智能大功率超声波电源的设计
基于PWM大功率超声波电源的设计
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■ 内 蒙 古科 技 大 学 机 械 工 程学 院 苏 凤 岐 汪 建 新 孙 建 平
基 于 Ｐ Ｍ 大 功 率 超 声 波 电 源 的 设 计 Ｗ
具 有 效 率高 、 能 稳 定 、 性 体积 小 、 质 开 关 脉 冲 信 号 ， 动 逆 变 主 电路 工 绕 组 ， 过 正 、 向 的 电压 得 到 正 、 驱 通 反 量 轻 和 惘 方 便 等 优 点 。 １ 作， 并借 助 反 馈 电 路 和 给 定 电 路 来 反 向的磁 通 。 因 此 ，变 压 器 铁 和
变压 器 Ｔ原 边 线 圈绕 组Ｔ． 端 的 电 芯 。铁 氧 体磁 芯 的规 格 可 根据 输 出 脉 宽调 制 电路 还 具 有软 启 动 、死 区 两 压 ｕ．０ ＝ 。给 Ｔ Ｔ 触 发 脉冲 ， 两 功 率 及 其 效 率 来确 定 ，则磁 芯 有 效 设 定 等功 能 。 这
PID智能超声波电源设计
PID智能超声波电源设计1 引言开关电源以体积小，重量轻，功耗低，效率高，纹波小，噪声低，智能化程度高，易扩容等，逐渐替代工频电源，广泛应用于各种电子设备。
高可靠性、智能化及数字化是开关电源的发展方向。
音响功放要求电源随着负载变化自动调整输出电压，进而调节功率，以提高电源动态性能，降低音响功放内部损耗，但目前的开关电源无法实现。
选用TMS320F2812型DSP作为功放开关电源的主控制器，设计一种低功耗。
适用于大型功放系统的新型的智能功放开关电源。
2 智能功放开关电源设计图1为智能音响功放开关电源的总体原理框图，主电路采用交一直一交一直的结构。
输入工频220 V交流电路经滤波电路后，再经单相桥式整流电路输出直流电压；变换电路采用全桥移相逆变电路将前端直流电变换为高频的交流电．然后经二次整流滤波输出稳定的直流电压；检测电路对输出电压信号采样后，送入控制电路，通过改变控制电路输出脉宽占空比来调节输出电压；保护电路实现过压和过流保护；功率检测电路对变换电路电流采样，当输出功率超过500 W时，产生过功率检测信号，驱动控制电路，降低输出电压：辅助电源电路为控制电路和各种运放供电。
2．1 功放开关电源模块图2是功放开关电源的主电路，其中Vin是220 V交流输入经前端滤波和全波整流得到，电压为300 V。
为全桥逆变电路的输入电压。
VQ1、VQ2、VQ3、VQ4为IRFP460型大功率MOSFET，用作变换器开关管。
由于IRFP460型MOSFET是多数载流子器件，开关速度极快，开通和关断时间的典型值一般20 ns，具有较高的击穿电压和较大的工作电流。
此外，MOSFET的输入阻抗高，驱动电路较简单，只要在栅源之间加10 V左右的电压，就可使其饱和导通。
L4、C5、C6构成辅助谐振网络，考虑到变压器原边漏感，谐振电感LT的取值一般比实际值小，这里选用电感值为34 μH的非线性饱和电感1μF的，考虑到高频脉冲变压器T1磁饱和问题，原边绕组串接防偏磁电容，VD15和VD16，VD17和VD18分别为全波整流二极管，L1、C13、EC1、EC2和L2、C14、EC3、EC4分别为+35 V和-35 V输出回路的滤波电路。
超声波电源的设计
超声波电源的设计超声波设备通常需要稳定的直流电源来驱动超声波发生器和传感器。
因此，超声波电源的设计需要满足以下要求：1.工作电压和电流：根据超声波设备的工作需求，确定适当的工作电压和电流。
一般来说，超声波设备的工作电压在10V到100V之间，电流在0.1A到1A之间。
2.稳定性：超声波电源需要提供稳定的电压和电流输出，以确保超声波设备的正常工作。
为了实现稳定性，可以采用电压稳压器、电流稳流器等电路设计。
3.过载和短路保护：超声波设备可能会遇到过载和短路情况，因此超声波电源需要具备过载和短路保护功能。
这通常可以通过采用过载保护电路和短路保护电路来实现。
4.效率：为了提高超声波电源的效率，可以采用高效率的功率变换器来降低能耗。
常用的功率变换器包括开关电源和开关模式电源等。
5.纹波和噪声：超声波电源需要降低输出电压和电流的纹波和噪声水平，以确保超声波设备的正常工作。
可以采用滤波器等电路设计来降低纹波和噪声。
6.温度保护：超声波电源需要具备温度保护功能，以防止过热损坏。
可以采取过温保护电路设计来实现温度保护。
1.分析超声波设备的工作需求，确定电源的工作电压、电流和其他特性。
2.设计电源的基本电路，包括整流电路、滤波电路、稳压电路和保护电路等。
3.选择适当的元器件，包括整流器、滤波电容、稳压器、保护元件等。
在选择元器件时，需要考虑其工作电压、电流以及供应商的信誉度。
4.进行电路仿真和优化，以确保电源设计的稳定性、效率和可靠性。
5.进行实验验证，测试电源的性能和可靠性。
6.优化设计并进行样机制作，最终完成超声波电源的设计。
总之，超声波电源的设计需要综合考虑超声波设备的工作需求，通过合理的电路设计和元器件选择，以实现稳定、高效、可靠的电源供应。
基于DDS的高功率超声波电源的设计
２．Ｇｕｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕｉｌｉｎ ５４１００４ ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎ ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｆｉｒｓｔ ｌｙ，ｄｉｇｉｔａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｙｎｔｈｅｓｉｚ—
第 ４４卷 第 １１期 ２０１０年 ｌ１月
电 力 电 子 技 术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
Ｖｏ１．４４ ，Ｎｏ．１１ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２０１０
基于 ＤＤＳ的高功率超声波电源的设计
袁 纵 横 一，魏 常伟
（１．贵 州 民 族 学 院 ，物 理 与 电子 信 息 科 技 学 院 ，贵 州 贵 阳 ５５００２５； ２．桂 林 电 子 科 技 大 学 ，电 子 工 程 学 院 ，广 西 桂 林 ５４１００４）
动 积 分 求 出。超 声 波 在 传 播 时主 要 分 为 近 场 区 和 远 场 区 ，在 近 场 区 域 内 ，超 声 波 的 波 形 从 最 小 值 到 最 大 值来 回变 换 。在 距 离 超 声 波探 头 为 Ⅳ 的位 置 其 能 量 达 到最 大 。距 离 探 头 Ⅳ 以外 的区 域 为 远场 区 ，在 远 场 区域超 声波 能量 逐 渐 减 少 为零 。Ⅳ 的计 算式 可表示为 ：
２ 超 声 波 传 播 特 性
件 ，它 是 超 声检 测 系 统 中最基 本 的单 元 之 一 。对 于
高频超声理疗仪驱动电源设计
摘要现阶段，检测超声在医疗领域应用广泛。
而功率超声在医疗方面应用相对较少，处于研究阶段的如超声刀，靶向给药等。
超声的理疗作用已被广泛的认可，但理疗仪的驱动电源仍存在不足。
由于超声理疗频率较高大多在1MHz以上，若采用传统的功率芯片实现输出功率放大的功能，将存在输出功率是否可调节、输出电压波形是否畸变等问题。
在实际应用中，仅仅依靠超声电源的匹配网络难以完成精确的匹配。
且由于换能器发热、粘合剂的不同、老化等因素导致的换能器几个动态参数变化，换能器的谐振频率也会不断改变，此时要求超声电源能跟踪换能器的谐振频率，从而避免能量的大量损耗以及进一步发热灼伤病人。
本文参照超声理疗驱动电源的国内外的研究现状，就目前存在的问题，设计了驱动频率为1MHz输出功率为10W的数字化超声电源整体架构。
