基于PWM功率控制的超聲波電源研究與設計

耿海云

摘 ?要：超聲波電源的穩定性以及工作性能對金屬微納加工領域具有重要的應用價值。該文論述了實用STM32單片機進行PWM信號輸出并給予PID算法實現對輸出功率的閉環控制，實現電源穩定的功率輸出。通過仿真實驗表明，基于PWM功率控制的超聲波電源能夠實現功率以及工作頻率可以調整的功能，符合金屬微納加工領域的應用要求。

關鍵詞：超聲波電源 ?PWM ?功率控制 ?研究

中圖分類號：TB559 ? 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）07（a）-0051-02

超聲波電源在工作過程中會因為工作電壓變化以及負載特性的變化導致電源的輸出偏離工作的實際需求，造成加工精度降低等方面的實際影響。因此設計能夠進行頻率自動跟蹤以及功率自動調整的超聲波電源就顯得尤為重要。采用移相脈沖寬度進行功率調節，并對電路的頻率進行跟蹤具有重要的理論意義與實際應用價值。論述了電路的工作原理，并采用Simlink對所設計的電路進行了仿真分析，結論說明，設計的產品符合加工的實際要求。

1 ?超聲波電源原理

超聲波電源的工作頻率范圍一般為20～30kHz，工作基本原理是基于AC-DC-AC的基本結構。超聲波電源為了能夠實現自動功率控制需要能夠對電壓進行對應的控制，通過對逆變后的交流電壓的有效值實現控制可以實現對電路輸出功率的控制。在超聲波電源中對電壓的控制是通過對占空比進行調整實現的。為了能夠適應負載的要求，超聲波電源電路要能夠設計具有頻率自動跟蹤以及自動穩定的匹配電路，并對工作狀態實施有效跟蹤，保證負載工作在固有頻率的有效范圍內。電源工作過程中220V的交流信號經過整流電路以及LC濾波以及降壓后變成了直流信號，直流電壓信號經過逆變電路后再經過高頻變壓器轉換為對應的交流電信號。降壓電路中的IGBT管采用了RC緩沖電路，如果系統采用了大容量的IGBT則需要采用緩沖電阻增加電路的總阻抗，防止極電流電流過大引起系統的短路。逆變電路的IGBT管要能夠采用RCD電路作為保護電路，以適應產品高頻工作的需求。系統中應用的IR2110是在功率控制中常用的一種開關器件，一般作為驅動器實用，IR2110能夠實現對電壓較高的主電路系統的有效驅動，在高頻工作情況下能夠穩定工作。產品的輸入輸出延時較短，一般延時都能夠控制在納秒級。同時系統采用了一路電源實現了對半橋的有效控制，系統能夠具有電源欠壓時自動保護的功能。超聲波電源的工作原理圖如圖1所示。

2 ?電源頻率跟蹤控制電路

移相閉環控制實現頻率跟蹤，系統中采用CD4046鎖相環實現。CD4046集成鎖相環電路具有鑒相、源極跟隨電路、運算放大單元以及壓控振蕩器等單元模塊構成。在工作過程中當輸入信號放大后，進行電容濾波，濾除去信號的高頻的干擾成分，經過低頻放大后將信號輸入到鑒相器1與鑒相器2中去，通過相位之間的差異可以得出誤差電壓的差異，通過壓控振蕩器可以實現電壓差異與頻率差異的轉換，最后可以通過頻率的差異進行調整，實現頻率的閉環有效控制。為了能夠讓超聲波電源的可靠性更強，在控制中采用了PID控制算法，通過對電壓與電流信號的采樣、量化以及編碼可以實現對采集模擬信號的數字化處理，數字化的功率值與系統設定的值進行比較，如果存在偏差就采用PID電路進行計算，根據計算可以讓輸出值去改變開關信號的占空比，并通過PWM的程序進行相位角的控制，精確實現功率的調節。

3 ?系統建模仿真以及測試結果分析

對超聲波電源的仿真主要是對其整流模塊、逆變模塊以及輸出模塊以及對應的匹配電路進行分析。在Simlink系統中將功率反饋控制以及PWM頻率反饋控制封裝為對應的子系統功能模塊。功率反饋電路檢測系統的感測電壓以及電流信號，通過功率運算模塊實現與系統設置功率的比較，并通過計算形成功率偏差，系統采用PID算法對整流測電壓進行相乘可以作為電流反饋的參考值，最后通過信號調制，輸出驅動脈沖的信號。該系統中設置匹配感抗為247uH，匹配容抗為24uF，系統動態阻抗為100Ω，工作在20kHz頻率，系統的電壓電流仿。

從仿真的最終結果可以發現，超聲波電源的電流超前電壓0.5pI個相位，電壓有效值達到950V以上，系統總體的感抗可以決定電源的電壓以及電流的相位差。根據采用的Simlink軟件對在超聲波復合加工制備金屬納米空心球的實驗以及工作的電壓與電流波形可以得出，系統工作在固有頻率也就是20kHz，系統工作的諧振狀態，電源得到了最為可靠的輸出狀態，滿足了加工系統對于電源的基本要求。

4 ?結語

該文采用了STM32高速單片機設計了基于移相技術的PWM功率控制的超聲波電源，CD40046鎖相電路能夠實現對電源的頻率的有效跟蹤以及輸出功率的閉環調整。通過Simlink軟件對系統的工作效果進行了仿真分析，實驗結果表明，產品的頻率以及輸出功率穩定性良好，具有優異的負載特性，能夠在加工過程中實現超聲波電源系統的調整，并對諧振頻率的漂移進行有效跟蹤并進行校正。基于移相技術的PWM功率控制的超聲波電源具有良好的市場前景與實際應用價值。

參考文獻

[1] 袁倩，劉平，陳睿科.基于CD4046感應加熱電源的研究設計[J].電子設計工程，2016（2）：101-104.

[2] 裴玖玲.數字化控制超聲波電源的研究[D].江南大學，2008.

[3] 韓廣朋.感應加熱電源頻率跟蹤技術研究[J].電源技術，2014，38（1）：111-112.

[4] 李炳毅.基于DSP的移相PWM功率控制超聲波電源[J].火力與指揮控制，2013，38（9）：24-27.

[5] 王海波.基于DSP的高功率因數移相全橋軟開關數字電源研究與設計[D].中南大學，2011.

[6] 陳鵬，覃慶良，馮宇平.頻率自動跟蹤超聲波電源設計[J].應用聲學，2017，36（6）：533-539.