基于STM32的超聲電源研制

李曉東，胡紅斐，唐勇軍,2，許俊，莫遠東

（1.廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣東廣州 510006；2.上海交通大學機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室，上海 200240）

基于STM32的超聲電源研制

李曉東1，胡紅斐1，唐勇軍1,2，許俊1，莫遠東1

（1.廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣東廣州 510006；2.上海交通大學機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室，上海 200240）

介紹了一種基于STM32的超聲電源，其利用DDS芯片直接合成需要的PWM驅(qū)動波形，死區(qū)時間由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來調(diào)節(jié)，采用最大電流反饋跟蹤及鎖相跟蹤相結(jié)合的方式來實現(xiàn)頻率跟蹤。通過調(diào)節(jié)STM32輸出PWM信號的占空比，從而控制半橋變換器，使其保持功率恒定。實驗表明，本電源具有跟蹤精度高、成本低、工作穩(wěn)定的特點。

超聲電源；STM32；DDS；死區(qū)控制

超聲加工電源的作用是將工頻交流電轉(zhuǎn)換成超聲頻電信號，以激勵換能器實現(xiàn)電聲轉(zhuǎn)換，再由變幅桿將振幅放大，推動工具頭對工件進行加工。隨著現(xiàn)代電子技術的發(fā)展，目前在超聲電源中廣泛使用單片機、DSP、FPGA等作為控制器，使超聲電源朝著數(shù)字化、智能化的方向發(fā)展[1]。當超聲振動系統(tǒng)的諧振頻率發(fā)生緩慢漂移時，要求電源輸出頻率，即PWM信號發(fā)生器的輸出頻率能自動跟蹤超聲振動系統(tǒng)的諧振頻率，這就對其頻率分辨率提出了要求。常用的生成PWM信號的方法有：利用專用的PWM控制芯片，如TL494、SG3525等；利用微處理器直接發(fā)出PWM信號。利用專用的集成芯片來生成PWM，使用簡單，但控制不靈活，很難用單片機等微處理器來調(diào)節(jié)電源參數(shù)；而利用微處理器來直接生成PWM信號，由于受微處理器自身工作頻率所限，頻率分辨率不高，不能實現(xiàn)高精度的頻率跟蹤[2]。本文結(jié)合STM32單片機及DDS芯片研制了一臺頻率跟蹤精度高、工作可靠的超聲電源。

1 電源整體方案設計

超聲電源的整體方案見圖1。利用STM32 F103RCT6控制器結(jié)合DDS芯片AD9850產(chǎn)生兩路互補的PWM信號，再由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器形成死區(qū)時間固定的兩路驅(qū)動信號。STM32F103RCT6內(nèi)部的AD模塊可采集換能器兩端的電流、電壓幅值及相位檢測電路輸出的相位差信息，從而根據(jù)上述采樣信息調(diào)節(jié)自身PWM模塊的輸出占空比及寫給AD 9850芯片的控制字，以達到調(diào)節(jié)功率及頻率跟蹤的目的。

圖1 超聲電源整體方案圖

STM32控制器的PWM模塊可直接產(chǎn)生兩路互補的、帶死區(qū)的PWM信號[3]，通過控制半橋變換器的占空比，達到調(diào)節(jié)輸出功率的目的。

2 DDS模塊

DDS技術是一種利用數(shù)字控制信號的相位增量技術，具有頻率分辨率高、穩(wěn)定性好、可靈活產(chǎn)生多種信號等優(yōu)點。

典型的DDS產(chǎn)品有AD9833、AD9834、AD9850、Q2220、Q2230、Q2368等。其中，AD9850采用創(chuàng)新性的高速DDS核心控制器，提供32位的頻率控制字，在最高時鐘頻率125 MHz下，可達到0.0291 Hz的頻率分辨率；其與微控制器的接口既可采用串口模式，也可采用并口模式。綜合考慮本電源的需求及成本，決定采用AD9850芯片，其引腳排列見圖2，功能模塊見圖3。