根据换能器电学等效阻抗模型，设计了超声换能器的静态匹配网络并计算了元器件参数。
分析比较了FFT变换法、相关函数法、过零点比较法等相位差检测方法，选择合适的相位差检测方法并设计相关的检测电路。
采用基于LCC功率谐振逆变器实现功率放大，对谐振逆变器各个模块进行分析，利用电路理论等知识给出LCC谐振逆变器参数的计算方法。
比较目前开关电源常用的功率调节方法，引入PDM方法实现输出功率的可调节。
针对理疗换能器自身谐振频率的漂移，引入频率自跟踪功能，并指出其不足。
针对换能器具有复杂的非线性、没有精确数学模型的特性提出基于模糊控制器的频率跟踪算法，并利用数学仿真工具Matlab中的模糊工具箱和Simulink仿真平台，搭建了基于模糊控制器的频率跟踪算法仿真模型。
其仿真结果验证了模糊控制器实现频率跟踪的可行性和快速性。
论文最后制作了超声理疗仪的实验平台，通过实验验证了基于LCC谐振逆变器和模糊锁相环构成的驱动器系统可以高效地驱动理疗换能器，能够实现换能器两端电压电流同相位，系统能够安全、稳定的持续运行。
关键词：超声换能；LCC谐振逆变器；频率控制；模糊锁控制器；超声理疗AbstractAt present, the detection of ultrasound is widely used in medical field. The application of power ultrasound in medical field is relatively small, in the research stage such as ultrasound knife, targeted drug delivery.Therapeutic effect of ultrasound has been widely recognized, but the driving power of physiotherapy instrument defects still exist.As the frequency of ultrasound therapy is mostly higher than 1MHz, if using the linear amplifier to achieve power amplification, there will be most questions such as whether output power can be adjusted, the output voltage waveform distortion.In practical applications, it is difficult to achieve accurate matching only by the matching network of ultrasonic power supply.And because of the transducer heating, adhesive, aging and other factors led to resonant frequency changes. So the ultrasonic power supply is required to track the resonant frequency of the transducer so as to avoid a large loss of energy as well as to further heat.In this dissertation, with reference to the research status of high-frequency low-power ultrasonic power supply at home and abroad, aiming at the existing problems, the overall architecture of digital ultrasonic power supply is designed with the driving frequency of 1MHz and the output power of 10 watts. According to the electrical equivalent model of the transducer, the static matching network is designed and the parameters of the components are calculated. The phase difference detection methods such as the FFT transform method, the correlation function method and the zero-crossing comparison method are analyzed and compared. The suitable phase difference detection method is selected and the related detection circuit is designed. The power amplifier based on LCC power resonant inverter is adopted, and each modules of the resonant inverter are analyzed, and the calculation method of the parameters of the LCC resonant inverter is given by using the circuit theory and other knowledge. Compared with the usual power regulation method of the switching power supply, PDM method is introduced to realize adjustable output power.Aiming at the drift of the resonant frequency of the physical therapy transducer, the frequency self-tracking function is introduced, which makes the transducer always in resonance state. The algorithm of frequency point search in the engineering application is improved and its deficiency is pointed out. Furthermore, due to the transducer has complex nonlinearity and no precise mathematical model, a fuzzy controller based frequency tracking algorithm is proposed. The simulation model of the frequency tracking algorithm based on the fuzzy controller is built by using the fuzzy toolbox and Simulink simulation platform in Matlab. The simulation results show that the fuzzy control can quickly to