基于PWM技术的大功率超声波电源系统的研究

    摘要：针对新型稀土功能材料作大功率超声波换能器件需要性能优良的配套超声波电源，介绍了一种应用单片机产生SPWM信号、由IPM智能功率模块组成的大功率超声波电源系统的构成、工作原理和软件设计思想。

    关键词：超声波换能器 SPWM 大功率超声波电源 IPM智能模块

随着计算机软硬件技术、电子技术及信号处理技术的飞速发展，超声波在成像无损检测、测距、超声清洗 、焊接应力释放、无损探伤、医疗等领域获得了非常广泛的应用[3～4]。近年来，由于新型稀土功能材料的开发与研制成功，使制造大功率超声波换能器成为可能。因此，与超声波换能器配套的性能优良的大功率超声波电源的研制，则显得非常重要。本文基于PWM技术，应用单片机组成智能控制系统，对高性能、大功率超声波电源的控告技术进行了研究。

1 系统的硬件电路构成

本系统采用Intel90C196MC单片机作为控制核心，它是一种专门为控制逆变器设计的单片机。其输出信号将控制逆变器。智能功率模块作逆变器，单片机内部有一个称为WG的PWM驱动信号发生器，占用CPU时间非常短，可由P6口直接输出4路SPWM信号用于IPM的驱动。系统包含交-直-交主电路、基极驱动电路、单片机控制系统、SPWM信号形成电路、电压显示、电流显示以保护等主要环节。系统硬件电路构成如图1所示。

1.1 交-直-交主电路

主电路整流器由市电220V直接供电，采用单相半控桥式整流模块，以实现大功率超声波电源的电压调节。逆变器则使用三菱公司专门设计的PM59RSA120功率模块，其内部的四只IGBT可用作四个逆变桥臂。IPM内部集成有各路IGBT的驱动电路及过压、过流、过温等异常情况检测电路。当检测信号之一不正常时，其F0输出端变为低电平，送至80C196MC的EXTINT端，发出相应故障信号[2]。

1.2 单片机控制系统

本系统由Intel80C196MC、EPROM2764构成最小微机系统，完全超声波频率给定、载频频率设定，模拟输出单极性正弦波恒幅脉宽调制信号SPWM，可实现电压、频率、电流显示以及过压、过流、过温保护控制。

1.3 SPWM信号的形成

    脉宽调制逆变器简称PWM。其基本原理是控制逆变器开关元件的导通和关断时间比来控制交注电压的大小和频率。本文采用单极性正弦波恒幅脉宽调制方法（SPWM）。调制原理见图2。在单极性调制时，uc与ur始终保持同极性的关系，即正弦波处于正半周时，载频信号在正值范围内变化，产生正的调制脉冲列。而正弦波处于负半周时，载频信号通过倒相电路变成在负值范围内变化，产生负的调制脉冲列。根据在正弦波半周内载频信号的频率，可以确定产生调制脉冲的数目，这样也就同时决定了控制各功率开关管的通断次数。

SPWM产生的调制波是一系列等幅、等距而不等宽的脉冲列。其调制的基本特点是在半个周期内，中间的脉冲宽，两边的脉冲窄，各个脉冲之间等距，而脉宽和正弦曲线下的积分面积成正比，脉宽基本上成正弦分布。经倒相后正半周输出正脉冲列，负半周输出负脉冲列。单片机控制时，可在EPROM中存入正弦函数的周期值、载频信号的周期值以及与对应的正弦曲线下的积分面积成正比的各脉宽值，然后通过查表和加减移位运算，将正弦函数的周期、采样周期内的时间间隔Toff与脉宽Tpm的值一并送入定时器，利用定时中断接口电路送出相应的高低电平，实时产生SPWM波形的一系列脉冲[1]。

    1.4 光电隔离及驱动电路

IPM门极驱动隔离电路见图3。该电路可实现对80C196MC的四路SPWM信号与IPM的光电隔离，并实现驱动和电平转换功能。光耦采用6N137（高速光隔），三极管选用高频开关管，供电电压15V，该三极管可将来自光耦的TTL电平转换为IPM的门极驱动信号[2]。

2 系统软件设计

2.1 主程序

主程序流程图如图4所示。包含初始化子程序、SPWM信号产生子程序和显示子程序。初始化程序中，80C196对IPM智能功率模块PM59RSA120进行初始化，并对单片机本身的各I/O口、定时器等设定工作方式。

SPWM信号产生子程序中，由单片机产生单极性恒幅正弦波脉宽调制模拟信号，通过给定两个计数常数（正弦波周期值和载频周期值），查表依次取得各调制脉宽，经CPU运算后，由I/O口输出SPWM信号，再经光电隔离、电平转换后，去控制各功率开关管的通断[5]。

显示子程序可对电压与电流信号进行定时采样，A/D转换后，经I/O口输出，进行动态显示。本系统还可对超声波电源频率进行设定、显示。

    2.2 中断服务子程序

当IPM智能功率模块出现过压、过流、过温等异常情况时，其F0输出端变为低电平，送到80C196MC的EXTINT端，使单片机产生中断，发出相应故障信号，并封锁SPWM输出信号。

基于PWM技术的大功率超声波电源由于采用单片机智能控制系统，从而使电源频率可实现人工设定，输出电压亦可通过调节可控整流负a而改变；单片机模拟输出的SPWM信号可使硬件电路简化，系统功率因数与效率大大提高；同时采用高频调制后可获得高质量的输出电流波形，抑制了高次谐波，使换能器损耗减小，从而可为大功率超声波换能器在各个领域的应用提供性能优良的超声波电源。