基于PWM技術(shù)的大功率超聲波電源系統的研究

摘要：針對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，介紹了一種應用單片機產(chǎn)生SPWM信號、由IPM智能功率模塊組成的大功率超聲波電源系統的構成、工作原理和軟件設計思想。

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(zhù)計算機軟硬件技術(shù)、電子技術(shù)及信號處理技術(shù)的飛速發(fā)展，超聲波在成像無(wú)損檢測、測距、超聲清洗 、焊接應力釋放、無(wú)損探傷、醫療等領(lǐng)域獲得了非常廣泛的應用[3～4]。近年來(lái)，由于新型稀土功能材料的開(kāi)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)，應用單片機組成智能控制系統，對高性能、大功率超聲波電源的控告技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 系統的硬件電路構成

本系統采用Intel90C196MC單片機作為控制核心，它是一種專(zhuān)門(mén)為控制逆變器設計的單片機。其輸出信號將控制逆變器。智能功率模塊作逆變器，單片機內部有一個(gè)稱(chēng)為WG的PWM驅動(dòng)信號發(fā)生器，占用CPU時(shí)間非常短，可由P6口直接輸出4路SPWM信號用于IPM的驅動(dòng)。系統包含交-直-交主電路、基極驅動(dòng)電路、單片機控制系統、SPWM信號形成電路、電壓顯示、電流顯示以保護等主要環(huán)節。系統硬件電路構成如圖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)現大功率超聲波電源的電壓調節。逆變器則使用三菱公司專(zhuān)門(mén)設計的PM59RSA120功率模塊，其內部的四只IGBT可用作四個(gè)逆變橋臂。IPM內部集成有各路IGBT的驅動(dòng)電路及過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)溫等異常情況檢測電路。當檢測信號之一不正常時(shí)，其F0輸出端變?yōu)榈碗娖?，送?0C196MC的EXTINT端，發(fā)出相應故障信號[2]。

1.2 單片機控制系統

本系統由Intel80C196MC、EPROM2764構成最小微機系統，完全超聲波頻率給定、載頻頻率設定，模擬輸出單極性正弦波恒幅脈寬調制信號SPWM，可實(shí)現電壓、頻率、電流顯示以及過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)溫保護控制。

1.3 SPWM信號的形成

脈寬調制逆變器簡(jiǎn)稱(chēng)PWM。其基本原理是控制逆變器開(kāi)關(guān)元件的導通和關(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制方法（SPWM）。調制原理見(jiàn)圖2。在單極性調制時(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)，載頻信號在正值范圍內變化，產(chǎn)生正的調制脈沖列。而正弦波處于負半周時(shí)，載頻信號通過(guò)倒相電路變成在負值范圍內變化，產(chǎn)生負的調制脈沖列。根據在正弦波半周內載頻信號的頻率，可以確定產(chǎn)生調制脈沖的數目，這樣也就同時(shí)決定了控制各功率開(kāi)關(guān)管的通斷次數。

SPWM產(chǎn)生的調制波是一系列等幅、等距而不等寬的脈沖列。其調制的基本特點(diǎn)是在半個(gè)周期內，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(xiàn)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，負半周輸出負脈沖列。單片機控制時(shí)，可在EPROM中存入正弦函數的周期值、載頻信號的周期值以及與對應的正弦曲線(xiàn)下的積分面積成正比的各脈寬值，然后通過(guò)查表和加減移位運算，將正弦函數的周期、采樣周期內的時(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 光電隔離及驅動(dòng)電路

IPM門(mén)極驅動(dòng)隔離電路見(jiàn)圖3。該電路可實(shí)現對80C196MC的四路SPWM信號與IPM的光電隔離，并實(shí)現驅動(dòng)和電平轉換功能。光耦采用6N137（高速光隔），三極管選用高頻開(kāi)關(guān)管，供電電壓15V，該三極管可將來(lái)自光耦的TTL電平轉換為IPM的門(mén)極驅動(dòng)信號[2]。

2 系統軟件設計

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信號產(chǎn)生子程序和顯示子程序。初始化程序中，80C196對IPM智能功率模塊PM59RSA120進(jìn)行初始化，并對單片機本身的各I/O口、定時(shí)器等設定工作方式。

SPWM信號產(chǎn)生子程序中，由單片機產(chǎn)生單極性恒幅正弦波脈寬調制模擬信號，通過(guò)給定兩個(gè)計數常數（正弦波周期值和載頻周期值），查表依次取得各調制脈寬，經(jīng)CPU運算后，由I/O口輸出SPWM信號，再經(jīng)光電隔離、電平轉換后，去控制各功率開(kāi)關(guān)管的通斷[5]。

顯示子程序可對電壓與電流信號進(jìn)行定時(shí)采樣，A/D轉換后，經(jīng)I/O口輸出，進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示。本系統還可對超聲波電源頻率進(jìn)行設定、顯示。

2.2 中斷服務(wù)子程序

當IPM智能功率模塊出現過(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，使單片機產(chǎn)生中斷，發(fā)出相應故障信號，并封鎖SPWM輸出信號。

基于PWM技術(shù)的大功率超聲波電源由于采用單片機智能控制系統，從而使電源頻率可實(shí)現人工設定，輸出電壓亦可通過(guò)調節可控整流負a而改變；單片機模擬輸出的SPWM信號可使硬件電路簡(jiǎn)化，系統功率因數與效率大大提高；同時(shí)采用高頻調制后可獲得高質(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)域的應用提供性能優(yōu)良的超聲波電源。