使信號電路與柵極驅動電路絕緣；

5）出現短路、過流的情況下，具有靈敏的保護能力。

目前，在實際應用中，普遍使用驅動與保護功能合為一體的POWER MOSFET專用的驅動模塊。

綜合以上幾點，準備選用陜西高科電力電子有限責任公司生產的HL402A（B）IGBT驅動集成電路。

2 系統控制

系統的控制以實現整個系統的不斷電穩壓且諧波含量盡可能低為目標，主要分為不斷電控制、穩壓控制兩方面。降低諧波含量主要采取優化濾波電路的措施來實現。整個系統選用TI公司生產的TMS320F28027 DSP進行采樣、PI調節并輸出相應的PWM波進行控制。

2.1 不斷電控制

不斷電控制主要體現在系統斷電時立刻用蓄電池代替整流環節對后續環節進行供電。

為達到以上要求，準備在整流濾波輸出點設置A/D采樣點{1}，采樣頻率設置為10KHz，采樣數據實時反饋給控制器，若連續三次A/D采樣結果均為0V則認為系統斷電，此時導通圖3中的POWER MOSFET，使蓄電池連入電路中為電路供電。

2.2 穩壓控制

穩壓控制主要體現在系統輸出電壓一直維持在接近恒定水平。

為達到以上要求，準備在降壓斬波電路、濾波逆變三個模塊的輸出點分別設置A/D采樣點{2}{3}（如圖1所示），采樣頻率設置為10KHz，采樣數據實時反饋給控制器，控制器通過將采樣回的值與預先設定的電壓值進行比較得到差值，當系統出現電壓波動時均可通過PID算法調節降壓斬波電路和逆變電路的觸發角以保證輸出電壓維持在設定的穩定值。具體的控制結構圖如圖4所示。

2.3 濾波電路設計

為濾除用戶端諧波等各種諧波，以避免諧波對打印精度的影響，計劃在各個環節后面加入濾波電路，考慮到常用的RC濾波電路會消耗有功功率，降低電源的功率因數，計劃選用LC濾波電路進行濾波，在有效濾波的同時又不會消耗有功功率，以保證電源功率因數維持在一個較高的水平。

在具體的電路結構上，我們比較了LC、LCL、CLC等濾波電路結構，最終針對各處電路結構的不同做出了相應的選擇。具體的濾波器結構如圖2所示。

3 系統調試及性能分析

3.1 濾波器參數計算

為了保證濾波器的濾波效果，必須保證濾波器的轉折頻率遠遠大于基波頻率，通常取濾波器的轉折頻率為基波頻率的5～10 倍，開關頻率也為轉折頻率的5～10倍。確定了濾波器的轉折頻率之后，只要在確定電感或電容的大小就能確定濾波器的參數。

3.2 PI參數調試

考慮到PI控制快速且無靜差的優點，在控制中我們選用了簡便易行的PI控制，PI參數的調試主要在PSIM中進行，按照慣例，先調節P參數，后調節I參數，之前還考慮加入前饋控制，但是結果證明PI控制已經達到了很好地控制效果。

3.3 程序編寫

編程軟件使用的是TI公司的CCS5.5，編程主要涉及了DSP的AD采樣模塊和PWM輸出模塊，中間設計了PI算法和IQMATH的使用，主要的程序流程圖如圖5所示。

3.4 仿真結果

我們用PSIM進行了仿真，仿真結果能較好的達到各項指標要求。仿真波形如圖6所示。

從上圖可以看出最后逆變出的波形是十分標準的正弦波，畸變非常小，且經過各個濾波環節的濾波，諧波含量也非常的低。因此，我們設計的系統基本符合我們的設計目標。

4 總結

該系統以TMS320F28027為控制核心，采用了交-直-交的方式，輔以PI調節和多個濾波器的配合，較好的實現了穩壓、不斷電和諧波含量低的實際目標，若實際運用到3D打印機中，可有效解決電源問題導致的打印精度較低的問題，切實提高3D打印機的打印精度。

【參考文獻】

[1]楊猛.3D打印驅動電路設計及文件切片算法研究[D].北京印刷學院，2014.

[2]、[3]王兆安，劉進軍.電力電子技術 [M].第五版.北京：機械工業出版社，2009.

[4]王宇.單相UPS不間斷電源系統設計[J]. 廣播電視信息，2014，（10）：66-68.

[5]馮平，張治中.基于可調式穩壓器LM317的直流穩壓電源[J]電子測試，2009，（05）：70-73+89.endprint