摘 要: 為滿足步進電機驅(qū)動調(diào)壓電源的需要，設計了一種新型多功能受控可調(diào)開關(guān)電源。設計中采用半橋拓撲結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，分析了電源的工作原理及工作過程，利用單片機STM32F103VC調(diào)節(jié)PWM調(diào)制芯片SG3525的參考電壓端口，實現(xiàn)穩(wěn)壓調(diào)壓。實驗結(jié)果表明，該電源具有高電壓調(diào)整率和負載調(diào)整率、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點，完全滿足步進電機調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動方式的驅(qū)動電源的要求。
關(guān)鍵詞: 開關(guān)電源； SG3525； PWM控制器； 程控電源
步進電機的調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動方式需要一種受頻率可控的可調(diào)電源。本文介紹一種調(diào)頻調(diào)壓電源電路，輸出電壓隨步進電機工作頻率的變化而變化，從而保證電機低頻平穩(wěn)運行，高頻有力矩輸出。用于雕刻機的步進電機驅(qū)動電源要求0~60 V可調(diào)，額定電流4 A，為實驗方便，輸入市電220 V，電源的紋波要求5%以內(nèi)，效率80%左右。
1 調(diào)壓電源原理分析
設計基于單片機的可調(diào)電源的方案一般選取開關(guān)電源，而不是線性電源。由于總功率約250 W，線性電源體積大，發(fā)熱嚴重，設計調(diào)試困難。相反，開關(guān)電源工作在開關(guān)狀態(tài)，工作效率高，適合中大功率電源的研發(fā)，目前專用PWM集成芯片已大大簡化了開關(guān)電源的外圍電路設計。因此，調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動電源采用開關(guān)電源的設計方案。開關(guān)電源有很多種分類方式，如正激式、反激式、推挽型、半橋型與全橋型等拓撲。半橋型與其他拓撲結(jié)構(gòu)相比具有很多優(yōu)點：多組隔離輸出、容易進行功率匹配，抗不平衡能力強，安全穩(wěn)定及EMI干擾較低，故得到了極其廣泛的應用[1]。
單片機控制可調(diào)開關(guān)電源設計有兩種方案，一種是單片機直接控制開關(guān)器件導通和截止，通過反饋實時改變PWM信號的占空比，實現(xiàn)調(diào)壓穩(wěn)壓；另一種方案是單片機控制脈沖寬度調(diào)制芯片的反饋比較端口，通過改變專用PWM芯片的參考電壓來間接地控制開關(guān)管調(diào)壓。本可調(diào)開關(guān)電源采用單片機控制脈寬調(diào)制芯片方案。
半橋型開關(guān)電源的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示[2-4]。控制電路輸出的PWM信號使圖中功率開關(guān)管Q1、Q2輪流導通。C1、C2和R1、R2參數(shù)相同，起到分壓作用，故在Q1和Q2都截止時，R1和R2之間的電壓為Ui/2。Q1導通時，電容C1放電，C1、Q1、變壓器原邊、C3構(gòu)成放電回路。同時,輸入電壓Ui對儲存電容C2進行充電，直至Q1關(guān)斷。當Q2導通時，工作過程與Q1類似，對稱電容交替進行儲能和放電。輸出回路中D1和D2起整流作用，L和C4為濾波電路。改變Q1和Q2處PWM的占空比即可實現(xiàn)調(diào)壓、穩(wěn)壓的目的，實際應用中在變壓器原邊串入一個耦合電容C4，以增加電路的抗不平衡能力。
2 PWM控制電路的設計
2.1系統(tǒng)框圖
程控可調(diào)開關(guān)電源的系統(tǒng)框圖如圖2所示，整個電路包括濾波整流電路、變壓器回路、穩(wěn)壓濾波電路、PWM控制器電路和電壓調(diào)節(jié)反饋回路。輸入交流電經(jīng)整流濾波后得到的直流電壓加到開關(guān)管和變壓器線圈上，由PWM控制器SG3525分配開關(guān)管的導通和截止時間，以完成對變壓器原邊繞組的充放電控制；次級輸出通過穩(wěn)壓濾波得到滿足要求的直流電壓，由STM32F103VC輸出可調(diào)節(jié)PWM改變參考電壓，確保輸出電壓可調(diào)。
2.2 可調(diào)開關(guān)電源設計原理
本可調(diào)電源采用一款高性能專用PWM芯片SG3525實現(xiàn)，步進電機調(diào)頻調(diào)壓電源的控制電路如圖3所示。單片機控制信號PWM由J1輸入,通過光耦調(diào)節(jié)，與輸出信號共同反饋到SG3525的反相輸入端和補償端，用以改變11腳和14腳輸出的PWM占空比，使得電源輸出穩(wěn)定、可調(diào)。C15和R2為片內(nèi)振蕩器外接電容、電阻，可設定輸出PWM波的斬波頻率。SG3525的工作頻率為：
3 半橋元件參數(shù)計算與選擇
半橋式開關(guān)電源的AC-DC部分電路如圖4所示。整個電路包括輸入全橋整流、半橋逆變和輸出整流。由于SG3525輸出的PWM無法直接驅(qū)動電子開關(guān)管，所以經(jīng)過一個推動變壓器和放大電路連接MOS管。根據(jù)推動變壓器的同名端分析，Q5和Q6開關(guān)管輪流導通，將整流橋后的直流電逆變成交流電，最后整流輸出直流電壓。逆變結(jié)構(gòu)中的電容C2和C3中點電壓為整流橋電壓的一半，約為150 V。當Q5導通時，C2上的150 V加在變壓器T1的原邊繞組上，則D9呈現(xiàn)通態(tài)；當Q6導通時，T1原邊上的電壓極性和Q5導通時的極性相反，D8處于通態(tài)。其中，隔直電容C4用來消除半橋電容C2、C3連接點的電位浮動，保證中間連接點的電位平衡，防止因為變壓器磁芯飽和引起開關(guān)管損壞的現(xiàn)象。輸出端的變壓器T1副邊電路的工作過程如下：Q6導通時,由正激變換原理可知，副邊繞組激勵到的電壓使D8導通，電感L1儲能；當D8反向截止時，電感L1反激，儲存的能量相負載釋放。D9在另半個周期內(nèi)過程與上述一致。所以整個周期內(nèi)，由于Q5、Q6的輪流導通，半橋式開關(guān)電源都向負載提供功率輸出，輸出電壓特性好，電流響應速度快。下面分析主電路中的主要參數(shù)的選取和計算。
3.1 高頻變壓器的設計
經(jīng)測試及長時間使用證明，該電源具有適用范圍廣、輸出穩(wěn)定可調(diào)、成本小、完全滿足步進電機驅(qū)動性能需求等優(yōu)點，現(xiàn)已投入實際步進電機驅(qū)動系統(tǒng)中使用，工作穩(wěn)定可靠。
參考文獻
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[4] 陳培民.五相混合式步進電動機PWM調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動[J].華僑大學學報(自然科學版),1995,16(2):145-149.