基于3D打印機(jī)的不斷電穩(wěn)壓濾波電源設(shè)計(jì)

傅貴玲　左鵬飛　張寧　周宇　羊豪門

【摘 要】3D打印技術(shù)是一項(xiàng)具有工業(yè)革命意義的新興制造技術(shù)，隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，高精度成為3D打印技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向，這就對(duì)電源供電的穩(wěn)定性與可靠性提出了更高的要求。針對(duì)這一問題，我們分析了3D打印機(jī)的供電電路結(jié)構(gòu)，研究了其電路參數(shù)，分析了其對(duì)供電穩(wěn)定性與可靠性的影響，分析了用戶側(cè)諧波對(duì)3D打印機(jī)打印精度的影響，并基于PSIM進(jìn)行了建模仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，提出了基于3D打印機(jī)的不斷電穩(wěn)壓濾波電源設(shè)計(jì)方案，為進(jìn)一步提升打印精度提供了可行的技術(shù)支持。

【關(guān)鍵詞】3D打印機(jī)；穩(wěn)壓電源；不斷電；濾除諧波

中圖分類號(hào)： TP334.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2017）20-0115-002

Continuous Electric Power Supply Voltage Filter Design based on 3D Printer

FU Gui-ling ZUO Peng-fei ZHANG Ning ZHOU Yu YANG Hao-men

（School of Mechanical Electronic&Information Engineering，China University of Mining&Technology（Beijing），

Beijing 100083，China）

【Abstract】3D printing has become a new manufacturing technology which has the industrial revolution significance. With the continuous development of 3D printing technology，high precision will be an important developing of 3D printing device.This is for the stability and reliability of power supply put forward higher requirements.In order to solve this problem，we analyzed the power supply circuit structure of 3D printing，the circuit parameters were studied，and analyzes its stability and reliability of power supply，and analyzes the user side harmonic effects on 3D printing，And the modeling simulation and experimental validation with the PSIM，is proposed based on electric power supply voltage filtering of printer design scheme，to further enhance the printing precision provides a feasible technical support.

【Key words】3D printer；Power supply；Continuous electric；Filter

3D打印技術(shù)出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代中期，實(shí)際上是利用光固化和紙層疊等技術(shù)的最快速成型裝置。目前3D打印技術(shù)逐漸成熟，到今天已經(jīng)漸漸進(jìn)入了商用時(shí)代。已經(jīng)十分廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，醫(yī)療用品、日常消費(fèi)、服裝時(shí)尚、航天航空、汽車、建筑設(shè)計(jì)等等。

雖然3D立體打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速、前景可期，但其發(fā)展仍然存如成本、材料、標(biāo)準(zhǔn)與軟件、成形精度等許多問題。[1]尤其是其成形精度對(duì)其應(yīng)用范圍有著直接的影響，因此實(shí)現(xiàn)3D打印機(jī)的高精度控制對(duì)3D打印技術(shù)進(jìn)步有著重大意義，而其電源供電的穩(wěn)定性與可靠性又制約了其精度的進(jìn)一步提高，因此提高電源供電的質(zhì)量對(duì)3D打印機(jī)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用具有重大意義。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了給3D打印機(jī)提供更高質(zhì)量的電源，設(shè)計(jì)的不斷電濾波穩(wěn)壓電源由主電路、控制電路和保護(hù)電路共同組成。主電路由整流部分、濾波環(huán)節(jié)、DC-DC變換電路、逆變電路、充電回路、蓄電池等模塊組成。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。由交流電網(wǎng)輸入的220V、50Hz交流電一方面經(jīng)整流環(huán)節(jié)，輸出198V直流電，經(jīng)濾波環(huán)節(jié)供給DC-DC變換電路，這里的DC-DC變換電路采用的是降壓斬波電路，經(jīng)降壓變換電路將電壓降至13.33V，再經(jīng)濾波環(huán)節(jié)濾除諧波，最后經(jīng)逆變環(huán)節(jié)逆變?yōu)?2V交流電供給電機(jī)。另一方面，由電網(wǎng)輸入的交流電經(jīng)充電回路給蓄電池充電，一旦打印過程中停電，便由蓄電池代替整流回路給后續(xù)環(huán)節(jié)供電，從而保證了打印過程的連續(xù)完整。

1.1 主電路設(shè)計(jì)

主電路由整流部分、DC-DC變換電路、濾波環(huán)節(jié)、逆變電路、充電回路、蓄電池等

模塊組成，主電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。（圖2中已去掉觸發(fā)電路部分，只保留了主電路）

