傅贵玲 左鹏飞 张宁 周宇 羊豪门
【摘 要】3D打印技术是一项具有工业革命意义的新兴制造技术，随着3D打印技术的不断发展，高精度成为3D打印技术的一个重要发展方向，这就对电源供电的稳定性与可靠性提出了更高的要求。针对这一问题，我们分析了3D打印机的供电电路结构，研究了其电路参数，分析了其对供电稳定性与可靠性的影响，分析了用户侧谐波对3D打印机打印精度的影响，并基于PSIM进行了建模仿真与实验验证，提出了基于3D打印机的不断电稳压滤波电源设计方案，为进一步提升打印精度提供了可行的技术支持。
【关键词】3D打印机；稳压电源；不断电；滤除谐波
中图分类号： TP334.8 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2017）20-0115-002
Continuous Electric Power Supply Voltage Filter Design based on 3D Printer
FU Gui-ling ZUO Peng-fei ZHANG Ning ZHOU Yu YANG Hao-men
（School of Mechanical Electronic&Information Engineering，China University of Mining&Technology（Beijing），
Beijing 100083，China）
【Abstract】3D printing has become a new manufacturing technology which has the industrial revolution significance. With the continuous development of 3D printing technology，high precision will be an important developing of 3D printing device.This is for the stability and reliability of power supply put forward higher requirements.In order to solve this problem，we analyzed the power supply circuit structure of 3D printing，the circuit parameters were studied，and analyzes its stability and reliability of power supply，and analyzes the user side harmonic effects on 3D printing，And the modeling simulation and experimental validation with the PSIM，is proposed based on electric power supply voltage filtering of printer design scheme，to further enhance the printing precision provides a feasible technical support.
【Key words】3D printer；Power supply；Continuous electric；Filter
3D打印技術出现在20世纪90年代中期，实际上是利用光固化和纸层叠等技术的最快速成型装置。目前3D打印技术逐渐成熟，到今天已经渐渐进入了商用时代。已经十分广泛应用到各个领域，医疗用品、日常消费、服装时尚、航天航空、汽车、建筑设计等等。
虽然3D立体打印产业发展迅速、前景可期，但其发展仍然存如成本、材料、标准与软件、成形精度等许多问题。[1]尤其是其成形精度对其应用范围有着直接的影响，因此实现3D打印机的高精度控制对3D打印技术进步有着重大意义，而其电源供电的稳定性与可靠性又制约了其精度的进一步提高，因此提高电源供电的质量对3D打印机的进一步推广应用具有重大意义。
1 系统结构
为了给3D打印机提供更高质量的电源，设计的不断电滤波稳压电源由主电路、控制电路和保护电路共同组成。主电路由整流部分、滤波环节、DC-DC变换电路、逆变电路、充电回路、蓄电池等模块组成。
系统结构如图1所示。由交流电网输入的220V、50Hz交流电一方面经整流环节，输出198V直流电，经滤波环节供给DC-DC变换电路，这里的DC-DC变换电路采用的是降压斩波电路，经降压变换电路将电压降至13.33V，再经滤波环节滤除谐波，最后经逆变环节逆变为12V交流电供给电机。另一方面，由电网输入的交流电经充电回路给蓄电池充电，一旦打印过程中停电，便由蓄电池代替整流回路给后续环节供电，从而保证了打印过程的连续完整。
1.1 主电路设计
主电路由整流部分、DC-DC变换电路、滤波环节、逆变电路、充电回路、蓄电池等
模块组成，主电路结构图如图2所示。（图2中已去掉触发电路部分，只保留了主电路）
（1）整流部分
整流电路选用由电力二极管构成的单相桥式不可控整流电路。该电路具有结构简单、成本低、控制简单等优点。其主要电路结构如图2中{1}所示。将由交流电网输入的220V、50Hz交流电整流成为直流电，经感容滤波器得到近似平直的直流电。
输出电压Ud1的大小由以下公式得到：
Ud1=0.9U输入[2] （1-1）
其中U输入为220V。
（2）DC-DC变换电路endprint
DC-DC变换电路选用由POWER MOSFET、电力二极管等构成的降压斩波电路（Buck Chopper）。该电路具有易于驱动、电压电流容量较大等优点。其主要电路结构如图2中{2}所示。将经过整流滤波的u1降压得到u2。
输出电压Ud2的大小由以下公式得到：
Ud2=Ud1*ton/T[3] （1-2）
其中ton为电路中POWER MOSFET导通的时间，T为开关周期长度。
