劉志芳，李湘伍，楊 棟

（1.廣東工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510520；2.廣州市瑞欣電子科技有限公司，廣東 廣州 511452）

1 概 述

紫外線（Ultra-Violet Ray，UV）燈現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于印刷和醫(yī)療等行業(yè)，其固化效率一直是企業(yè)研究的重點(diǎn)。尤其在印刷方面，UV燈發(fā)揮了很大的作用，經(jīng)過(guò)UV燈照射之后可以加快產(chǎn)品的干燥速度，而且還可以提升產(chǎn)品的附著力，讓各項(xiàng)指標(biāo)都保持在達(dá)標(biāo)的范圍內(nèi)。

數(shù)字電源技術(shù)的應(yīng)用是傳統(tǒng)UV行業(yè)的一次革命，其特有的智能化、高效率以及節(jié)能減排等特性極大提升了UV設(shè)備的性能，降低了能耗，保護(hù)了環(huán)境。并且能夠減小設(shè)備體積，延長(zhǎng)燈管使用壽命，增大燈管紫外能量發(fā)生，提高電源的利用率，所以目前國(guó)內(nèi)外對(duì)智能數(shù)字電源的研發(fā)都比較重視[1]。

課題研究依托廣州市瑞欣電子科技有限公司，重點(diǎn)研究了UV設(shè)備數(shù)字電源的核心無(wú)極可調(diào)模塊。該模塊外加UV燈管，可以構(gòu)成整套電源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)10%～100%無(wú)極調(diào)節(jié)，取代傳統(tǒng)變壓器加電容調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)。

2 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

該UV燈的數(shù)字電源管理系統(tǒng)采用基于STM32的嵌入式系統(tǒng)，能夠高速且智能地控制各個(gè)模塊，整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

圖1系統(tǒng)主要根據(jù)設(shè)定的輸入值檢測(cè)UV燈兩端的電壓值、電流值以及風(fēng)機(jī)狀態(tài)，通過(guò)逆變模塊快速調(diào)節(jié)電壓、電流的大小達(dá)到預(yù)定范圍，同時(shí)控制風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，將溫度達(dá)到預(yù)定值。在整個(gè)控制過(guò)程中，如果檢測(cè)值超過(guò)設(shè)定上下限，則通過(guò)報(bào)警模塊發(fā)出報(bào)警提示。系統(tǒng)的核心部分為逆變模塊，該模塊采用高頻鏈逆變技術(shù)，通過(guò)PWM調(diào)制技術(shù)能夠在非常短的時(shí)間內(nèi)調(diào)節(jié)輸出更強(qiáng)的光，加快UV燈的固化時(shí)間，減少熱量，提高效率[2]。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 逆變驅(qū)動(dòng)電路

系統(tǒng)的電源控制電路主要由整流濾波電路、穩(wěn)壓電路、高頻逆變電路以及采樣電路組成。逆變驅(qū)動(dòng)控制電路由全橋逆變電路、高頻變壓器、緩沖電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)輸入輸出電路、采樣電路、告警檢測(cè)電路、通信電路以及顯示電路組成，具體如圖2所示。

圖2 逆變電路部分電路圖

圖2中逆變驅(qū)動(dòng)電路使用高頻鏈軟開(kāi)關(guān)全橋變換器，主要采用9 A低端超高速M(fèi)OSFET驅(qū)動(dòng)器IXDN609SI[3]。該芯片為高電流輸出，產(chǎn)生的電壓上升和下降時(shí)間小于25 ns，輸入CMOS兼容，并且?guī)缀醪皇荛]鎖。專有的控制電路消除了跨導(dǎo)、電流“直通”低傳播延遲以及快速匹配的上升和下降時(shí)間，能夠滿足高速功率變化調(diào)節(jié)。在電源管理系統(tǒng)下，其響應(yīng)特性如圖3所示。