圖2 AD9850芯片引腳圖

AD9850內(nèi)部擁有可編程DDS模塊和高速比較器，能實現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成。其高速DDS核心是相位累加器，它由一個加法器和一個32位相位寄存器組成。當接收到一個外部參考時鐘，相位寄存器便以步長M遞加。相位寄存器的輸出與相位控制字相加后，可輸入至正弦查詢表地址上。正弦查詢表包含一個正弦波周期的數(shù)字幅度信息，每一個地址對應正弦波中0°～360°范圍的一個相位點。查詢表把輸入地址的相位信息映射成正弦波幅度信號，然后驅(qū)動DAC，以輸出兩路互補的電流。DAC的輸出經(jīng)過低通濾波器后再輸入到AD9850內(nèi)部的高速比較器，即可輸出方波信號。

圖3 AD9850功能模塊圖

AD9850的輸出頻率由式（1）確定：式中：fOUT為輸出信號的頻率，MHz；Δphase為32位頻率控制字的值；CLKIN為輸入?yún)⒖紩r鐘頻率的值，MHz。

AD9850的外圍電路見圖4。其中，外部有源晶振為125 MHz，21腳輸出正弦波，經(jīng)低通濾波器后輸入至16腳，即可在13、14腳輸出兩路互補的方波信號。

圖4 AD9850的外圍電路

3 死區(qū)控制

由于DDS模塊輸出的兩路PWM信號不帶死區(qū)，這就需通過硬件電路形成死區(qū)。一般利用觸發(fā)器來實現(xiàn)延時導通；但由于本超聲電源采取最大電流法結(jié)合鎖相的方法實現(xiàn)頻率跟蹤，搜索最大電流時不可避免地要改變電源的輸出頻率，同時在跟蹤過程中也要不斷改變電源的輸出頻率。通常，D觸發(fā)器的延時長短與其時鐘頻率有關，從而可能造成頻率改變時死區(qū)為零的現(xiàn)象，這對于橋式逆變電路來說是十分危險的，也是絕對不允許出現(xiàn)的。

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器具有以下工作特點：①在無觸發(fā)信號作用時，電路處于一種穩(wěn)定狀態(tài)；②在觸發(fā)信號作用下，電路由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)至暫穩(wěn)態(tài)；③由于電路中RC延時環(huán)節(jié)的作用，暫穩(wěn)態(tài)經(jīng)一段時間后，電路會自動返回至穩(wěn)態(tài)，而暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間取決于RC參數(shù)值。這些特點使單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可生成固定寬度的死區(qū)脈沖。兩路互補的方波分別與形成的死區(qū)脈沖相異或，就能輸出死區(qū)時間固定的兩路驅(qū)動波形。具體應用電路見圖5，其中一路PWM驅(qū)動信號死區(qū)形成的實際波形見圖6。

圖5 死區(qū)形成電路

圖6 死區(qū)形成實際波形圖

由于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器CD4538內(nèi)部的延遲，異或門CD4070的兩個輸入信號不可能完全同步，從而造成該組合邏輯電路的競爭現(xiàn)象，結(jié)果輸出了與所需驅(qū)動波形頻率相同、幅值相等的毛刺（圖7）。經(jīng)觀測，毛刺正頻寬約80 ns。該毛刺對橋式逆變電路來說是絕對不允許的，必須要消除。消除競爭冒險的方法一般有：修改邏輯設計、增加冗余項、增加選通脈沖、增加關斷脈沖和輸出端加濾波電容等。經(jīng)綜合考慮及實驗調(diào)試，本電源最終采用了加濾波電容的方法來消除毛刺。消除毛刺后的驅(qū)動波形見圖8。

圖7 異或門輸出的一路帶有毛刺的驅(qū)動波形

圖8 毛刺消除后的兩路驅(qū)動波形

4 頻率跟蹤方案與實現(xiàn)

本文采用最大電流反饋法結(jié)合相位的方法來實現(xiàn)頻率跟蹤。最大電流反饋法實現(xiàn)的關鍵是要采集到能表示交流電流大小的真有效值。本文采用的真有效值轉(zhuǎn)換芯片AD637，具有很高的精度，輸入信號的有效值在0～2 V范圍時，輸出真有效值的最大非線性誤差僅為0.02%。

有效值轉(zhuǎn)換電路見圖9。15腳接輸入電流信號，真有效值轉(zhuǎn)換芯片AD637及其外圍RC組成2極點Sallen-Key濾波器，16腳輸出電流的真有效值。

