一種用于振動送料機的數字化變頻電源設計

韓冬林，王程勝

(天津中德職業技術學院，天津300350)

一種用于振動送料機的數字化變頻電源設計

韓冬林，王程勝

(天津中德職業技術學院，天津300350)

采用集成功率控制PWM模塊的增強型單片機PIC18F4431作為主控制器芯片，完成了一種用于振動送料機的數字化變頻電源控制系統軟硬件設計任務，實現了電源輸出頻率和輸出電壓獨立實時調控功能，并用樣機驗證了該設計。

變頻電源；振動送料機；PIC18F4431；功率控制PWM模塊

振動送料機是自動加工和自動裝配系統中的一種供料裝置，由于其整列定向性能優良，供料效率高，通用性好，因而廣泛應用于自動裝配、自動加工、自動包裝等各種機械上[1]。針對不同物料的形狀、材料和送料要求，電磁振動送料裝置的動力系統結構和定向機構均不同，這種多性能指標和多影響參數的匹配問題一直是電磁振動送料技術的研究難題[2]。電磁振動送料裝置的機械參數決定了系統的幅頻特性，減小振動部分的質量或增大彈簧的彈性系數，會使送料系統的固有頻率升高，反之會降低固有頻率[3]，因此采用固定工作頻率(50/60 Hz)的工頻電源很難精確控制物料的傳送速度和傳送間距。本文采用美國Microchip公司的PIC18F4431單片機作為主控制器，設計了一種數字化的變頻電源驅動器，采用C語言編程方式，實現了電磁振動送料裝置的機電參數優化匹配設計。

1 硬件電路設計

1.1 主控制器電路設計

振動送料機的驅動電源必須能夠靈活地調節輸出頻率和輸出電壓，以達到匹配各種機械系統固有頻率和各種物料傳送要求的目的，所以需要設計一種既能變頻又能變壓的可調電源，綜合考慮性能、體積和成本等因素，本設計選用了PIC18F4431單片機作為主控制器。

PIC18F4431單片機是美國Microchip公司生產的一款采用納瓦技術的增強型單片機，具備高耐久性的增強型閃存程序存儲器和工業級的溫度范圍[4]，非常適合工業環境中高性能功率控制領域的應用。本設計中用到的PIC18F4431單片機的硬件資源如下：

(1)8×8硬件乘法器：PIC18F4431器件中的ALU中包含了一個8×8硬件乘法器，能夠在一個指令周期內通過硬件操作完成單字節的乘法運算[4]，乘法性能的增強使PIC18F4431器件可以部分替代數字信號處理器DSP的應用設計。

(2)功率控制PWM模塊：在功率轉換應用中，功率控制PWM模塊簡化了產生多種同步脈沖寬度調制(PWM)輸出的過程，PIC18F4431器件中的功率控制PWM模塊分辨率高達14位，具有4個占空比發生器，PWM輸出管腳多達8個[4]，可以將PWMH引腳和PWML管腳靈活配對，適用于各種功率控制模式。

(3)10位高速模數轉換器(A/D)模塊：PIC18F4431器件中的A/D轉換模塊支持多達9個輸入通道，采樣速率高達200 kb/s，具備雙通道同步采樣功能[4]。

圖1中采用3個共陽極的數碼管DS1～DS3，用于顯示電源的輸出頻率和輸出電壓，因為需要用這3個數碼管分時顯示頻率和電壓數值，所以在硬件設計中采用撥碼開關S2控制顯示和調整之間的動作切換。當S2.Bit1-8處于OFF狀態時，3個數碼管顯示的是輸出頻率值，分辨率為0.1 Hz；當S2.Bit1-8處于ON狀態時，3個數碼管顯示的是輸出電壓幅值的百分比，分辨率為1%。當S2.Bit2-7處于OFF狀態時，輸出頻率值可以由電位器HZ調整，調整范圍為20.0～80.0 Hz；當S2. Bit2-7處于ON狀態時，輸出頻率被鎖定在當前電位器HZ設定的工作頻率上，并在工作過程中一直保持該輸出頻率不變，保證調整好的電源輸出頻率與送料機的機械固有頻率形成最佳的共振參數匹配，并且保證這種共振匹配不會因為工作時間的長短而發生頻率參數漂移。同樣道理，當S2.Bit3-6處于OFF狀態時，輸出電壓幅值可以由電位器VT調整，調整范圍為30%～100%；當S2.Bit3-6處于ON狀態時，輸出電壓幅值被鎖定在當前電位器VT設定的輸出電壓幅值上，并在工作過程中一直保持該輸出電壓幅值不變。對于電磁振動送料機而言，在傳動系統機械特性不變的前提下，精確地控制物料的傳送速度和傳送間距的關鍵在于對共振頻率和振幅的準確控制，并保證頻率和振幅這兩項關鍵控制參數能夠數字鎖定，不受工作時間和外界電磁干擾的影響。

