3D打印機(jī)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測(cè)試

張曉龍

摘 要：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，本研究對(duì)3D打印機(jī)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測(cè)試進(jìn)行了研究，提出了有效的基于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)；高精度控制；穩(wěn)壓電源系統(tǒng)

3D打印機(jī)作為3D領(lǐng)域的一種前瞻性產(chǎn)品，帶來(lái)了世界性制造業(yè)的革命，無(wú)需機(jī)械加工或模具，就能直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的物體，目前成為一種潮流正迅猛發(fā)展。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(wèn)題。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。

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 。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(guò)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(guò)程的連續(xù)完整。

1.1主電路設(shè)計(jì)

（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)。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（1-（1）

其中U輸入為220V。

（（2）DC-DC變換電路

DC-DC變換電路選用由POWERMOSFET、電力二極管等構(gòu)成的降壓斬波電路（BuckChopper）。該電路具有易于驅(qū)動(dòng)、電壓電流容量較大等優(yōu)點(diǎn)。將經(jīng)過(guò)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 （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)。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)。將經(jīng)過(guò)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(guò)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。

（6）蓄電池

考慮到電壓、容量等問(wèn)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POWERMOSFET，由于POWERMOSFET是電壓控制型器件，因此只要控制POWERMOSFET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，POWERMOSFET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。

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 。

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)，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，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)，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(guò)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(guò)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。

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。

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(wú)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 。

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。得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(guò)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)

總之，3D打印機(jī)作為3D領(lǐng)域的一種前瞻性產(chǎn)品，是一種潮流正迅猛發(fā)展。針對(duì)3D打印機(jī)技術(shù)進(jìn)行相關(guān)的研究具有時(shí)代意義。本研究針對(duì)提高3D打印電源供電的穩(wěn)定性與可靠性，給3D打印機(jī)提供更高質(zhì)量的電源，提出了以TMS320F28027為控制核心的不斷電穩(wěn)壓濾波電源設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)調(diào)試及性能分析表明，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本符合預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，為實(shí)現(xiàn)3D打印機(jī)的高精度控制提供了技術(shù)支持。

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