摘 要: 為滿足步進電機驅動調壓電源的需要，設計了一種新型多功能受控可調開關電源。設計中采用半橋拓撲結構實現，分析了電源的工作原理及工作過程，利用單片機STM32F103VC調節PWM調制芯片SG3525的參考電壓端口，實現穩壓調壓。實驗結果表明，該電源具有高電壓調整率和負載調整率、體積小、質量輕等優點，完全滿足步進電機調頻調壓驅動方式的驅動電源的要求。
關鍵詞: 開關電源； SG3525； PWM控制器； 程控電源
步進電機的調頻調壓驅動方式需要一種受頻率可控的可調電源。本文介紹一種調頻調壓電源電路，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運行，高頻有力矩輸出。用于雕刻機的步進電機驅動電源要求0~60 V可調，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，效率80%左右。
1 調壓電源原理分析
設計基于單片機的可調電源的方案一般選取開關電源，而不是線性電源。由于總功率約250 W，線性電源體積大，發熱嚴重，設計調試困難。相反，開關電源工作在開關狀態，工作效率高，適合中大功率電源的研發，目前專用PWM集成芯片已大大簡化了開關電源的外圍電路設計。因此，調頻調壓驅動電源采用開關電源的設計方案。開關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構相比具有很多優點：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]。
單片機控制可調開關電源設計有兩種方案，一種是單片機直接控制開關器件導通和截止，通過反饋實時改變PWM信號的占空比，實現調壓穩壓；另一種方案是單片機控制脈沖寬度調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管調壓。本可調開關電源采用單片機控制脈寬調制芯片方案。
半橋型開關電源的拓撲結構如圖1所示[2-4]。控制電路輸出的PWM信號使圖中功率開關管Q1、Q2輪流導通。C1、C2和R1、R2參數相同，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的占空比即可實現調壓、穩壓的目的，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系統框圖
程控可調開關電源的系統框圖如圖2所示，整個電路包括濾波整流電路、變壓器回路、穩壓濾波電路、PWM控制器電路和電壓調節反饋回路。輸入交流電經整流濾波后得到的直流電壓加到開關管和變壓器線圈上，由PWM控制器SG3525分配開關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；次級輸出通過穩壓濾波得到滿足要求的直流電壓，由STM32F103VC輸出可調節PWM改變參考電壓，確保輸出電壓可調。
2.2 可調開關電源設計原理
本可調電源采用一款高性能專用PWM芯片SG3525實現，步進電機調頻調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,通過光耦調節，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，使得電源輸出穩定、可調。C15和R2為片內振蕩器外接電容、電阻，可設定輸出PWM波的斬波頻率。SG3525的工作頻率為：
3 半橋元件參數計算與選擇
半橋式開關電源的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無法直接驅動電子開關管，所以經過一個推動變壓器和放大電路連接MOS管。根據推動變壓器的同名端分析，Q5和Q6開關管輪流導通，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。逆變結構中的電容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呈現通態；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。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管損壞的現象。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在另半個周期內過程與上述一致。所以整個周期內，由于Q5、Q6的輪流導通，半橋式開關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的選取和計算。
3.1 高頻變壓器的設計
經測試及長時間使用證明，該電源具有適用范圍廣、輸出穩定可調、成本小、完全滿足步進電機驅動性能需求等優點，現已投入實際步進電機驅動系統中使用，工作穩定可靠。
參考文獻
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