achieve frequency tracking.The experimental results show that the driving system based on LCC resonant inverter and fuzzy phase locked loop can drive the transducer efficiently and realize thevoltage and current in phase. The system can be safe, stable and continuous operation.Keywords:ultrasonic transducer, LCC resonant inverter, frequency control, fuzzy controller, ultrasonic physiotherapy目录摘要 (I)ABSTRACT (I)目录 ..................................................................................................................................................... I V 第1章绪论.. (1)1.1超声理疗简介 (1)1.1.1超声波生理效应 (1)1.2超声理疗仪现状、发展趋势 (3)1.2.1超声理疗仪的现状 (3)1.2.2发展趋势 (5)1.3论文的主要研究内容 (5)第2章整体方案与关键模块设计 (7)2.1总体架构设计 (7)2.2主控芯片选择 (8)2.3电端匹配网络 (9)2.3.1换能器的机电等效模型 (10)2.3.2换能器匹配网络的设计 (12)2.4直接数字频率合成 (14)2.4.1基本原理 (14)2.4.2DDS芯片选型 (15)2.5相位差检测 (15)2.5.1DFT变换法 (15)2.5.2函数相关法 (16)2.5.3DFT变换法和函数相关法仿真 (17)2.5.4过零比较法 (18)2.6本章小结 (19)第3章功率电路的设计与分析 (20)3.1谐振逆变器的主要组成部分 (20)3.2开关网络 (21)3.3谐振网络 (22)3.4功率谐振逆变器仿真 (28)3.5功率控制方案的选择与比较 (29)3.5.1 PFM调频调功 (30)3.5.2PS-PWM移相脉宽调节 (31)3.5.3PDM功率调节 (31)3.6本章小结 (33)第4章频率控制算法设计 (34)4.1换能器谐振频率点搜索算法 (35)4.1.1换能器谐振频率中心点计算 (35)4.1.2变步长频率点搜索 (36)4.2基于模糊-DDS的频率控制算法 (38)4.2.1模糊频率控制原理 (39)4.2.2模糊控制器的设计 (40)4.3基于模糊控制器频率跟踪的仿真与分析 (46)4.3.1仿真模型的搭建 (46)4.3.2仿真结果的分析 (48)4.4本章小结 (49)第5章实验测试 (50)5.1实验平台搭建 (50)5.2超声电源各功能模块测试 (50)5.2.1MOS管的驱动电路及其波形 (50)5.2.2 LCC谐振电路及其输入输出波形 (52)5.2.3功率控制相关波形 (53)5.2.4变步长频率搜索算法实验 (54)5.2.5基于模糊控制器的频率跟踪算法实验 (56)5.3本章小结 (57)结论 (58)参考文献 (60) (63)致谢 (64)第1章 绪 论1.1超声理疗简介1.1.1超声波生理效应频率高于20kHz 的声波即为超声波。
超声波电源驱动电路的设计
超声波换能器驱动电路的设计
壹
针对过流产生时，设计的软件和硬件电路双重封锁PWM信号。 创新点： 创新点： 1 2 解释： 解释： 硬件电路上双重控制PWM 信号。当没有过流发生时， EXB841的5引脚不输出故 障信号，此时5引脚输出 的是高电平，三极管VA0 不导通，此时，与门1引 脚为高电平，由单片机产 生的PWM使三极管VA1导 3 通，此时，与门2引脚为 高电平，与门输出高
贰
针对EXB841芯片内部提供的-5V负偏压不足重新设计的电路。 创新点： 创新点： 解释： 解释： EXB841使用单一的20V电 源产生+15V和-5V偏压。 在高电压大电流条件下， 开关管通断会产生干扰， 使截止的IGBT误导通，针 对负偏压不足的问题，设 计了外部负栅压成型电路， 用外接8V稳压管VA9代替 了EXB841芯片内部的5V VA9为8V稳压管 稳压管。电源电压升为 24V。
超声波换能器驱动电路的设计
EXB841芯片简介
EXB841芯片包含正常开通过程、正常关断过程和过流保护动作三项功能. 当1 4和15两脚 间外加PWM控制信号时候，15和14脚有10mA ～ 25mA，在GE两端产生约15v ～ 18v的 IGBT开通电压；当触发控制脉冲电压撤消时，在GE两端产生约-5.1 V的IGBT关断电压. 过流保护动作过程是根据IGBT的CE极间电压Uce的大小判定是否过流而进行保护的，
超声波换能器驱动电路的设计
壹
针对过流产生时，设计的软件和硬件电路双重封锁PWM信号。 创新点： 创新点： 1 2 解释： 解释： 电平，三极管VA2导通， 驱动EXB841芯片工作， 当出现过流时，5引脚输 出故障信号，一路信号输 出至触发器S端，此时，S 端为高电平，Q端输出高 电平，使三极管VA0导通， 此时，与门1引脚为低电 3 平； 另一路信号，输至单 片机，经过单片机
FPGA的智能超声波功率源的设计
FPGA的智能超声波功率源的设计FPGA的智能超声波功率源的设计近年来,超声波在⼯业中的应⽤不时涌现,⽐⽅超声波探伤,超声波清洗机等等。
随同着超声研究的热门，如何有效的发⽣符合要求的超声波功率源也变的迫切起来，其性能特点直接影响着超声的研究⼯作。
上述研究需要超声波具有⾼分辨率、⾼稳定性、⼤功率、频率⼤范围可调等特点，为此，本⽂提出了⼀种基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA DDS技术⽤来发⽣超声波功率源的⽅案，并已将其应⽤在实际的声学研究中。
⼀．系统原理及特点系统原理如图1所⽰。
⽤现场可编程逻辑门阵列(FPGA 芯⽚，通过直接数字频率合成(DDS技术发⽣频率为1kHz100kHz波形信号；功率放⼤采⽤功放模块；功率放模块的输出通过输出变压器和电感组成的匹配⽹络驱动压电换能器激发超声波。
本系统的主要特点有1⽤数字DDS技术发⽣波形信号，分辨率⾼、稳定性好、频率范围⼤，系统频率不会随⼯作时间呈现漂移。
2功率放⼤功放模块，系统性能稳定，功率可达500W左右。
3系统通过上位机串⾏⼝输⼊控制数据或接收反馈，操作灵活⽅便。
⼆．系统硬件实现2.1DDS原理及电路实现 DDS技术是⼀种⽤数字控制信号的相位增量技术，具有频率分辨率⾼、稳定性好、可灵活发⽣多种信号的优点。
基于DDS波形发⽣器是通过改变相位增量寄存器的值△phase每个时钟周期的度数)来改变输出频率的如图2所⽰，每当N位全加器的输出锁存器接收到⼀个时钟脉冲时，锁存在相位增量寄存器中的频率控制字就和N位全加器的输出相加。
相位累加器的输出被锁存后，就作为波形存储器的⼀个寻址地址，该地址对应的波形存储器中的内容就是⼀个波形合成点的幅度值，然后经D/A 转换变成模拟值输出。
当下⼀个时钟到来时，相位累加器的输出⼜加⼀次频率控制字，使波形存储器的地址处于所合成波形的下⼀个幅值点上。
最终，相位累加器检索到⾜够的点就构成了整个波形。
DDS输出信号频率由下式计算：Fout=△phaseFCLK/2N1DDS频率分辨率定义为：Fout=FCLK/2N2由于基准时钟的频率⼀般固定，因此相位累加器的位数决定了频率分辨率，位数越多，分频率越⾼。
DDS的智能超声波电源
