移相控制器在智能超声电源中的应用

摘要:简要介绍了移相控制原理,详细说明了美国Unitrode 公司的控制芯片UC3875 ,并采用移相控制芯片UC3875 设计了智能超声电源的功率输出控制系统。缸套内表面微坑超声加工实验表明,所设计的功率输出控制系统可以实现超声电源输出功率的改变,满足表面微坑超声加工的要求。

关键词:移相控制;逆变桥;超声电源

引　言

在智能超声电源的表面微坑超声加工应用中,为了保证换能器的输出幅值恒定,超声电源要求有功率自调节功能;同时,在表面微坑超声加工中,为了能加工出深浅不同的微坑,要求换能器有不同的振幅输出,即要求振幅要有可以改变的功能;这就要求超声电源有功率输出控制系统。

移相控制原理

全桥移相控制原理图如图1 (a) 所示,桥的T1 、T3 和T2 、T4 分别构成一个简单的方波逆变器。逆变器两桥臂中点a 和b 的输出电压分别为Ua 和Ub ,这两电压是宽度不可调节的方波。而两桥臂中点a 和b 之间的电压Uab 则是脉宽可以调节的波形,这可通过调节Ua 与Ub 之间的移相角φ。调节移相角φ即可改变输出电压的脉宽θ,因而使得输出电压基波分量和谐波分量的幅值也发生了变换,这样改变了输出电压的波形,如图1 (b) 所示。用傅立叶级数可知改变Ua 与Ub 之间的移相角φ可以改变Uab 的电压幅值。

移相控制芯片UC3875 的应用

UC3875 是美国Unitrode 公司针对移相控制方案推出的芯片。UC3875 具有以下特点:

(1) 0～100 %的占空比控制; 　　　　　　　　　　

(2) 可编程输出延时;

(3) 最大频率可达1MHz ;

(4) 4 个2A 的图腾柱输出;

(5) 10MHz 的误差比较器;

(6) 缺电压上锁;

(7) 低启动电流;

(8) 软启动控制。

在功率控制系统中,用UC3875 作为控制芯片,其外围电路设计如图2 所示,本文对以下电路参数进行了设计。

(1) 工作频率设计, 所设计的超声电源的工作频率为15～25kHz ,此频率谐振频率自动跟踪系统输出。芯片UC3875 的固有频率由FREQSET 引脚外接电容、电阻确定。UC3875 的CLOCKSYNC 端口具有以下特性: 当CLOCKSYNC 端的频率高于UC3875 的固有频率时, UC3875 的工作频率是外加到CLOCKSYNC 的信号频率;当CLOCKSYNC 端的频率低于UC3875 的固有频率时,UC3875 的工作频率是芯片的固有频率。因此, 本设计利用这一特性将谐振频率自动跟踪系统的锁相环输出信号加到CLOCKSYNC 端上;为了防止UC3875 的工作频率太低,使得高频变压器磁饱和,将UC3875 的固有频率设定在14kHz 左右。由UC3875 的芯片数据资料可知:UC3875 的固有频率与FREQSET端的电阻、电容的关系由下式确定:

当f _g = 20kHz ,选C_g = 0. 1μF , R_g = 2. 9kΩ。

(2) 死区时间设置, 在死区时间设置脚与信号地之间并联一个电阻R 和一个电容C ,可设置死区时间△t 。其公式如下:

式中,V_DELAY ———延迟端电压,取2. 4V ,本文死区时间取2. 5μs。则计算电阻约为100kΩ。

(3) 驱动IR2110 的设计, 移相控制芯片价格比较昂贵,而电源逆变器的母线电压又很高,为了防止输出短路而导致移相控制芯片UC3875 损坏,在UC3875 与电力MOSFET驱动芯片IR2110 之间用高速光电耦合器6N137 隔离。同时,由于光电耦合器有电平转换效应,即把高电平转换为低电平,把低电平转换为高电平。所以,为了使IR2110 的输入信号正确,必须在芯片UC3875 与光电耦合器之间加一个反向器。

(4) 软启动设置,软启动功能脚与信号地之间接一个电容C₅ 。当软启动正常工作时,芯片有一个9μA 的电流给C₅ 充电,最后达到4. 8V。其决定了输出移相角从零逐渐增加,直到稳定工作。在电流故障下,软启动端将降为0V。设计电容C5 为0. 01μF。

实　验

以移相控制芯片UC3875 为核心设计了超声电源的输出功率控制系统,电路调试时,调节功率控制电路中的精密可变电阻,即改变逆变桥的上下对角开关管的移相角。由移相原理可知,改变移相角的大小,可以改变逆变桥的输出电压。实验中,用示波器测量超声电源的输出电压,在增加移相角的过程中,输出电压逐渐减小,数码相机拍下其波形变化过程,选出如图3 所示的4 张照片。由图3 可看出,在改变移相角的过程中,电源的输出电压随之改变,这样就可保证在负载不变的情况下,电源的输出功率可以调节。

用所设计的智能超声电源作为激励源加工缸套内表面微坑,缸套内表面微坑超声加工的实验机床为C616 普通车床,加工工件为内径分别为:160mm、168mm、180mm、192mm 的4 个钢质薄壁缸套。钢质薄壁缸套装夹在车床的主轴上,主轴的转速N = 744r/ min ,超声加工装置以0. 3mm/ r 的速度沿轴向进给,在微坑超声加工过程中,通过改变移相角,达到改变电源输出功率的目的,进而控制微坑的度。

结束语

缸套内表面微坑超声加工实验表明,采用全桥移相控制策略的智能超声电源作为缸套内表面微坑超声加工的激励源具有以下优点:

(1) 可方便调节电源的输出功率;

(2) 加工出来的微坑深度可控;

(3) 加工出来的微坑深度大小均匀;

(4) 电源的谐波成分少,电源工作时对外电网的污染小。