智能大功率超声波电源的设计

第27卷第2期运城学院学报V o.l27N o.2 2009年4月Journa l of Y uncheng U n i versity Apr.2009

智能大功率超声波电源的设计

畅福善

(运城学院物理与电子工程系,山西运城044000)

摘要:针对目前超声波电源存在噪声大、效率低、精度不高等缺点,设计出一种利用CPLD驱动的四路全桥移相式I G BT大功率并联谐振超声波电源,在软件的支持下,通过改变PWM波的频率实现了从20K到100K 的智能扫频控制,闭环自动跟踪与锁频,经应用在超声除垢装置上,输出功率稳定,误差低于O.5%。

关键词:单片机;C8051F;超声波电源

中图分类号:O441文献标识码:A文章编号:1008-8008(2009)02-0033-02

目前超声波在各种电子、机械、光学等行业应用越来越广泛。但超声波电源大都存在输出功率不大,频率不高,精度及性能不稳定。常用的有两种,一种是简单的自激式电源,另外一种就是以3525为核心的它激式电源,它激式电源普遍采用调整3525的6脚的阻值改变频率,输出采用脉冲变压器,但由于负载是超声波换能器,而超声波换能器是容性负载,必须匹配一个电感,才可以确定负载回路的固有谐振频率,当输出频率处于固有频率点时,开关损耗最低,整个电路的效率最高,但由于超声波换能器本身是个发热元件,工作一段时间后温度必然升高,固有频率下降,电路失谐,效率降低。针对以上超声波电源目前存在的诸多问题,设计了一种基于C8051F330单片机的智能大功率超声波电源,利用电流采样信号实现换能器谐振频率的跟踪与锁频,增加了电源输出的稳定性,达到了理想的效果。

1.超声波电源驱动电路及其控制方法

图1为超声波电源驱动电路,采用4个IGBT构成单相桥式电压型逆变电路。负载为阻感负载,通过P WM控制Q1与Q2、Q3与Q4的互补通断工作驱动负载。PWM控制技术有两种常用方法,计算法和调制法。其中计算法是在给定逆变电路的正弦波输出频率、幅值和半个周期内的脉冲数,PWM波形中各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来,按照计算结果控制逆变电路中开关器件的通断,就可以得到所需要的P WM波形,此种方法计算非常麻烦,当需要输出的正弦波的频率、幅值或相位变化时,结果都要随着发生变化。与计算法相对应的是调制法,即将希望输出的波形作为调制信号,把接受调制的信号作为载波,通过信号波的调制得到所期望的P WM波形。根据SPWM双极性控制原理利用C8051F330单片机经CPLD变换输出四路P WM波,分别与四个I GBT管栅极相连,基本控制过程是:首先给Q2、Q3以关断信号,然后给Q1、Q4以导通信号,这时如果L1中流过电流为正,则电路流过Q1和Q4,如果L1中流过电流为负,则电路通过D1和D4续流,这两种情况输出电压都为正电源电压。接着给Q1、Q4以关断信号,给Q2、Q3以导通信号,这时如果L1中流过电流为负,则电路流过Q2和Q3,如果L1中流过电流为正,则电路通过D2和D3续流,这两种情况输出电压均为负电源电压,实现了对超声波电源驱动电路中开关器件的有效控制。

2.超声波电源频率自动跟频与锁频

超声波电源主要应用与驱动超声波换能器,而超声波换能器比较复杂,应用时有两种谐振状态,串联谐振与并联谐振,其在串联谐振状态工作时,等效电阻小,功耗小,振幅大、机械转换效率高,但电品质因数小,滤波效果差,换能器两端的高次谐波大。而在并联谐振状态工作时,电路的电阻最大,电路基本呈现电阻状态,此时换能器两端电压最小,机械转换效率最低,为了提升转换效率,平常采用在超声波电源输出端增加升压变压器,匹配负载增加电流,但同时噪声成分加大,品质因数降低,换能器两端同样存在严重的高次谐波。根据超声波换能器过固有谐振区匹配理论,并联谐振状态的等效电路如图2所示。

