基于56F803型DSP的大功率超声波电源的计划
发布日期：2011-05-03
针对大功率超声波电源高精度、高功率输出的特点．对超声波电源控制战略举行了改造。提出一种基于56F803型DSP的频率跟踪与功率调理相连合的周期分段移相控制战略．研究了基于此控制要领的超声波电源。
1 小序
随着科学的生长和技能的进步．超声波在超声焊接、超声洗濯、干燥、雾化、导航、测距、育种等范畴的应用日趋遍及。如今的大功率超声波电源多数采取频率跟踪控制或功率控制。这种单一控制要领不但会低落超声波电源服从，并且会影响输出精度和强度。怎样使超声波电源根据实际负载及时，动态调理输出谐振频率和功率，从而包管超声波加工等操纵的请求具有紧张的理论研究和实际应用代价。
2 超声波电源体系的构成
超声波电源体系重要由220V电源、整流滤波、高频逆变单位、立室网络、检测电路、PWM孕育产生电路和驱动电路构成，如图1所示。
220V单相交换电颠末二极管不可控整流电路得到直流电压，然后颠末由MOSFET构成的高频逆变电路得到餍足换能器请求的高频电压。为淘汰高频事变条件下MOSFET的开关斲丧，高频逆变电路采取带帮助网络的全桥布局，如图2所示。此电路布局办理了传统零电压开关(ZVS)PWM电路变压器漏感小且滞后桥臂难于实现ZVS的题目。同时，根据电流加强原理，此电路布局可在恣意负载和输入电压范畴内实现零电压开关，大大淘汰了占空比丢失。超声波电源与换能器立室的优劣将决定整个电路的控制结果。因此，应该对立室网络每个参量(高频变压器匝比K，输出立室电感Lf)举行严格的谋略。立室重要指为使产生器输出额定电功率，举行阻抗更改立室。以及为使产生器输出最高服从举行调谐立室。
采取56F803型DSP作为控制电路的内核处理惩罚器．它内置2 KB SRAM，31．5 KB FLASH，同时，其40 MHz的CPU时钟频率比其他单片机具有更强的处理惩罚本领。6路PWM信号可以实现高频逆变电路开关管MOSFET的移相控制。12位A／D转换器征求可以实现电压和电流采样并餍足采样数据精度的请求。利用56F803型DSP中定时器的捕获成果可以正确谋略相位差大小，实现体系的频率跟踪控制。串行外设接口SPI与MCl4489共同利用可以实现对5位半数码管的控制．从而实现体系频率和功率的表现。别的，56F803还支持C语言与汇编语言殽杂编程的SDK软件开辟包．可以实如今线调试。
驱动电路采取IR21lO型驱动模块．它具有集成度高，相应速率快(tar/taff=120 ns／94 ns），偏值电压高(<600 V),驱动本领强，本钱低和易于调试等好处。IR2110是基于自举驱动原理的功率MOSFET驱动电路．驱动信号延时为纳秒级，开关频率可以从数十赫兹到数百千赫兹。同时,IR2110还具有比较美满的掩护成果(如欠压检测、抗滋扰、外部掩护闭锁等)。一个IR2110可以同时驱动单桥臂的上下二个MOSFET,因此,利用少量分立元件和一起控制电源就可以实现一个桥臂MOSFET 的驱动控制，如许大大减小了驱动电路的体积和本钱。
3 体系的控制战略
超声波电源体系采取频率跟踪和功率调理相连合的控制战略，从而使产生器在输出最大功率时可到达最高服从。此种控制战略重要通过控制PWM的周期(也便是控制开关频率)和PWM控制波形的移相角来实现。
3．1 频率跟踪控制的实现
采取锁相法实现频率跟踪控制。利用KT20A/P型电传播感器和KV20A／P型电压传感器分别检测换能器二真个电压和电流，颠末滞环控制得到电压和电流的方波信号，如图3所示。该滞环的回差为lV。然后，对二路方波信号颠末异或门和D触发器得到相位差波形和相位差标记。相位差波形送入DSP的捕获口,谋略出相位差大小T，相位差标记送入GPIOA7口．得到标记标记量flag。当T≠O，flag=o时，表现电压超前电流。此时，应该减小开关管的频率f；当T≠O，flag=l时，表现电压滞后电流，此时，应该增长开关管的频率f,然后把频率量转化成时间量附给DSP模值寄存器,从而变化输出PWM信号的周期。