圖3 IXDN609SI輸出特性曲線

3.2 穩(wěn)壓電路

UV燈無(wú)極調(diào)光過(guò)程中，短時(shí)間需要達(dá)到穩(wěn)定可靠的電壓，其中穩(wěn)壓電路至關(guān)重要。如圖4所示，該系統(tǒng)穩(wěn)壓電路的芯片采用了LM25575MH。該芯片輸入電壓范圍為6～42 V，負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)性和環(huán)路補(bǔ)償特性較好，不會(huì)出現(xiàn)低占空比限制。該設(shè)計(jì)電路可以實(shí)現(xiàn)限流和短路保護(hù)，且在溫度過(guò)高時(shí)可以進(jìn)行熱關(guān)斷或遠(yuǎn)程關(guān)斷。

圖4 穩(wěn)壓電路

3.3 風(fēng)機(jī)控制電路

風(fēng)機(jī)控制電路包含風(fēng)機(jī)電源、風(fēng)機(jī)調(diào)速以及風(fēng)機(jī)告警檢測(cè)3個(gè)部分的設(shè)計(jì)。風(fēng)機(jī)電源部分采用電阻降壓方案，電路的每一路風(fēng)機(jī)供電都使用電阻分壓，最大電流為2 A，優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單、成本低且散熱好[4]。

4 軟件設(shè)計(jì)

該數(shù)字電源管理系統(tǒng)采用控制算法控制全橋電路中的電源電壓進(jìn)行變換，調(diào)節(jié)電路的電壓和電流，通過(guò)移相PWM、ZVZCS變換技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器的控制，根據(jù)輸出的控制量不同，不僅可以實(shí)現(xiàn)恒流或恒功率的控制，還可以根據(jù)采集的外界溫度和速度，智能化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)各個(gè)模塊的控制時(shí)序。軟件架構(gòu)如圖5所示，由主程序、信號(hào)處理程序、PWM控制程序、中斷服務(wù)程序以及通信處理程序等組成[5]。

圖5 系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

信號(hào)處理程序由輸入和輸出兩個(gè)子程序組成，主要對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理以及對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波。輸入程序的信號(hào)主要為采集的鍵盤(pán)、觸摸屏以及電流和電源檢測(cè)模塊的數(shù)據(jù)。中斷服務(wù)程序主要通過(guò)比較設(shè)定值和釆樣結(jié)果，調(diào)用控制算法進(jìn)行計(jì)算，完成對(duì)PWM的調(diào)節(jié)控制。告警處理程序主要是對(duì)電源系統(tǒng)、UV燈系統(tǒng)以及風(fēng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的告警參數(shù)檢測(cè)和處理。PWM控制程序采用控制算法編寫(xiě)程序，結(jié)合管理模塊實(shí)現(xiàn)電源的無(wú)極調(diào)節(jié)和功率控制。顯示處理程序用于顯示智能數(shù)字電源的功率和運(yùn)行情況，通過(guò)參數(shù)設(shè)置窗口，傳遞輸入輸出命令，控制和管理數(shù)字電源的運(yùn)行情況。通信處理程序用于傳輸觸摸屏控制和設(shè)備自身發(fā)起的通信任務(wù)，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和分組的數(shù)據(jù)傳輸[6]。

5 結(jié) 論

本次研究的大功率數(shù)字電源管理系統(tǒng)，以高精度的傳感器采集電壓、電流、溫度以及速度信號(hào)作為輸入，以高頻的MCU運(yùn)行時(shí)鐘作為控制步進(jìn)，通過(guò)智能控制算法實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電源運(yùn)行功率，精確操控UV燈的工作情況，提升工作效率。該系統(tǒng)可以應(yīng)用于不同種類的數(shù)字電源管理中，可以快速且穩(wěn)定地啟動(dòng)不同種類和不同長(zhǎng)度的UV燈管，節(jié)省電力和能源。即使在輸入出現(xiàn)波動(dòng)的情況下，仍然能夠保持穩(wěn)定輸出。輸出功率能達(dá)到10%～100%的無(wú)極調(diào)控，在滿足功率的要求下，自動(dòng)調(diào)節(jié)工作電壓和電流以提供平穩(wěn)的UV能量輸出。經(jīng)長(zhǎng)期測(cè)試該系統(tǒng)可以節(jié)省高達(dá)30%以上的能源，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。