DDS的智能超声波电源功率超声设备利用超声波的能量改变材料的某些状态，需要产生相当大或比较大的功率。
超声波功率源(或称发生器)向超声换能器提供连续的电能量，其性能特点直接影响着各种功率超声的研究工作。
近年来，我国关于功率超声的研究十分热门，尤其是超声化学和超声的生物效应，更是声学研究的热点。
上述研究需要超声波具有高分辨率、高稳定性、大功率、频率大范围可调等特点，为此，研制了一种基于DDS技术的超声波功率源，并已将其应用在实际的声学研究中。
1 系统原理及特点系统原理如图1所示。
用单片机AT89C51控制DDS芯片AD9850产生频率为1kHz～1MHz的波形信号；功率放大采用半桥放大方式，其中，功率开关使用MOSFET模块；通过输出变压器和电感组成的匹配网络驱动压电换能器激发超声波。
本系统的主要特点有：(1)采用数字DDS技术产生波形信号，分辨率高、稳定性好、频率范围大，系统频率不会随工作时间出现漂移。
(2)功率放大器件采用大功率的MOSFET模块，功率可达2000W 以上。
(3)采用变压器输出，通过串联谐振提高换能器两端电压，提高了电能的利用率。
(4)系统通过2 系统硬件实现2．1 DDS原理及电路实现2．1．1 008电路工作原理DDS技术是一种用数字控制信号的相位增量技术，具有频率分辨率高、稳定性好、可灵活产生多种信号的优点。
基于DDS的波形发生器是通过改变相位增量寄存器的值△phase(每个时钟周期的度数)来改变输出频率的。
如图2所示，每当N位全加器的输出锁存器接收到一个时钟脉冲时，锁存在相位增量寄存器中的频率控制字就和N位全加器的输出相加。
在相位累加器的输出被锁存后，它就作为波形存储器的一个寻址地址，该地址对应的波形存储器中的内容就是一个波形合成点的幅度值，然后经D/A转换变成模拟值输出。
当下一个时钟到来时，相位累加器的输出又加一次频率控制字，使波形存储器的地址处于所合成波形的下一个幅值点上。
超声波电源的设计
集美大学毕业设计论文毕业设计题目超声波电源的设计专业机械设计制造及其自动化班级机制0614 姓名曦曦学号********** 指导教师玉生职称副教授机械工程学院2010年6月2日超声波电源的设计[摘要]几十年来，超声加工技术的发展迅速，在型孔和型腔的加工、切割加工、超声波清洗、超声复合加工、超声波焊接领域均有较广泛的研究和应用，解决了许多关键性的工艺问题，取得了良好的效果。
本文首先介绍了国外在超声波电源方面的发展状况，然后详细分析了超声波设备的组成、关键技术以及设计难点，并以一种200w超声加工电路为方案设计、制作了超声波发生器，应用于超声加工。
通过对模拟与数字超声电源基本电路的介绍，了解超声波电源的频率跟踪、功率控制、稳速、过电压、过电流以及阻抗匹配等关键技术。
接着对所设计电路的各部位电路进行分析和设计。
在此基础上，详细介绍了整流电路、滤波电路、半桥逆变电路、超声波发生器与换能器的匹配设计以及用Protel 软件设计PCB图，然后进行电路板的制作和试验。
最后对所设计的电路的特点进行归纳与总结。
[关键词]:：超声波发生器；超声波换能器；频率跟踪；阻抗匹配；半桥逆变电路The Design Of Ultrasonic PowerAbstract The development of ultrasonic machining technology is rapid for decades. Type holes and cavity machining, cutting, ultrasonic cleaning, ultrasonic processing, and ultrasonic welding have a wider field of research and application, solves many key technology issues , achieved good resultsThis paper introduces the domestic and international aspects in the development of ultrasonic power first. Then a detailed analysis of the composition of ultrasonic equipment Key technologies and design difficulties And design a 200w ultrasonic generator which is used in ultrasonic machining .Through the power of analog and digital ultrasound description of the basic circuit, Learn about the frequency of ultrasonic power tracks, power control, steady speed, overvoltage, overcurrent and impedance matching key technologies. Then designed circuits to all parts of the circuit analysis and design. On this basis , Details of the rectifier circuit, filter circuit, push-pull inverter circuit, impedance , Ultrasonic generator and the matching design of transducer and PCB design using Protel software , and then proceed to circuit board production and testing.Finally, the design characteristics of the circuit of induction have summed up and summarized.Key words: ultrasonic generator; ultrasonic transducer; frequency tracking; Impedance matching; half-bridge inverter circuit目录摘要............................................................................................................. I Abstract ....................................................................................................... II 引言 (1)1 超声加工技术 (4)1.1 超声波加工的原理 (4)1.2 超声波加工的特点 (4)1.3 超声波加工的应用 (5)2 模拟与数字超声电源的基本电路 (7)2.1 模拟电路超声波发生器 (7)2.1.1 超声波振荡器 (7)2.1.2 超声波放大器 (7)2.2 数字超声波发生器 (7)2.3 频率跟踪 (9)2.4 功率控制 (11)2.4.1 输出功率控制系统 (11)2.4.2 功率控制系统中UC3875 的应用 (12)2.5 保护电路 (13)2.5.1 稳速电路 (14)2.5.2 过电压、过电流保护电路 (14)2.5.3 缓冲电路 (15)3 50W超声波发生器的电路设计 (17)3.1 总体方案设计 (17)3.2 整流、滤波电路的设计 (17)3.3 半桥逆变电路设计 (20)3.4 磁环变压器 (21)3.5 超声波发生器与换能器的匹配设计 (21)3.5.1 阻抗匹配 (22)3.5.2 调谐匹配 (24)3.5.3 关于匹配电感的设计 (25)3.6 系统电路原理图 (26)3.6.1 电路的工作原理 (27)3.6.2 各个元器件的作用 (28)3.6.3 元器件的选取 (28)4.1 印刷电路板设计 (30)4.1.1 设计步骤 (30)4.1.2 设计电路版时应该注意的问题 (30)4.2 印制电路板的制作 (31)4.2.1 印制电路板的工具 (31)4.2.2 印制电路板的步骤 (31)4.3 电路板的焊接 (35)4.3 电路板的调试 (37)结论 (38)致谢 (39)参考文献 (40)引言超声波发生器，通常称为超声波电源。
