基于STM32微控制器的高頻脈寬調(diào)制器的設(shè)計

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(1.廣東工業(yè)大學 機電工程學院，廣州 510006；2.廣州市非傳統(tǒng)制造技術(shù)及裝備重點實驗室，廣州 510006； 3.佛山市鉻維科技有限公司，廣東 佛山 528225)

0 引言

電解加工是利用金屬在電解液中發(fā)生陽極溶解的電化學原理來加工金屬材料，具有工具電極無損耗、無宏觀切削力、材料以離子形式去除等工藝特點，因而在微型機械零部件、表面功能結(jié)構(gòu)、難加工材料以及薄壁零件的加工制造領(lǐng)域有著“得天獨厚”的優(yōu)勢。基于電解加工工藝的特殊性，如何進一步提高加工定域性、減小雜散腐蝕成為這項加工工藝能否廣泛運用于精密零部件及微納米尺度表面功能結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域的關(guān)鍵因素。研究表明，利用高頻脈沖電源進行電解加工有利于在間隙內(nèi)產(chǎn)生與脈沖電流同步的脈沖壓力波，加強了對電解液流場的攪拌作用，使得間隙內(nèi)的流場分布趨于均勻，并改善間隙內(nèi)散熱條件，使得脈沖電解加工的加工間隙大為減小,提高了加工的定域性，故利用高頻脈沖電源進行電解加工是提高電解加工精度、減小雜散腐蝕的有效途徑[1-2]。

基于高頻脈沖電源對頻率、占空比穩(wěn)定調(diào)節(jié)的要求，研制了一款高頻脈寬調(diào)制器。它是以32位微型控制器芯片STM32F103RCT6為核心，通過STM32內(nèi)部的定時器構(gòu)建脈寬調(diào)制模塊輸出PWM信號經(jīng)驅(qū)動電路生成IGBT控制信號。STM32是基于ARM內(nèi)核的32位MCU，其內(nèi)核芯片分為F1和F4系列芯片[3]。STM32F103RCT6內(nèi)核芯片采用32位高性能ARM Cortex-M3處理器，內(nèi)置4個通用定時器、2個基本定時器、2個高級定時器，且每個高級及通用定時器帶有4個相互獨立的通道，內(nèi)部時鐘頻率高達72 MHz，硬件資源豐富，完全能滿足高頻脈寬調(diào)制器對芯片硬件資源的開發(fā)需求。本課題來源于國家自然科學基金項目，本文對高頻脈沖電源的脈寬調(diào)制器的設(shè)計進行了研究。

1 脈寬調(diào)制原理

在電源主電路中，三相380 V/220 V交流輸入經(jīng)大功率整流二極管得到直流電壓后，經(jīng)過濾波電容得到較平滑的直流電壓。直流電壓經(jīng)過IGBT全橋逆變后變成交流電[4-5]。脈寬調(diào)制是IGBT逆變電路的核心部分，通過ARM輸出PWM信號并改變脈沖信號的占空比及頻率經(jīng)驅(qū)動電路提升驅(qū)動電壓后控制逆變電源的輸出。IGBT逆變電路中，橋臂IGBT1和IGBT4作為一對，橋臂IGBT2和IGBT3作為一對，成對的兩個橋臂同時導通，兩對交替各導通180°，故只需兩路PWM信號就能控制全橋逆變電路的交替通斷。由定時器TIM1的通道CH1、通道CH2產(chǎn)生兩路180°互補的脈沖信號PWM1和PWM2來控制橋臂IGBT1和IGBT2的導通與關(guān)斷。因為成對的兩個橋臂是同時導通或關(guān)斷的，所以定時器TIM1產(chǎn)生的兩路互補的脈沖信號PWM1和PWM2同時也能控制橋臂IGBT4和IGBT3的導通與關(guān)斷[6-7]。

本文提出的脈寬調(diào)制方案是通過STM32內(nèi)置的高級定時器TIM1構(gòu)建PWM脈沖信號輸出模塊，改變脈沖信號的占空比及頻率并經(jīng)驅(qū)動電路提高驅(qū)動電壓來控制功率開關(guān)管IGBT1～IGBT4的交替通斷及通斷頻率。脈沖信號的輸出頻率與高級定時器TIM1內(nèi)部計數(shù)器的時鐘頻率(CK_CNT)及自動重裝載值(ARR)有關(guān)，分別由定時器TIM1的計數(shù)器寄存器(TIM1_CNT)及對應(yīng)的自動重裝載寄存器(TIM1_ARR)控制，時鐘頻率計算方法如圖1所示。