3．2 功率控制的实现
为了使高频逆变电路的输出功率餍足换能器所必要的额定功率，要采取功率控制电路，即征求直流侧的电流信号与给定的电流值举行比较,并对毛病举行数字PI调理，从而变化移相控制波形的移相角．进而变化高频逆变电路的输出电压。
征求直流侧的电流来实现功率控制的重要缘故起因是通过换能器的电压和电流是交换，必要检波、滤波等处理惩罚进程才华检测到,如许比较困难。而直流侧电压是直流量,基于这种思量,采取了检测直流侧电流的要领。采取增量式数字PI运算减小偏移量,从而到达无静差控制。直流侧电流及时跟踪给定电流,变化软开关控制信号的移相角,从而变化高频逆变电路的输出电压，当移相角增大时输出电压也增大,以是高频逆变电路终极会输出换能器所请求的功率。
3．3 周期分段实现移相控制
本体系的开关采取占空比为50％的PWM信号移相控制。传统移相控制要领有二种：一种是采取UC3875孕育产生移相控制波形．但电路巨大，不便于调试。精度低：另一种是采取单片机，这种要领大部分采取正弦表孕育产生移相波形，步伐冗长、巨大、可读性差。本体系采取周期分段控制要领实现移相控制波形。在每个PWM周期中把开关管的控制波形分为4段．每段波形中DSP模值寄存器PWMCM的值便是计数器PWMVAL的值。变量Count代表输出的是第几段波形,当Count=l或Count=3时．把波形I或Ⅲ的模值MODUL01(I和Ⅲ的模值雷同)赋给模值寄存器。当Count=l时,PWM模块的0通道和3通道分别输出高电温和低电平。当Count=3时．PWM模块的0通道和2通道分别输出低电温和高电平；当Count=2或Count=4时．把波形Ⅱ或IV的模值MODULO2(Ⅱ和IV的模值雷同)赋给模值寄存器．当Count=2时，PWM模块的O通道和3通道都输出高电平。当Count=4时．PWM模块的0通道和2通道都输出低电平。然后，根据上述方法循环输出波形，如图4所示步伐框图。
图5为主步伐框图。在步伐中，频率跟踪部分出现相位差时，先给频率赋一个较大步长(m=100)．然后随着相位差的减小．渐渐减小步长．直到相位差为零。
4 实行结果阐发
上述超声波电源的重要参数是直流侧电压270 V；开关频率fS=20 kHz；高频变压器匝比K=38：15；谐振电感Lf=3 mH；换能器采取事变频率为20 kHz．内阻为10Ω ,电容为12 000pF，最大输出功率为l 500 W。
图6(a)给出逆变桥输出电压和电流实行波形。
图6(b)是Q1管控制波形和漏一源极间电压实行波形。可见，当控制信号使开关管导通时。其漏极和源极之间的电压已经为零,实现了开关管零电压导通。
图6(c)是换能器二端电压实行波形。换能器处于固有频率谐振状态时为纯阻性负载，以是二端电压为正弦。
5 结束语
采取频率跟踪和功率和谐控制的数控式新型超声波电源具有以下特点：
(1)采取带帮助电路、电流加强型的ZVS全桥更改器．实现了全部开关管的ZVS；
(2)实现了频率跟踪与功率控制的和谐控制战略，跟踪精度可达4Hz．可以或许餍足超声焊接、超声洗濯等控制的请求；
(3)采取周期分段控制战略实现ZVS的移相控制，使得步伐简化；
(4)采取IR2110型集成驱动，驱动大略．减小了体系的体积，低落了本钱。
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