超声波电源的设计
`Word文档集美大学毕业设计论文毕业设计题目超声波电源的设计专业机械设计制造及其自动化班级机制0614 姓名曦曦学号2004710175 指导教师胡玉生职称副教授机械工程学院2010年6月2日`Word文档超声波电源的设计[摘要]几十年来，超声加工技术的发展迅速，在型孔和型腔的加工、切割加工、超声波清洗、超声复合加工、超声波焊接领域均有较广泛的研究和应用，解决了许多关键性的工艺问题，取得了良好的效果。
本文首先介绍了国外在超声波电源方面的发展状况，然后详细分析了超声波设备的组成、关键技术以及设计难点，并以一种200w超声加工电路为方案设计、制作了超声波发生器，应用于超声加工。
通过对模拟与数字超声电源基本电路的介绍，了解超声波电源的频率跟踪、功率控制、稳速、过电压、过电流以及阻抗匹配等关键技术。
接着对所设计电路的各部位电路进行分析和设计。
在此基础上，详细介绍了整流电路、滤波电路、半桥逆变电路、超声波发生器与换能器的匹配设计以及用Protel 软件设计PCB图，然后进行电路板的制作和试验。
最后对所设计的电路的特点进行归纳与总结。
[关键词]:：超声波发生器；超声波换能器；频率跟踪；阻抗匹配；半桥逆变电路`Word文档The Design Of Ultrasonic PowerAbstract The development of ultrasonic machining technology is rapid for decades. Type holes and cavity machining, cutting, ultrasonic cleaning, ultrasonic processing, and ultrasonic welding have a wider field of research and application, solves many key technology issues , achieved good resultsThis paper introduces the domestic and international aspects in the development of ultrasonic power first. Then a detailed analysis of the composition of ultrasonic equipment Key technologies and design difficulties And design a 200w ultrasonic generator which is used in ultrasonic machining .Through the power of analog and digital ultrasound description of the basic circuit, Learn about the frequency of ultrasonic power tracks, power control, steady speed, overvoltage, overcurrent and impedance matching key technologies. Then designed circuits to all parts of the circuit analysis and design. On this basis , Details of the rectifier circuit, filter circuit, push-pull inverter circuit, impedance , Ultrasonic generator and the matching design of transducer and PCB design using Protel software , and then proceed to circuit board production and testing.Finally, the design characteristics of the circuit of induction have summed up and summarized.Key words: ultrasonic generator; ultrasonic transducer; frequency tracking; Impedance matching; half-bridge inverter circuit`Word文档目录摘要 (I)Abstract (II)引言 (1)1 超声加工技术 (4)1.1 超声波加工的原理 (4)1.2 超声波加工的特点 (4)1.3 超声波加工的应用 (5)2 模拟与数字超声电源的基本电路 (7)2.1 模拟电路超声波发生器 (7)2.1.1 超声波振荡器 (7)2.1.2 超声波放大器 (7)2.2 数字超声波发生器 (7)2.3 频率跟踪 (9)2.4 功率控制 (11)2.4.1 输出功率控制系统 (11)2.4.2 功率控制系统中UC3875 的应用 (12)2.5 保护电路 (13)2.5.1 稳速电路 (14)2.5.2 过电压、过电流保护电路 (14)2.5.3 缓冲电路 (15)3 50W超声波发生器的电路设计 (17)3.1 总体方案设计 (17)3.2 整流、滤波电路的设计 (17)3.3 半桥逆变电路设计 (20)3.4 磁环变压器 (21)3.5 超声波发生器与换能器的匹配设计 (21)3.5.1 阻抗匹配 (22)3.5.2 调谐匹配 (24)3.5.3 关于匹配电感的设计 (25)`3.6 系统电路原理图 (26)3.6.1 电路的工作原理 (27)3.6.2 各个元器件的作用 (28)3.6.3 元器件的选取 (28)4.1 印刷电路板设计 (30)4.1.1 设计步骤 (30)4.1.2 设计电路版时应该注意的问题 (30)4.2 印制电路板的制作 (31)4.2.1 印制电路板的工具 (31)4.2.2 印制电路板的步骤 (31)4.3 电路板的焊接 (35)4.3 电路板的调试 (37)结论 (38)致 (39)参考文献 (40)Word文档`Word文档引言超声波发生器，通常称为超声波电源。
基于DSP的大功率超声电源的研制
基于DSP的大功率超声电源的研制Design of high power ultrasonic power supply based on DSP(江苏科技大学) 赵磊王建华刘建芸Zhao Lei , Wang Jianhua，Liu Jianyun 摘要：介绍了一种基于DSP的大功率超声电源的原理、总体结构和软硬件设计及其特点。
该电源由高频逆变电路和以高性能DSP芯片TMS320F2812为核心的控制系统组成。
高频逆变电路实现了频率和功率均可调的超声频交流电的输出。
控制系统完成了电参数的实时采集，并执行频率自动跟踪和振幅恒定的控制任务。
软件上，分别使用了可变步长策略和PID算法，以满足上述两个闭环控制的需要。