（1）整流部分

整流電路選用由電力二極管構(gòu)成的單相橋式不可控整流電路。該電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。其主要電路結(jié)構(gòu)如圖2中{1}所示。將由交流電網(wǎng)輸入的220V、50Hz交流電整流成為直流電，經(jīng)感容濾波器得到近似平直的直流電。

輸出電壓Ud1的大小由以下公式得到：

Ud1=0.9U輸入[2] （1-1）

其中U輸入為220V。

（2）DC-DC變換電路endprint

DC-DC變換電路選用由POWER MOSFET、電力二極管等構(gòu)成的降壓斬波電路（Buck Chopper）。該電路具有易于驅(qū)動(dòng)、電壓電流容量較大等優(yōu)點(diǎn)。其主要電路結(jié)構(gòu)如圖2中{2}所示。將經(jīng)過整流濾波的u1降壓得到u2。

輸出電壓Ud2的大小由以下公式得到：

Ud2=Ud1*ton/T[3] （1-2）

其中ton為電路中POWER MOSFET導(dǎo)通的時(shí)間，T為開關(guān)周期長(zhǎng)度。

控制方式選用脈沖寬度調(diào)制，即保持開關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間ton，從而將Ud2調(diào)整為期望值。

（3）濾波環(huán)節(jié)

濾波環(huán)節(jié)采用由運(yùn)算放大器等構(gòu)成的壓控電壓源二階低通濾波器。該濾波器具有濾波效果好、不會(huì)產(chǎn)生自激振蕩等優(yōu)點(diǎn)。其主要電路結(jié)構(gòu)如圖2中所示。將諧波濾除，得到諧波含量較低的電壓。

（4）逆變電路

逆變電路采用由POWER MOSFET等構(gòu)成的單相電壓源型全橋逆變電路。該電路具有開關(guān)電流小、管子承受的反壓低等優(yōu)點(diǎn)。其主要電路結(jié)構(gòu)如圖2中{3}所示。將經(jīng)過濾波的直流電u3逆變成為交流電u4。

（5）充電回路

蓄電池的充電方式有恒電流充電和恒電壓充電兩種。采用恒電流和恒電壓相結(jié)合的二階段快速充電方法，首先，以恒電流充電至預(yù)定的電壓值，然后，改為恒電壓完成剩余的充電。一般兩階段之間的轉(zhuǎn)換電壓就是第二階段的恒電壓，采用芯片 UC3842 進(jìn)行控制。其本質(zhì)就是個(gè)具有限流穩(wěn)壓功能的開關(guān)電源，只要將額定電壓，浮充電壓，恒流充電電流設(shè)置恰當(dāng)，就能使蓄電池的充電過程基本上沿著理想的充電曲線進(jìn)行，從而延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。[4]

（6）蓄電池

考慮到電壓、容量等問題，蓄電池采用12V的蓄電池17節(jié)。

1.2 驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

上述各模塊中采用的可控型器件均為POWER MOSFET，由于POWER MOSFET是電壓控制型器件，因此只要控制POWER MOSFET的柵極電壓就可以使其開通或關(guān)斷，并且開通時(shí)維持比較低的通態(tài)壓降。研究表明，POWER MOSFET的安全工作區(qū)和開關(guān)特性隨驅(qū)動(dòng)電路的改變而變化。因此，為了保證POWER MOSFET可靠工作，驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路至關(guān)重要。POWER MOSFET驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路的原則如下：

1）動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，能為柵極提供具有陡峭前后沿的驅(qū)動(dòng)脈沖；

2）開通時(shí)能提供合適的正向柵極電壓（12～15V），關(guān)斷時(shí)可以提供足夠的反向關(guān)斷柵極電壓（一5V）；

3）盡可能少的輸入輸出延遲時(shí)間，以提高工作效率；

4）足夠高的輸入輸出電氣隔離特性，使信號(hào)電路與柵極驅(qū)動(dòng)電路絕緣；

5）出現(xiàn)短路、過流的情況下，具有靈敏的保護(hù)能力。

目前，在實(shí)際應(yīng)用中，普遍使用驅(qū)動(dòng)與保護(hù)功能合為一體的POWER MOSFET專用的驅(qū)動(dòng)模塊。

綜合以上幾點(diǎn)，準(zhǔn)備選用陜西高科電力電子有限責(zé)任公司生產(chǎn)的HL402A（B）IGBT驅(qū)動(dòng)集成電路。

2 系統(tǒng)控制

系統(tǒng)的控制以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的不斷電穩(wěn)壓且諧波含量盡可能低為目標(biāo)，主要分為不斷電控制、穩(wěn)壓控制兩方面。降低諧波含量主要采取優(yōu)化濾波電路的措施來實(shí)現(xiàn)。整個(gè)系統(tǒng)選用TI公司生產(chǎn)的TMS320F28027 DSP進(jìn)行采樣、PI調(diào)節(jié)并輸出相應(yīng)的PWM波進(jìn)行控制。

