基于PWM技術(shù)的大功率超聲波電源系統(tǒng)的研究

摘要：針對(duì)新型稀土功能材料作大功率超聲波換能器件需要性能優(yōu)良的配套超聲波電源，介紹了一種應(yīng)用單片機(jī)產(chǎn)生SPWM信號(hào)、由IPM智能功率模塊組成的大功率超聲波電源系統(tǒng)的構(gòu)成、工作原理和軟件設(shè)計(jì)思想。

關(guān)鍵詞：超聲波換能器 SPWM 大功率超聲波電源 IPM智能模塊

隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、電子技術(shù)及信號(hào)處理技術(shù)的飛速發(fā)展，超聲波在成像無(wú)損檢測(cè)、測(cè)距、超聲清洗 、焊接應(yīng)力釋放、無(wú)損探傷、醫(yī)療等領(lǐng)域獲得了非常廣泛的應(yīng)用[3～4]。近年來(lái)，由于新型稀土功能材料的開發(fā)與研制成功，使制造大功率超聲波換能器成為可能。因此，與超聲波換能器配套的性能優(yōu)良的大功率超聲波電源的研制，則顯得非常重要。本文基于PWM技術(shù)，應(yīng)用單片機(jī)組成智能控制系統(tǒng)，對(duì)高性能、大功率超聲波電源的控告技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 系統(tǒng)的硬件電路構(gòu)成

本系統(tǒng)采用Intel90C196MC單片機(jī)作為控制核心，它是一種專門為控制逆變器設(shè)計(jì)的單片機(jī)。其輸出信號(hào)將控制逆變器。智能功率模塊作逆變器，單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)稱為WG的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器，占用CPU時(shí)間非常短，可由P6口直接輸出4路SPWM信號(hào)用于IPM的驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)包含交-直-交主電路、基極驅(qū)動(dòng)電路、單片機(jī)控制系統(tǒng)、SPWM信號(hào)形成電路、電壓顯示、電流顯示以保護(hù)等主要環(huán)節(jié)。系統(tǒng)硬件電路構(gòu)成如圖1所示。

1.1 交-直-交主電路

主電路整流器由市電220V直接供電，采用單相半控橋式整流模塊，以實(shí)現(xiàn)大功率超聲波電源的電壓調(diào)節(jié)。逆變器則使用三菱公司專門設(shè)計(jì)的PM59RSA120功率模塊，其內(nèi)部的四只IGBT可用作四個(gè)逆變橋臂。IPM內(nèi)部集成有各路IGBT的驅(qū)動(dòng)電路及過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)溫等異常情況檢測(cè)電路。當(dāng)檢測(cè)信號(hào)之一不正常時(shí)，其F0輸出端變?yōu)榈碗娖?，送?0C196MC的EXTINT端，發(fā)出相應(yīng)故障信號(hào)[2]。

1.2 單片機(jī)控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)由Intel80C196MC、EPROM2764構(gòu)成最小微機(jī)系統(tǒng)，完全超聲波頻率給定、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(hào)SPWM，可實(shí)現(xiàn)電壓、頻率、電流顯示以及過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)溫保護(hù)控制。

1.3 SPWM信號(hào)的形成

脈寬調(diào)制逆變器簡(jiǎn)稱PWM。其基本原理是控制逆變器開關(guān)元件的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間比來(lái)控制交注電壓的大小和頻率。本文采用單極性正弦波恒幅脈寬調(diào)制方法（SPWM）。調(diào)制原理見圖2。在單極性調(diào)制時(shí)，uc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(hào)在正值范圍內(nèi)變化，產(chǎn)生正的調(diào)制脈沖列。而正弦波處于負(fù)半周時(shí)，載頻信號(hào)通過(guò)倒相電路變成在負(fù)值范圍內(nèi)變化，產(chǎn)生負(fù)的調(diào)制脈沖列。根據(jù)在正弦波半周內(nèi)載頻信號(hào)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)決定了控制各功率開關(guān)管的通斷次數(shù)。

SPWM產(chǎn)生的調(diào)制波是一系列等幅、等距而不等寬的脈沖列。其調(diào)制的基本特點(diǎn)是在半個(gè)周期內(nèi)，中間的脈沖寬，兩邊的脈沖窄，各個(gè)脈沖之間等距，而脈寬和正弦曲線下的積分面積成正比，脈寬基本上成正弦分布。經(jīng)倒相后正半周輸出正脈沖列，負(fù)半周輸出負(fù)脈沖列。單片機(jī)控制時(shí)，可在EPROM中存入正弦函數(shù)的周期值、載頻信號(hào)的周期值以及與對(duì)應(yīng)的正弦曲線下的積分面積成正比的各脈寬值，然后通過(guò)查表和加減移位運(yùn)算，將正弦函數(shù)的周期、采樣周期內(nèi)的時(shí)間間隔Toff與脈寬Tpm的值一并送入定時(shí)器，利用定時(shí)中斷接口電路送出相應(yīng)的高低電平，實(shí)時(shí)產(chǎn)生SPWM波形的一系列脈沖[1]。

1.4 光電隔離及驅(qū)動(dòng)電路

IPM門極驅(qū)動(dòng)隔離電路見圖3。該電路可實(shí)現(xiàn)對(duì)80C196MC的四路SPWM信號(hào)與IPM的光電隔離，并實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和電平轉(zhuǎn)換功能。光耦采用6N137（高速光隔），三極管選用高頻開關(guān)管，供電電壓15V，該三極管可將來(lái)自光耦的TTL電平轉(zhuǎn)換為IPM的門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)[2]。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序

主程序流程圖如圖4所示。包含初始化子程序、SPWM信號(hào)產(chǎn)生子程序和顯示子程序。初始化程序中，80C196對(duì)IPM智能功率模塊PM59RSA120進(jìn)行初始化，并對(duì)單片機(jī)本身的各I/O口、定時(shí)器等設(shè)定工作方式。

SPWM信號(hào)產(chǎn)生子程序中，由單片機(jī)產(chǎn)生單極性恒幅正弦波脈寬調(diào)制模擬信號(hào)，通過(guò)給定兩個(gè)計(jì)數(shù)常數(shù)（正弦波周期值和載頻周期值），查表依次取得各調(diào)制脈寬，經(jīng)CPU運(yùn)算后，由I/O口輸出SPWM信號(hào)，再經(jīng)光電隔離、電平轉(zhuǎn)換后，去控制各功率開關(guān)管的通斷[5]。

顯示子程序可對(duì)電壓與電流信號(hào)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(dòng)態(tài)顯示。本系統(tǒng)還可對(duì)超聲波電源頻率進(jìn)行設(shè)定、顯示。

2.2 中斷服務(wù)子程序

當(dāng)IPM智能功率模塊出現(xiàn)過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)溫等異常情況時(shí)，其F0輸出端變?yōu)榈碗娖?，送?0C196MC的EXTINT端，使單片機(jī)產(chǎn)生中斷，發(fā)出相應(yīng)故障信號(hào)，并封鎖SPWM輸出信號(hào)。

基于PWM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(guò)調(diào)節(jié)可控整流負(fù)a而改變；單片機(jī)模擬輸出的SPWM信號(hào)可使硬件電路簡(jiǎn)化，系統(tǒng)功率因數(shù)與效率大大提高；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)域的應(yīng)用提供性能優(yōu)良的超聲波電源。