实验表明，该电源能够很好地驱动超声振动负载，并具有频率跟踪范围宽和负载适应能力强的特点。
关键词：超声电源；频率跟踪；恒幅输出；DSP中图分类号：TN409 文献标识码：BABSTRACT：The principles, design method and characteristics of high power ultrasonic power supply based on DSP are presented in the paper. This device consists of inverter major circuit and control system based on TMS320F2812. The main circuit produces power supersonic AC output with adjustable frequency and changeable power. Control system is responsible for the real -time electrical data acquisition，and it also performs the control of frequency auto-tracking and constant output specific power.In software，variable step strategy and PID are applied to meet the need of above two closed-loop controls. Tests show that this power supply can effectively drive ultrasonic load，and it has a wide range of frequency tracking and high load flexibility.Key words：Ultrasonic Power Supply；frequency tracking；constant output specific power；DSP1、引言近些年，随着机械振动、电力电子技术的飞速发展，功率超声的应用愈来愈广泛，对功率超声电源的研制也提出了越来越高的要求。
超声波电源驱动电路的设计
超声波电源驱动电路的设计1.确定系统需求：首先需要确定超声波电源需要工作的额定频率、输出电压和输出电流等参数。
这些参数将决定后续电路设计的具体方案。
2.选取功率器件：根据系统需求选择合适的功率器件，通常可以选择MOSFET或IGBT作为功率管。
考虑到超声波电源需要驱动较高频率的超声波换能器，因此功率器件需要具备快速开关特性和低开关损耗。
3.设计驱动电路：超声波电源的驱动电路一般采用半桥或全桥拓扑。
在半桥拓扑中，一个高侧和一个低侧功率管分别连接到超声波换能器的两端。
在全桥拓扑中，两个高侧功率管和两个低侧功率管都连接到超声波换能器的两端。
这两种拓扑各有优劣，选择时需要根据具体应用需求和功率管的成本来确定。
驱动电路的设计需要考虑到对功率器件的驱动信号的控制，保证合适的开关特性和工作频率。
4.设计保护电路：超声波电源在工作过程中可能会面临过电流、过温和短路等问题，因此需要设计相应的保护电路。
一般情况下，可以通过电流传感器和温度传感器等元件来实现对超声波电源的保护。
5.设计反馈控制回路：为了使超声波电源能够稳定输出设计的电压和电流，需要设计反馈控制回路。
该回路可以通过采集输出端的电压和电流信号，并调整驱动信号来实现对输出的精确控制，实现工作参数的稳定性和精度。
6.电路仿真和优化：在设计完成后，进行电路仿真和优化以确保电路的性能和可靠性。
常用的电路仿真软件有SPICE和PSIM等。
通过仿真可以评估电路的性能指标，并对电路参数进行调整和优化。
7.PCB设计和制作：根据最终确定的电路设计方案，进行PCB板的设计和制作。
在PCB设计中需要考虑电路布局、信号传输和电磁兼容性等问题，以确保电路的稳定性和可靠性。
8.电路测试：完成PCB制作后，对电路进行测试和调试，包括输出电压、输出电流、开关频率等参数的测试。
根据测试结果可以对电路进行调整和优化。
总结：超声波电源驱动电路的设计涉及到系统需求确定、功率器件选择、驱动电路设计、保护电路设计、反馈控制回路设计、电路仿真和优化、PCB设计和制作以及电路测试等多个步骤。
大功率超声清洗电源的研制的开题报告
大功率超声清洗电源的研制的开题报告
一、研究背景
超声波清洗技术是一种应用广泛的清洗工艺，其优势在于全面、高效、环保等方面。
超声波清洗电源作为超声波清洗的核心部件，其稳定性和可靠性对清洗效果起决定性作用。
由于超声波清洗电源在长时间运行的过程中，容易存在压力波、高温等极端情况，因此对于清洗设备的运行稳定性和持久性有着重要意义。
二、研究目的
本研究拟开发一种高性能的超声波清洗电源，主要解决现有清洗设备在运行过程中不稳定、温度过高等问题。
同时，提高超声波清洗电源的效率，促进超声波清洗技术的发展。
三、研究内容
1.分析现有超声波清洗电源的不足之处，分析其原因。
2.针对现有问题，采用可行的技术方案进行改进。
3.设计一种达到高自适应、低失真的高功率超声清洗电源。
4.实验测量改进后的超声波清洗电源的输出性能，分析改进效果。
四、研究意义
本研究将对超声波清洗电源的研发有较大的推动作用，提高清洗设备的效率、稳定性和持久性，可广泛应用于机械、汽车等行业的清洗设备。
同时，对超声波清洗技术的发展也有着重要的推动作用。
五、研究方法
本研究将采用理论分析和实验研究相结合的方法，通过对超声波清洗电源的电磁转换特性、控制方法和稳定性等方面进行分析和研究，开发出效率高、稳定性好的超声波清洗电源。
六、研究进展
目前正在开始理论研究，准备进行相关实验以验证研究成果的可靠性和实用性。
七、预计完成时间
本研究预计将于2023年顺利完成。
基于HPWM技术的大功率正弦超声波逆变电源设计
基于HPWM技术的大功率正弦超声波逆变电源设计
引言
大功率超声波装置除用于工业清洗外，还在医疗、军事、石油换能器技术，以及海洋探测与开发、减噪防振系统、智能机器人、波动采油等高技术领域有着广泛的应用前景[1]。
超声波装置由超声波逆变电源和换能器组成。
近年来，由于新型稀土功能材料的开发和研制成功，使制造大功率超声波换能器成为可能，但与之配套的高频正弦逆变电源产品尚为少见。
目前，市场上的大功率正弦逆变电源均为采用IGBT制成的中低频产品[2]，而高频逆变电源大多数是方波电源或占空比可调的脉冲逆变电源。
因此，高频大功率正弦逆变电源已成为超声波应用的瓶颈，使得对该电源的研制已成为急待解决的问题。
这里，应用混合脉宽调制(Hybrid Pulse Width Modulation，HPWM)控制技术，采用MOSFET并联运行方式，应用单片机组成智能控制系统，对高性能、大功率正弦超声波逆变电源的研制进行了研究。
系统构成
用于高性能、大功率正弦超声波的逆变电源，其频率为25kHz，功率为
4.5kW。
电压要求在0～200V之间可调，频率要求在10～25kHz之间可调。
1、方案的设计
图1示出该逆变电源的系统硬件构成框图[3]。
它由AC/DC和DC/AC两大部分组成。
包含有交-直-交主电路、驱动电路、单片机控制系统、低通滤波器、显示及保护等主要环节。
主电路由220V市电直接供电。
单相交流电压经晶闸管恒流恒压控制模块
将交流转换为直流，为逆变器提供恒定的直流电压。
超声波电源的设计
集美大学毕业设计论文毕业设计题目超声波电源的设计专业机械设计制造及其自动化班级机制0614 姓名陈曦曦学号2004710175指导教师胡玉生职称副教授机械工程学院2010年6月2日超声波电源的设计[摘要]几十年来，超声加工技术的发展迅速，在型孔和型腔的加工、切割加工、超声波清洗、超声复合加工、超声波焊接领域均有较广泛的研究和应用，解决了许多关键性的工艺问题，取得了良好的效果。