其中C为电容分量,R为电阻分量。自动跟频与锁频过程是:C8051F330单片机根据设定的频率范围发出可变的P WM波,使其在频率段内进行扫描,通过采集不同频率下的换能器电流,判断换能器是否产生机械共振,因为只有在固有频率附近换能器才能产生机械共振,此时换能器呈现完全阻性负载,电压电流波形稳定,工作电流达到最大值。电路中的电流有效值根据I=V/R计算。找到电流最大时换能器的频率作为特定频率,进而锁频。根据此特点,随时采样电流,通过分析比较反馈电流变化,就可以实现自动跟频与

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*收稿日期:2009-02-11

基金项目:山西省高校环境质量自动监测与控制系统项目(20081046)

作者简介:畅福善(1962-),男,山西临猗人,运城学院物理与电子工程系副教授,研究方向为电子技术和嵌入系统。

图1 超声波电源驱动电路拓扑图

锁频,基本控制理论过程如图3所示。当遇到环境或自身温度的变化导致换能器频率的漂移,可通过定时扫频寻找最佳工作点,改变特定频率的值,再锁频。连续循环,实现不同换能器的最佳匹配。扩展超声波电源的适应性,使超声波电源

的应用更加广泛。

图2换能器谐振等效电路 图3换能器自动跟踪电路3.硬件设计

硬件系统共由3部分组成,第一部分,核心芯片采用美国S ilabs 公司的C8051F330单片机,它的指令速度比其它单片机快大约10倍,I/O 端口可以任意设定,其中包括A /D 和D /A,时钟可编程,可通过J TAG 直接硬件调试,多种复位,还配备了SPI 、I 2C 、CAN 和UART 等,是新一代的SOC ;第二部分,由A lte ra 公司的CPLD 所构成,利用M axpl usII 根据C8051信号完成了四路信号来实现I GBT 超声波驱动电路的控制;第三部分闭环控制系统采用电流负反馈实现闭环控制,负反馈电流从超声波功率输出电流经I /V 转换为模拟量直接送人C8051F330在芯片内部经过转换存储,输出一个频率波,此频率即为换能器的工作频率,若在扫频状态则输出一个变化频率,经超声电源功率放大后,找到电流的最大值,驱动换能器谐振,确保超声波电源的自动跟频与锁频,硬件具体电路设计如图4

所示。

图4 换能器自动跟踪电路原理图

4.软件设计

电路通电后,C8051F330通过P1.2从最低频率20K 扫

频到100K,再经过CPLD 转换为四路P WM 波,采样电流通过I /V 转换从P0.2输入至单片机,单片机内部通过初始化将P0.2配置为10位A /D,调用执行A /D 转换的子程序,将数字量调入算法进行计算,换算成一定的频率从P1.2输出,再通过CPLD 转化为四路与换能器最佳匹配频率的PWM 波输出。稳定5分钟,单片机控制CPLD 稳定输出P WM 波,5分钟后,重新扫频寻找电流最大值,根据软件重新换算P1.2的频率,经CPLD 转换新的稳定频率,采用定时间断的采集方式,即减轻了单片机的负担,同时调整换能器由于漂移产

生的频率变化,随时跟踪换能器所需的输出最佳PWM 波。通过上述软件功能的流程分析,作出程序流程框图,如图5

所示。

图5 软件设计流程图

5.结束语

本文设计了一种基于C8051F330单片机智能大功率超声波电源,数字P WM 驱动,集成度高,配有J TAG 口,升级方便,并增加了扫频功能,扫描频率范围可以从20K ~100K,适应范围广,结构简单,实时频率跟踪稳定,与传统的超声波电源相比,元器件使用少,可靠性高,并能够跟踪换能器随温度的变化而漂移的谐振频率,及时调整数字P WM 发生器的输出频率,误差低于0.5%,输出功率稳定,满足实际应用要求。参考文献:

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=责任编辑 马重阳>

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