2.1 不斷電控制

不斷電控制主要體現(xiàn)在系統(tǒng)斷電時(shí)立刻用蓄電池代替整流環(huán)節(jié)對(duì)后續(xù)環(huán)節(jié)進(jìn)行供電。

為達(dá)到以上要求，準(zhǔn)備在整流濾波輸出點(diǎn)設(shè)置A/D采樣點(diǎn){1}，采樣頻率設(shè)置為10KHz，采樣數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋給控制器，若連續(xù)三次A/D采樣結(jié)果均為0V則認(rèn)為系統(tǒng)斷電，此時(shí)導(dǎo)通圖3中的POWER MOSFET，使蓄電池連入電路中為電路供電。

2.2 穩(wěn)壓控制

穩(wěn)壓控制主要體現(xiàn)在系統(tǒng)輸出電壓一直維持在接近恒定水平。

為達(dá)到以上要求，準(zhǔn)備在降壓斬波電路、濾波逆變?nèi)齻€(gè)模塊的輸出點(diǎn)分別設(shè)置A/D采樣點(diǎn){2}{3}（如圖1所示），采樣頻率設(shè)置為10KHz，采樣數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋給控制器，控制器通過將采樣回的值與預(yù)先設(shè)定的電壓值進(jìn)行比較得到差值，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)電壓波動(dòng)時(shí)均可通過PID算法調(diào)節(jié)降壓斬波電路和逆變電路的觸發(fā)角以保證輸出電壓維持在設(shè)定的穩(wěn)定值。具體的控制結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

2.3 濾波電路設(shè)計(jì)

為濾除用戶端諧波等各種諧波，以避免諧波對(duì)打印精度的影響，計(jì)劃在各個(gè)環(huán)節(jié)后面加入濾波電路，考慮到常用的RC濾波電路會(huì)消耗有功功率，降低電源的功率因數(shù)，計(jì)劃選用LC濾波電路進(jìn)行濾波，在有效濾波的同時(shí)又不會(huì)消耗有功功率，以保證電源功率因數(shù)維持在一個(gè)較高的水平。

在具體的電路結(jié)構(gòu)上，我們比較了LC、LCL、CLC等濾波電路結(jié)構(gòu)，最終針對(duì)各處電路結(jié)構(gòu)的不同做出了相應(yīng)的選擇。具體的濾波器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 系統(tǒng)調(diào)試及性能分析

3.1 濾波器參數(shù)計(jì)算

為了保證濾波器的濾波效果，必須保證濾波器的轉(zhuǎn)折頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基波頻率，通常取濾波器的轉(zhuǎn)折頻率為基波頻率的5～10 倍，開關(guān)頻率也為轉(zhuǎn)折頻率的5～10倍。確定了濾波器的轉(zhuǎn)折頻率之后，只要在確定電感或電容的大小就能確定濾波器的參數(shù)。

3.2 PI參數(shù)調(diào)試

考慮到PI控制快速且無靜差的優(yōu)點(diǎn)，在控制中我們選用了簡(jiǎn)便易行的PI控制，PI參數(shù)的調(diào)試主要在PSIM中進(jìn)行，按照慣例，先調(diào)節(jié)P參數(shù)，后調(diào)節(jié)I參數(shù)，之前還考慮加入前饋控制，但是結(jié)果證明PI控制已經(jīng)達(dá)到了很好地控制效果。

3.3 程序編寫

編程軟件使用的是TI公司的CCS5.5，編程主要涉及了DSP的AD采樣模塊和PWM輸出模塊，中間設(shè)計(jì)了PI算法和IQMATH的使用，主要的程序流程圖如圖5所示。

3.4 仿真結(jié)果

我們用PSIM進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果能較好的達(dá)到各項(xiàng)指標(biāo)要求。仿真波形如圖6所示。

從上圖可以看出最后逆變出的波形是十分標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，畸變非常小，且經(jīng)過各個(gè)濾波環(huán)節(jié)的濾波，諧波含量也非常的低。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)基本符合我們的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 總結(jié)

該系統(tǒng)以TMS320F28027為控制核心，采用了交-直-交的方式，輔以PI調(diào)節(jié)和多個(gè)濾波器的配合，較好的實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)壓、不斷電和諧波含量低的實(shí)際目標(biāo)，若實(shí)際運(yùn)用到3D打印機(jī)中，可有效解決電源問題導(dǎo)致的打印精度較低的問題，切實(shí)提高3D打印機(jī)的打印精度。

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