圖1 PIC18F4431單片機主控電路原理圖

圖2 功率輸出電路原理圖

1.2 功率輸出電路設計

PIC18F4431單片機內部集成的功率控制PWM模塊包含4個PWM發生器和8個輸出管腳PWM1H/PWM1L～PWM4H/ PWM4L，可配置成邊沿對齊或中心對齊兩種PWM脈沖輸出方式，并且支持在成對的PWMXH/PWMXL輸出脈沖之間進行可編程死區控制[4]。在本設計中，因為只需要控制一只電磁線圈的工作狀態，所以只需要對PWM1輸出通道進行設置和控制。功率輸出部分電路如圖2所示。

本電源的輸入電壓為220 V(AC)，直流母線(VBUS/AGND)之間的供電電壓大約為300 V(DC)左右，電磁線圈額定工作電流為7 A，功率輸出電路選用IRFP22N50作為逆變開關，IRFP22N50是一款專用于開關電源(SMPS)的功率場效應管，耐壓為500 V，導通電阻DS最大值為0.23Ω，連續工作時漏極電流最大值為22 A[5]，完全能夠滿足功率輸出電路設計要求。

圖1中的PIC18F4431單片機功率控制PWM模塊輸出管腳RB1/PWM1生成PWM控制信號，分為兩路輸入圖2中的光電耦合器OPH和OPL，經光電隔離后的PWM信號PH和PL分別送入由IR2118組成的驅動電路U2和U3。IR2118是一款專用的場效應管驅動芯片，最高偏置電壓為600 V，可輸出10～20 V電壓信號直接驅動功率場效應管[6]。U2和U3的輸出信號HO分別驅動上下橋臂的功率場效應管Q1和Q2，PIC18F4431單片機可以通過軟件實時調整PWM脈沖信號來實現對電磁線圈L1的工作頻率和電壓的控制。

PIC18F4431單片機的功率控制PWM模塊具備兩路故障保護輸入管腳RC1/FLTA和RC2/FLTB，故障保護管腳為低電平輸入有效，主要作用是禁止PWM輸出信號，并將其驅動為無效狀態[4]。本設計中使用RC1/FLTA管腳來實現功率場效應管Q1和Q2過流保護功能，圖2中的直流母線過流保護電路主要由R39、R40、R41、C23、U4A、U4B、OPFA等元件構成，其中R39(0.047Ω/5 W)作為電流檢測電阻，運放U4A作為電壓跟隨器，運放U4B作為電壓比較器，U4B的同相輸入端的信號為VREF，電壓基準信號VREF由R42、R43、C24組成的分壓電路產生，VREF信號電平為5 V，當電壓跟隨器U4A的輸出電壓超過5 V時，電壓比較器U4B的輸出信號ITRP變為低電平，光電隔離器OPFA內部的發光二極管導通，光電三級管的輸出信號FA由正常時的高電平拉低為低電平，觸發PIC18F4431單片機的故障保護輸入管腳RC1/FLTA，同時鎖定PWM輸出管腳RB1/PWM1為無效狀態，實現了過流保護功能。

場效應管驅動器IR2118工作時的總功耗為[7]：式中：是驅動器由于場效應管柵極電容充放電而產生的功耗是驅動器由于吸收靜態電流而產生的功耗；是驅動器內部由于交越導通而產生的功耗。其中部分的功耗是最高的，特別是在較低的PWM頻率工作時[7]。本設計將PIC18-F4431單片機的PWM驅動脈沖工作頻率定為10 kHz，因此場效應管驅動器IR2118的功耗主要源于。

2 軟件流程設計

2.1 主程序控制流程

本變頻電源的單片機控制軟件采用C語言進行模塊化開發，主程序包括初始化模塊、撥碼開關讀取模塊、頻率設定ADC模塊、電壓設定ADC模塊、功率控制PWM管理模塊、數碼管顯示模塊。主程序流程如圖3所示。