圖1 定時器1時鐘頻率

本文設(shè)定定時器1的時鐘來源為內(nèi)部定時器(CK_INT)且從APB2時鐘倍頻而來。如圖1所示，AHB時鐘可經(jīng)過9種分頻因子分頻后送給APB2時鐘使用，除非APB2時鐘由AHB時鐘1倍頻所得，定時器1的時鐘(CK_PSC)就等于APB2的時鐘，否則定時器1的時鐘是APB2時鐘的兩倍[8-9]。利用式(1)計算定時器1的計數(shù)器時鐘(CK_CNT)頻率。

(1)

f(CK_CNT)為計數(shù)器時鐘頻率；F(CK_PSC)為定時器1的時鐘頻率；psc為預分頻系數(shù)；

確定好定時器1的計數(shù)器時鐘頻率及自動重裝載值(ARR)后，定時器1的計數(shù)器將按設(shè)定好的計數(shù)頻率自動從0計數(shù)到自動重裝載值，通過設(shè)置計數(shù)器的時鐘頻率及自動重裝載值控制脈沖信號的輸出頻率。

定時器1有4個獨立的輸出通道，通過設(shè)置捕獲/比較模式寄存器(TIM1_CCMR1)、捕獲/比較寄存器1、2(TIM1_CCR1、TIM1_CCR2)等寄存器使定時器1的通道1和通道2輸出兩路180°互補的脈沖信號，其PWM工作過程如圖2所示[10-11]。

圖2 PWM脈寬調(diào)制工作過程

如圖2所示，以定時器1的通道1為例，通過操作定時器1的捕獲/比較寄存器1(TIM1_CCR1)設(shè)置計數(shù)器的比較值(CCR1)，同時為了防止兩路互補的脈沖信號直接導通，兩路輸出必需留有死區(qū)時間，故通道2的計數(shù)器的比較值(CCR2)可設(shè)置為ARR減去CCR1。捕獲/比較模式寄存器1(TIM1_CCMR1)控制通道1與通道2的輸出比較模式，而本文的目的是通過定時器1的通道1和通道2輸出兩路180°互補的脈沖信號，然后經(jīng)驅(qū)動電路提高驅(qū)動電壓后控制全橋逆變電路中IGBT管的交替通斷，最終達到調(diào)節(jié)高頻脈沖電源輸出電壓占空比的目的，故可將通道1的輸出比較模式設(shè)置為當計數(shù)器向上計數(shù)時，一旦計數(shù)器的計數(shù)值小于通道1的計數(shù)比較值(CCR1)時通道1為有效電平，否則為無效電平；當計數(shù)器向下計數(shù)時，一旦計數(shù)器的計數(shù)值大于通道1的計數(shù)比較值時通道1為無效電平，否則為有效電平；通道2的輸出比較模式的設(shè)置方法與通道1的輸出比較模式相反。通過操作定時器1的捕獲/比較使能寄存器(TIM1_CCER)設(shè)定通道1、通道2的輸出極性為低電平有效并打開相應(yīng)通道的輸出使能。因為定時器1為高級定時器，所以必須打開主輸出使能，開啟OC和OCN輸出，PWM生產(chǎn)原理如圖3所示。

圖3 PWM生成原理

如圖3所示，定時器1的計數(shù)器選擇交替地向上和向下計數(shù)，通過設(shè)定自動重裝載值(ARR)、通道1和通道2的計數(shù)器比較值(CCR1/CCR2)及對應(yīng)通道的輸出比較模式、輸出電平的極性等，使定時器1的通道1、通道2分別輸出兩路180°互補的脈沖信號[10]。

2 脈寬調(diào)制器的軟硬件設(shè)計

2.1 脈寬調(diào)制器的硬件設(shè)計

為了實現(xiàn)對脈沖信號的頻率及占空比的調(diào)節(jié)，控制系統(tǒng)采用ST公司的STM32F103RCT6芯片，其芯片內(nèi)置8個定時器且每個高級定時器及通用定時器均有4個相互獨立的捕獲/比較通道，定時器的計數(shù)器時鐘頻率最高可達72 MHz，完全可以達到脈沖信號的高頻輸出以及占空比穩(wěn)定調(diào)節(jié)的要求。

計數(shù)器的時鐘可以由內(nèi)部時鐘(CK_INT)、外部輸入(TIx)、外部觸發(fā)輸入(ETR)、內(nèi)部觸發(fā)輸入(ITRx)提供，本文設(shè)定定時器1的計數(shù)器時鐘由內(nèi)部時鐘提供，最高可達72 MHz，可根據(jù)式(2)計算定時器1的通道1、通道2輸出的脈沖頻率。