本文首先介绍了国内外在超声波电源方面的发展状况，然后详细分析了超声波设备的组成、关键技术以及设计难点，并以一种200w超声加工电路为方案设计、制作了超声波发生器，应用于超声加工。
通过对模拟与数字超声电源基本电路的介绍，了解超声波电源的频率跟踪、功率控制、稳速、过电压、过电流以及阻抗匹配等关键技术。
接着对所设计电路的各部位电路进行分析和设计。
在此基础上，详细介绍了整流电路、滤波电路、半桥逆变电路、超声波发生器与换能器的匹配设计以及用Protel 软件设计PCB图，然后进行电路板的制作和试验。
最后对所设计的电路的特点进行归纳与总结。
[关键词]:：超声波发生器；超声波换能器；频率跟踪；阻抗匹配；半桥逆变电路The Design Of Ultrasonic PowerAbstract The development of ultrasonic machining technology is rapid for decades. Type holes and cavity machining, cutting, ultrasonic cleaning, ultrasonic processing, and ultrasonic welding have a wider field of research and application, solves many key technology issues , achieved good resultsThis paper introduces the domestic and international aspects in the development of ultrasonic power first. Then a detailed analysis of the composition of ultrasonic equipmentKey technologies and design difficultiesAnd design a 200wultrasonic generator which is used in ultrasonic machining .Through the power of analog and digital ultrasound description of the basic circuit, Learn about the frequency of ultrasonic power tracks, power control, steady speed, overvoltage, overcurrent and impedance matching key technologies.Then designed circuits to all parts of the circuit analysis and design. On this basis ,Details of the rectifier circuit, filter circuit, push-pull inverter circuit, impedance ,Ultrasonic generator and the matching design of transducerand PCB design using Protel software , and then proceed to circuit board productionand testing.Finally, the design characteristics of thecircuit of induction have summed up and summarized.Key words:ultrasonic generator;ultrasonic transducer;frequency tracking;Impedance matching;half-bridge inverter circuit目录摘要IAbstractII引言11 超声加工技术51.1 超声波加工的原理51.2 超声波加工的特点51.3 超声波加工的应用62 模拟与数字超声电源的基本电路82.1 模拟电路超声波发生器82.1.1 超声波振荡器82.1.2 超声波放大器82.2 数字超声波发生器82.3 频率跟踪112.4 功率控制132.4.1 输出功率控制系统132.4.2 功率控制系统中UC3875 的应用14 2.5 保护电路152.5.1 稳速电路152.5.2 过电压、过电流保护电路162.5.3 缓冲电路183 50W超声波发生器的电路设计183.1 总体方案设计183.2 整流、滤波电路的设计193.3 半桥逆变电路设计223.4 磁环变压器233.5 超声波发生器与换能器的匹配设计23 3.5.1 阻抗匹配253.5.2 调谐匹配263.5.3 关于匹配电感的设计273.6 系统电路原理图293.6.1 电路的工作原理293.6.2 各个元器件的作用303.6.3 元器件的选取314.1 印刷电路板设计344.1.1 设计步骤354.1.2 设计电路版时应该注意的问题35 4.2 印制电路板的制作364.2.1 印制电路板的工具364.2.2 印制电路板的步骤364.3 电路板的焊接404.3 电路板的调试42结论43致43参考文献44引言超声波发生器，通常称为超声波电源。
超声波电源地设计
集美大学毕业设计论文毕业设计题目超声波电源的设计专业机械设计制造及其自动化班级机制0614 姓名曦曦学号2004710175 指导教师胡玉生职称副教授机械工程学院2010年6月2日超声波电源的设计[摘要]几十年来，超声加工技术的发展迅速，在型孔和型腔的加工、切割加工、超声波清洗、超声复合加工、超声波焊接领域均有较广泛的研究和应用，解决了许多关键性的工艺问题，取得了良好的效果。
本文首先介绍了国外在超声波电源方面的发展状况，然后详细分析了超声波设备的组成、关键技术以及设计难点，并以一种200w超声加工电路为方案设计、制作了超声波发生器，应用于超声加工。
通过对模拟与数字超声电源基本电路的介绍，了解超声波电源的频率跟踪、功率控制、稳速、过电压、过电流以及阻抗匹配等关键技术。
接着对所设计电路的各部位电路进行分析和设计。
在此基础上，详细介绍了整流电路、滤波电路、半桥逆变电路、超声波发生器与换能器的匹配设计以及用Protel 软件设计PCB图，然后进行电路板的制作和试验。
最后对所设计的电路的特点进行归纳与总结。
[关键词]:：超声波发生器；超声波换能器；频率跟踪；阻抗匹配；半桥逆变电路The Design Of Ultrasonic PowerAbstract The development of ultrasonic machining technology is rapid for decades. Type holes and cavity machining, cutting, ultrasonic cleaning, ultrasonic processing, and ultrasonic welding have a wider field of research and application, solves many key technology issues , achieved good resultsThis paper introduces the domestic and international aspects in the development of ultrasonic power first. Then a detailed analysis of the composition of ultrasonic equipment