圖9 有效值轉(zhuǎn)換電路

相位法的實現(xiàn)需獲得電壓、電流的相位信息。這就需要電壓、電流相位檢測電路（圖10），采樣回來的電壓、電流信號經(jīng)高速雙通道比較器LM319組成的過零比較器，變成了低電平為0的方波信號。LM319輸出的電壓、電流信號分別接入CD4013的D端和CLK端，則Q端輸出一個指示電壓、電流相位信息的標志信號flag，其高電平表示電壓超前電流，低電平表示電流超前電壓。同時，LM319輸出的電壓、電流信號經(jīng)CD4070異或，輸出一個方波信號Err，其占空比就代表了相位差的大小。

圖10 相位檢測電路

AD637的輸出Vrms_out和相位差檢測電路輸出的flag、Err信號經(jīng)STM32采集后，通過諧振頻率搜索及相位法跟蹤后，可使電源輸出頻率與系統(tǒng)的諧振頻率保持一致。

頻率跟蹤流程見圖11。系統(tǒng)完成初始化后，在設定的掃頻范圍內(nèi)根據(jù)最大電流法搜索超聲振動系統(tǒng)的諧振頻率。搜索完成后，將找到的電流有效值最大時對應的電源輸出頻率設定為初始工作頻率，并開始檢測電壓、電流的相位差信息。如果相位差絕對值Err小于設定值ΔErr（ΔErr根據(jù)DDS芯片的分辨率及實驗確定）時，認為系統(tǒng)工作于諧振狀態(tài)，不需改變電源輸出頻率；如果Err大于ΔErr，則根據(jù)flag信號的狀態(tài)來確定是增加輸出頻率還是減小輸出頻率。頻率改變后繼續(xù)比較Err與ΔErr的大小，如此循環(huán)，即可使電源的輸出頻率跟蹤到系統(tǒng)的諧振頻率。

圖11 頻率跟蹤流程圖

完成頻率跟蹤后的電壓、電流波形見圖12?？煽闯?，電壓、電流相位差基本為零，實驗中使用的換能器由阻抗分析儀測得的諧振頻率為32.707 kHz，電源跟蹤的諧振頻率為31.362 kHz。由于本電源采用串聯(lián)電感匹配，系統(tǒng)的固有諧振頻率變小。電源運行一段時間后，隨著溫度的變化，換能器諧振頻率會發(fā)生漂移，AD9850模塊的頻率分辨率可達0.02 Hz；實際中，將跟蹤精度控制為1 Hz，能很好地實現(xiàn)頻率自動跟蹤。

圖12 頻率跟蹤波形

5 結(jié)語

本文利用STM32單片機和DDS芯片AD9850，實現(xiàn)了頻率自動跟蹤和功率的控制。STM32內(nèi)部自帶的AD模塊及帶死區(qū)控制的PWM模塊能使硬件電路大大簡化，DDS芯片又保證了頻率跟蹤的高精度。實驗結(jié)果表明本電源頻率跟蹤精度高、速度快、工作穩(wěn)定、性能可靠。

[1]馮平法，鄭書友，張京京.功率超聲加工關鍵技術的研究進展[J].制造技術與機床，2009（9）：57-62.

[2]曾東紅.數(shù)字化超聲電源系統(tǒng)的研究與設計[D].長沙：湖南師范大學，2011.

[3]李小雪，汪東，李平，等.基于DDS的超聲換能器頻率跟蹤系統(tǒng)[J].壓電與聲光，2009，31（5）：692-694.

The Study on the Ultrasonic Power Supply Based on STM32

Li Xiaodong1，Hu Hongfei1，Tang Yongjun1,2，Xu Jun1，Mo Yuandong1
（1.Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China；2.Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

An ultrasonic power based on STM32 and DDS has been designed.The high speed DDS controller generates the PWM signal required to drive the half bridge inverter，of which the dead-time is controlled by a mono-stable multi-vibrator.The frequency tracing，one of the most important function of ultrasonic power supply，has used the method of maximum current feedback and PLL-method.By adjusting the duty cycle of PWM signal generated by STM32，the output of the half-bridge inverter can be stabilized and adjusted according to the load impedance.The experiment results show that the ultrasonic power supply can provide high frequency tracing accuracy，and performance stability.The total cost of the whole system is low.

ultrasonic power；STM32；DDS；dead-time control

TG663

A

1009－279X（2014）05－0050-04

2013-12-27

國家自然科學基金資助項目（51275097）；機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室開放基金資助項目（MSV-2013-08）

李曉東，男，1988年生，碩士研究生。