(2)

fout為脈沖輸出頻率；Tclk為定時器的輸入時鐘頻率；arr為自動重裝載值；psc為預分頻系數(shù)；

通過操作時鐘配置寄存器(RCC_CFGR)設(shè)定定時器的輸入時鐘頻率Tclk為36 MHz，為了保證在調(diào)節(jié)脈沖信號的輸出頻率時PWM信號的占空比保持不變，設(shè)定自動重裝載值(arr)不變，改變預分頻系數(shù)(psc)的值調(diào)節(jié)脈沖信號的輸出頻率。同理可通過修改計數(shù)器的計數(shù)比較值(CCR1、CCR2)控制兩路PWM信號的占空比。

基于STM32研制的脈寬調(diào)制器輸出的PWM信號為3.3 V的低電壓信號，而逆變電路中IGBT管的驅(qū)動電壓為24 V，故由高頻脈寬調(diào)制器輸出的PWM信號不能直接驅(qū)動IGBT管的通斷，需要經(jīng)過驅(qū)動電路提高驅(qū)動電壓后再送IGBT管，進而控制IGBT管的交替通斷及通斷頻率。為了保證高頻脈沖電源穩(wěn)定、可靠地工作，驅(qū)動電路需滿足開關(guān)速度快、抗干擾能力強、輸出阻抗低且驅(qū)動電壓高的要求，鑒于驅(qū)動電路的工作特性，多采用TLP250光耦合器驅(qū)動IGBT管，驅(qū)動電路如圖4所示[12]。

圖4 驅(qū)動電路

TLP250光耦合器內(nèi)置一個GaAlAs光發(fā)射二極管和一個集成光探測器，采用8腳雙列封裝結(jié)構(gòu)，帶光隔離和驅(qū)動輸出。如圖4所示，將高頻脈寬調(diào)制器輸出的PWM信號輸入到TLP250光耦合器中，光耦合器外接一個7.5 V的穩(wěn)壓管，當PWM信號向光耦合器的輸入引腳(2、3引腳)輸入高電平時，光耦合器的輸出引腳(6、7引腳)的輸出電壓被內(nèi)置的上拉電阻拉高到24 V。此時，外圍電路VG引腳的電勢為24 V；當PWM信號向光耦合器的輸入引腳輸入低電平時，光耦合器的輸出引腳輸出0 V，外圍電路VG引腳的電勢為0 V。由于外接穩(wěn)壓管的作用，外圍電路VE引腳的電勢始終為7.5 V，故采用TLP250光耦合器構(gòu)建的驅(qū)動電路其正向?qū)ǖ拈y值電壓為+16.5 V，反向關(guān)斷的閥值電壓為-7.5 V,將24 V供電電壓轉(zhuǎn)換成IGBT管的驅(qū)動電壓，從而使PWM信號經(jīng)驅(qū)動電路生成IGBT控制信號，從而達到控制IGBT管交替通斷及通斷頻率的目標。

2.2 脈寬調(diào)制器的軟件設(shè)計

STM32F103RCT6芯片采用ARMv7架構(gòu)的Cortex-M3內(nèi)核處理器，其配套的開發(fā)工具為MDK5。通過改變自動重裝載值、預分頻系數(shù)、計數(shù)器計數(shù)比較值及計數(shù)器時鐘頻率調(diào)節(jié)PWM信號的輸出頻率及占空比,系統(tǒng)程序設(shè)計如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)程序設(shè)計流程

本文提出的基于STM32微型控制器的脈寬調(diào)制器通過將控制器中GPIOA的PA8、PA9配置為復用功能推挽輸出，使其輸出兩路180°互補的PWM信號，經(jīng)驅(qū)動電路提高驅(qū)動電壓后送電源主電路的全橋逆變電路控制IGBT管的通斷，從而達到調(diào)節(jié)高頻脈沖電源輸出頻率及占空比的目的。如圖5所示，開啟定時器1的時鐘并使能對應(yīng)IO口，配置IO口的輸出模式及輸出速度，通過操作STM32內(nèi)置的對應(yīng)寄存器設(shè)置計數(shù)器的計數(shù)模式、通道的輸出比較模式及極性并使能對應(yīng)通道輸出，修改自動重裝載值(arr)、預分頻系數(shù)(psc)、計數(shù)比較值(CCR1、CCR2)調(diào)節(jié)兩路PWM信號的頻率及占空比。