Key technologies and design difficulties And design a 200w ultrasonic generator which is used in ultrasonic machining .Through the power of analog and digital ultrasound description of the basic circuit, Learn about the frequency of ultrasonic power tracks, power control, steady speed, overvoltage, overcurrent and impedance matching key technologies. Then designed circuits to all parts of the circuit analysis and design. On this basis , Details of the rectifier circuit, filter circuit, push-pull inverter circuit, impedance , Ultrasonic generator and the matching design of transducer and PCB design using Protel software , and then proceed to circuit board production and testing.Finally, the design characteristics of the circuit of induction have summed up and summarized.Key words: ultrasonic generator; ultrasonic transducer; frequency tracking; Impedance matching; half-bridge inverter circuit目录摘要 (I)Abstract (II)引言 (1)1 超声加工技术 (4)1.1 超声波加工的原理 (4)1.2 超声波加工的特点 (4)1.3 超声波加工的应用 (5)2 模拟与数字超声电源的基本电路 (7)2.1 模拟电路超声波发生器 (7)2.1.1 超声波振荡器 (7)2.1.2 超声波放大器 (7)2.2 数字超声波发生器 (7)2.3 频率跟踪 (9)2.4 功率控制 (11)2.4.1 输出功率控制系统 (11)2.4.2 功率控制系统中UC3875 的应用 (12)2.5 保护电路 (13)2.5.1 稳速电路 (14)2.5.2 过电压、过电流保护电路 (14)2.5.3 缓冲电路 (15)3 50W超声波发生器的电路设计 (17)3.1 总体方案设计 (17)3.2 整流、滤波电路的设计 (17)3.3 半桥逆变电路设计 (20)3.4 磁环变压器 (21)3.5 超声波发生器与换能器的匹配设计 (21)3.5.1 阻抗匹配 (22)3.5.2 调谐匹配 (24)3.5.3 关于匹配电感的设计 (25)3.6 系统电路原理图 (26)3.6.1 电路的工作原理 (27)3.6.2 各个元器件的作用 (28)3.6.3 元器件的选取 (28)4.1 印刷电路板设计 (30)4.1.1 设计步骤 (30)4.1.2 设计电路版时应该注意的问题 (30)4.2 印制电路板的制作 (31)4.2.1 印制电路板的工具 (31)4.2.2 印制电路板的步骤 (31)4.3 电路板的焊接 (35)4.3 电路板的调试 (37)结论 (38)致 (39)参考文献 (40)引言超声波发生器，通常称为超声波电源。
超声波电源驱动电路的设计
结果的讨论与改进
结果讨论
在实验结果的基础上，我们对超声波电源驱动电路的性能进行了深入的讨论， 并探讨了可能影响电路性能的各种因素。
改进方案
根据实验结果和讨论，我们提出了一些改进方案，例如优化电路设计、选用更 高性能的元件、加强散热等，以提高超声波电源驱动电路的性能。
05
结论
工作总结
01
完成了超声波电源驱动电路的原理设计，实现了电 路的基本功能。
3
可以进一步拓展该电路的应用领域，例如在医疗、 环保、工业等领域中发挥更大的作用。
感谢观看
THANKS
可靠性
指超声波电源驱动电路的稳定性和寿命，是 评价电路质量的重要指标。
03
超声波电源驱动电路的设计
电路拓扑结构的选择
1 2
线性电源
输出电压与输入电压成正比，适用于对电压精度 要求高的场合。
开关电源
通过开关管控制能量传输，效率高，适用于大功 率应用。
3
脉冲宽度调制（PWM）电源 通过调节脉冲宽度来控制输出电压，具有较好的 调节性能。
优化目标
以效率、稳定性、体积和成本等为目标进行优 化。
优化方法
采用遗传算法、粒子群算法等智能优化算法进行优化。
04
实验与测试
实验设备与测试方法
实验设备
超声波电源驱动电路、超声波换能器 、信号发生器、示波器、万用表等。
测试方法
对超声波电源驱动电路进行性能测试 ，包括输出电压、电流、频率等参数 的测量，以及电路的效率、稳定性等 方面的评估。实 Nhomakorabea结果与分析
实验结果
在实验中，我们得到了超声波电源驱动电路的输出电压、电 流、频率等参数的测量结果，以及电路的效率、稳定性等方 面的评估数据。
毕业设计6超声波用开关电源的设计
毕业设计6超声波用开关电源的设计引言：随着科技的不断发展，超声波技术在各个领域都得到了广泛的应用。
而超声波设备的供电则对于其正常运行起到了关键的作用。
开关电源是一种能够将交流电转换为直流电的电源设备，具有稳定性高、效率高、占空比可调等特点，因此被广泛应用于各种电子设备中。
本文将以设计超声波用开关电源为内容，介绍该设计的步骤和关键技术要点。
一、设计流程：1.确定需求：首先需要明确超声波设备的电源需求，包括工作电压、电流等参数。
2.选择开关电源拓扑结构：根据电源需求，选择合适的开关电源拓扑结构，如单端供电结构、双端供电结构等。
3.选择元件：根据选择的拓扑结构，选取合适的电容、电感、二极管、开关管等元件，并进行参数计算。
4.控制电路设计：根据开关电源拓扑结构的特点，设计合适的控制电路，实现稳定的开关动作。
5.PCB设计：将电源电路的原理图转化为PCB布局，保证电路中元件的合理布局和导线的优化布局。
6.电路调试和测试：完成电路的组装和焊接后，进行电路的调试和测试，包括输出电压、电流的稳定性等指标的测试。
二、关键技术要点：1.选择合适的开关管：开关电源的开关管负责将输入的交流电转换为直流电，因此对于超声波设备来说，要选择具有低开通电阻、高导通电流、低开通电压且耐受电压高的开关管。
2.控制电路的设计：控制电路的设计对于开关电源的稳定性和效率有着重要的影响，需要合理选择驱动电路和反馈电路的设计方案。
3.PCB布局设计：合理的PCB布局可以降低开关电源的噪声和干扰，提高整体的性能。
需要注意分离高压和低压区域，减少干扰的传导路径。
4.过渡和短路保护：为了保护超声波设备和开关电源本身的安全，需要设计过渡和短路保护电路，当出现异常情况时及时切断输入电源。
结论：本文以设计超声波用开关电源为目标，介绍了设计流程和关键技术要点。
通过选择合适的开关电源拓扑结构、元件和合理的控制电路设计，以及优化的PCB布局，可以设计出稳定高效的超声波用开关电源。
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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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