控制方式选用脉冲宽度调制，即保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton，从而将Ud2调整为期望值。
（3）滤波环节
滤波环节采用由运算放大器等构成的压控电压源二阶低通滤波器。该滤波器具有滤波效果好、不会产生自激振荡等优点。其主要电路结构如图2中所示。将谐波滤除，得到谐波含量较低的电压。
（4）逆变电路
逆变电路采用由POWER MOSFET等构成的单相电压源型全桥逆变电路。该电路具有开关电流小、管子承受的反压低等优点。其主要电路结构如图2中{3}所示。将经过滤波的直流电u3逆变成为交流电u4。
（5）充电回路
蓄电池的充电方式有恒电流充电和恒电压充电两种。采用恒电流和恒电压相结合的二阶段快速充电方法，首先，以恒电流充电至预定的电压值，然后，改为恒电压完成剩余的充电。一般两阶段之间的转换电压就是第二阶段的恒电压，采用芯片 UC3842 进行控制。其本质就是个具有限流稳压功能的开关电源，只要将额定电压，浮充电压，恒流充电电流设置恰当，就能使蓄电池的充电过程基本上沿着理想的充电曲线进行，从而延长蓄电池的使用寿命。[4]
（6）蓄电池
考虑到电压、容量等问题，蓄电池采用12V的蓄电池17节。
1.2 驱动保护电路的设计
上述各模块中采用的可控型器件均为POWER MOSFET，由于POWER MOSFET是电压控制型器件，因此只要控制POWER MOSFET的栅极电压就可以使其开通或关断，并且开通时维持比较低的通态压降。研究表明，POWER MOSFET的安全工作区和开关特性随驱动电路的改变而变化。因此，为了保证POWER MOSFET可靠工作，驱动保护电路至关重要。POWER MOSFET驱动保护电路的原则如下：
1）动态驱动能力强，能为栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲；
2）开通时能提供合适的正向栅极电压（12～15V），关断时可以提供足够的反向关断栅极电压（一5V）；
3）尽可能少的输入输出延迟时间，以提高工作效率；
4）足够高的输入输出电气隔离特性，使信号电路与栅极驱动电路绝缘；
5）出现短路、过流的情况下，具有灵敏的保护能力。
目前，在实际应用中，普遍使用驱动与保护功能合为一体的POWER MOSFET专用的驱动模块。
综合以上几点，准备选用陕西高科电力电子有限责任公司生产的HL402A（B）IGBT驱动集成电路。
2 系统控制
系统的控制以实现整个系统的不断电稳压且谐波含量尽可能低为目标，主要分为不断电控制、稳压控制两方面。降低谐波含量主要采取优化滤波电路的措施来实现。整个系统选用TI公司生产的TMS320F28027 DSP进行采样、PI调节并输出相应的PWM波进行控制。
2.1 不断电控制
不断电控制主要体现在系统断电时立刻用蓄电池代替整流环节对后续环节进行供电。
为达到以上要求，准备在整流滤波输出点设置A/D采样点{1}，采样频率设置为10KHz，采样数据实时反馈给控制器，若连续三次A/D采样结果均为0V则认为系统断电，此时导通图3中的POWER MOSFET，使蓄电池连入电路中为电路供电。
2.2 稳压控制
稳压控制主要体现在系统输出电压一直维持在接近恒定水平。
为达到以上要求，准备在降压斩波电路、滤波逆变三个模块的输出点分别设置A/D采样点{2}{3}（如图1所示），采样频率设置为10KHz，采样数据实时反馈给控制器，控制器通过将采样回的值与预先设定的电压值进行比较得到差值，当系统出现电压波动时均可通过PID算法调节降压斩波电路和逆变电路的触发角以保证输出电压维持在设定的稳定值。具体的控制结构图如图4所示。
2.3 滤波电路设计
为滤除用户端谐波等各种谐波，以避免谐波对打印精度的影响，计划在各个环节后面加入滤波电路，考虑到常用的RC滤波电路会消耗有功功率，降低电源的功率因数，计划选用LC滤波电路进行滤波，在有效滤波的同时又不会消耗有功功率，以保证电源功率因数维持在一个较高的水平。
在具体的电路结构上，我们比较了LC、LCL、CLC等滤波电路结构，最终针对各处电路结构的不同做出了相应的选择。具体的滤波器结构如图2所示。
3 系统调试及性能分析
3.1 滤波器参数计算
为了保证滤波器的滤波效果，必须保证滤波器的转折频率远远大于基波频率，通常取滤波器的转折频率为基波频率的5～10 倍，开关频率也为转折频率的5～10倍。确定了滤波器的转折频率之后，只要在确定电感或电容的大小就能确定滤波器的参数。
3.2 PI参数调试
考虑到PI控制快速且无静差的优点，在控制中我们选用了简便易行的PI控制，PI参数的调试主要在PSIM中進行，按照惯例，先调节P参数，后调节I参数，之前还考虑加入前馈控制，但是结果证明PI控制已经达到了很好地控制效果。
3.3 程序编写
编程软件使用的是TI公司的CCS5.5，编程主要涉及了DSP的AD采样模块和PWM输出模块，中间设计了PI算法和IQMATH的使用，主要的程序流程图如图5所示。
3.4 仿真结果
我们用PSIM进行了仿真，仿真结果能较好的达到各项指标要求。仿真波形如图6所示。
从上图可以看出最后逆变出的波形是十分标准的正弦波，畸变非常小，且经过各个滤波环节的滤波，谐波含量也非常的低。因此，我们设计的系统基本符合我们的设计目标。
4 总结
该系统以TMS320F28027为控制核心，采用了交-直-交的方式，辅以PI调节和多个滤波器的配合，较好的实现了稳压、不断电和谐波含量低的实际目标，若实际运用到3D打印机中，可有效解决电源问题导致的打印精度较低的问题，切实提高3D打印机的打印精度。
【参考文献】
[1]杨猛.3D打印驱动电路设计及文件切片算法研究[D].北京印刷学院，2014.
[2]、[3]王兆安，刘进军.电力电子技术 [M].第五版.北京：机械工业出版社，2009.
[4]王宇.单相UPS不间断电源系统设计[J]. 广播电视信息，2014，（10）：66-68.
[5]冯平，张治中.基于可调式稳压器LM317的直流稳压电源[J]电子测试，2009，（05）：70-73+89.endprint