3 實驗結(jié)果與分析

研究表明，采用脈沖電源進行電解加工改善了極間流場的理化特性，極間流場性質(zhì)的變化導致加工中極間間隙變小，極大地提高了電解加工精度及加工質(zhì)量?；陔娊饧庸さ奶厥夤に囆枨螅O(shè)計了一款0～50 kHz連續(xù)可調(diào)的脈寬調(diào)制器用于調(diào)節(jié)脈沖電源的輸出頻率及占空比。通過修改自動重裝載值(arr)、計數(shù)比較值(CCR1、CCR2)調(diào)節(jié)兩路PWM信號的輸出頻率及占空比，為了留有死區(qū)時間防止兩路直接導通造成短路，燒壞元器件，需要確保CCR1小于(arr-CCR2)。將STM32的GPIOA中的PA8、PA9設(shè)置為復用功能推挽輸出并利用示波器采集兩個通道的輸出波形，測得波形如圖6所示。

圖6 不同頻率的PWM波形

如圖6所示，通過設(shè)置計數(shù)比較值使脈沖信號的占空比保持10%，修改自動重裝載值(arr)調(diào)節(jié)脈沖信號的輸出頻率。因為脈沖信號輸出的是3.3 V電壓且占空比為10%，所以電壓的理論平均值約為0.33 V，其實際測得的電壓平均值為0.353 V，實際測量值與理論計算值相差不大且不同頻率下的PWM波形穩(wěn)定，達到了調(diào)節(jié)脈沖信號頻率的目的。修改計數(shù)比較值(CCR_)控制兩路PWM信號的占空比，利用示波器采集通道2輸出方波的平均電壓值，其測量結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同占空比下輸出的電壓均值

如圖7所示，通過修改計數(shù)比較值調(diào)節(jié)脈沖信號的占空比，使得通道2脈沖信號的占空比由0逐漸增大到50%，但是為了留有死區(qū)時間，一路PWM信號輸出的占空比最大只能達到4*%，加上死區(qū)時間(50%-4*%)，兩路輸出加起來是100%。隨著通道2輸出的PWM信號的占空比增大，示波器實時檢測到的平均電壓逐漸增大且與理論計算值相差不大，精準地調(diào)節(jié)了脈沖信號的占空比。同時，通過分析測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在調(diào)節(jié)占空比的過程中，脈沖信號能在高頻下保證波形不失真，保持以50 kHz的頻率穩(wěn)定地輸出PWM信號，驗證了該脈寬調(diào)制器的可靠性且達到了預定設(shè)計目標。

4 結(jié)束語

基于高頻脈沖電解加工的特殊工藝需求，研制一款0～50 kHz連續(xù)可調(diào)的高頻脈沖電解加工電源，脈寬調(diào)制器作為高頻脈沖電源的控制部分調(diào)節(jié)脈沖電源的輸出頻率及占空比。本文提出采用STM32F103RCT6芯片為核心研制一款頻率及占空比連續(xù)可調(diào)的高頻脈寬調(diào)制器。通過內(nèi)置的高級定時器TMI1構(gòu)建外圍電路，通過修改寄存器中的自動重裝載值(arr)、計數(shù)比較值(CCR_)并將GPIOA的PA8、PA9引腳配置為復用功能推挽輸出，輸出兩路180°互補的脈沖信號經(jīng)驅(qū)動電路提高驅(qū)動電壓后送脈沖電源主電路的全橋逆變電路控制IGBT管的交替通斷及通斷頻率，達到調(diào)節(jié)高頻脈沖電源輸出頻率及占空比的目的。

通過分析實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：1)當計數(shù)器的時鐘頻率一定時，修改自動重裝載值(arr)調(diào)節(jié)PWM信號的輸出頻率，使STM32F103RCT6芯片的PA8、PA9引腳輸出兩路180°互補的脈沖信號且脈沖頻率在0～50 kHz范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)；2)通過修改計數(shù)比較值(CCR_)精準地控制脈沖信號的占空比且在高頻輸出下波形不發(fā)生失真；3)本文研制的脈寬調(diào)制器能有效地調(diào)節(jié)脈沖信號的占空比且在保證波形不失真的情況下頻率在0～50 kHz連續(xù)可調(diào)，下一步將利用本文研制的脈寬調(diào)制器配合驅(qū)動電路對脈沖電解加工電源的IGBT管進行高頻、高壓下的通斷實驗，實現(xiàn)脈沖電解加工電源的高頻、高壓輸出及占空比的調(diào)節(jié)。