圖3 主程序控制流程

PIC18F4431單片機上電復位后首先調用初始化模塊，完成單片機通用I/O口的設置、單片機內部模數轉換器和功率控制PWM模塊的初始化任務，然后進入主循環程序。在主循環程序中第一步先調用撥碼開關讀取模塊，讀出撥碼開關S2的設定狀態，程序根據S2的設定狀態去控制頻率/電壓的讀取及數碼管顯示內容的切換，單片機通過調用頻率設定ADC模塊和電壓設定ADC模塊完成對電位器HZ和電位器VT電壓值的采樣讀取；第二步根據當前頻率/電壓的設定值，調用功率控制PWM管理模塊，通過調整PWM脈沖的載波頻率和占空比，完成對工作頻率和工作電壓的實時調節控制功能。

2.2 功率控制PWM管理程序

通過正確設置并實時刷新PIC18F4431單片機功率控制PWM模塊的內部寄存器組，就可以產生逆變電路需要的PWM驅動脈沖。PTMRH/PTMRL寄存器設定PWM時基，PTPERL/PTPERH寄存器設定PWM脈沖周期，PDC1L/PDC1H寄存器控制PWM占空比[4]。本設計將PWM模塊設置為自由運行模式，PWM信號的最大分辨率(以位為單位)為：式中：為單片機晶振時鐘頻率；PWM為PWM脈沖周期。使用單片機功率控制PWM模塊產生正弦波最實用的方法就是使用一個包含正弦波所有工作點的ROM查找表，單片機PWM管理程序每經過一個周期性的時間間隔從該查找表讀出工作點的正弦波數據，然后將該數據進行換算，使之符合所允許的PWM占空比范圍，并將換算值寫入占空比控制寄存器[8]。理論上，ROM查找表中正弦波工作點的點數越多越好，但是查找表中的點數過多會占用單片機寶貴的ROM空間，實用的方法是根據PWM載波頻率和PWM最大調制頻率確定查找表中的點數值，具體算法如下[8]：

3 系統實現

本文提出的基于PIC18F4431單片機的數字化變頻電源樣機采用模塊化設計方案，分別設計了單片機主控電路板與數碼管顯示電路板，由于采用了高集成度的增強型單片機芯片PIC18F4431，顯著地降低了電路板的元器件數量，既降低了PCB的布線難度又有效地提高了變頻電源的性能，圖4是樣機電路板的實物照片。

圖4 樣機電路板實物圖

4 結論

本文基于集成了功率控制PWM模塊的增強型單片機PIC18F4431，設計了用于振動送料機的數字化變頻驅動電源，實現了對電源輸出頻率和輸出電壓兩項工作參數獨立實時調控的技術要求，達到了匹配各種機械系統固有頻率和各種物料傳送要求的目的。通過對功率控制PWM管理程序的優化設計，已經在多種形式的電磁振動送料機械系統中，實現了對物料傳送速度和傳送間距的精確控制，達到了針對每臺振動送料裝置定制最佳機電參數匹配的工藝設計要求。

[1]杜玉明,關志華,吳瑞,等.壓電式振動給料機的技術反求[J].機械設計，1999(4)：18-20.

[2]祝水琴,牛鳳蓮.電磁振動給料系統的動力學仿真分析與研究[J].礦山機械，2009(7)：44-46.

[3]魏澤鼎,閻濤.振動上料裝置的機電參數研究[J].河北科技大學學報，2009(9)：230-233.

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[5]International Rectifier Corporation.SMPS MOSFET IRFP22N50A Data Sheet[M].California,United States of America:International Rectifier Corporation,2006.

[6]International Rectifier Corporation.IR2118 Single Channel Driver Data Sheet[M].California,United States of America:International Rectifier Corporation,2008.

[7]Microchip Technology Inc.Matching MOSFET Drivers to MOSFETs [M].Arizona,United States of America:Microchip Technology Inc, 2004.

[8]Microchip Technology Inc.An Introduction to AC Induction Motor Control Using the dsPIC30F/dsPIC33F DSC[M].Arizona,United States of America:Microchip Technology Inc,2005.

Design of digital variable frequency power supply for vibration feeder

HAN Dong-lin,WANG Cheng-sheng

Using integrated power control PWM module enhanced MCU PIC18F4431 as the main controller chip,the hardware and software design task of digital variable frequency power supply for vibration feeder was completed. Independent real-time control function of the power supply output frequency and output voltage was realized.The design was verified.

variable frequency power supply;vibration feeder;PIC18F4431;power control PWM module

TM 571

A

1002-087 X(2015)03-0597-03

2014-08-25

韓冬林(1966—)，男，天津市人，正高級工程師，主要研究方向為傳感器與電控技術。