超声波电源说明书

第九届“挑战杯”

河南省大学生课外学术科技作品竞赛

作

品

说

明

书

作品名称：超声波振动筛自动控制电源

学校：河南师范大学

团队： ZJ小组

指导老师：袁延忠

前言

超声技术是声学中发展最迅速、应用最广泛的领域。尤其在近年来,随着电子技术和材料科学等方面的飞速发展,大功率超声技术如超声清洗、超声焊接、超声加工、超声雾化、超声乳化、超声粉碎等在国民经济相关行业中的应用越来越广,这又反过来促进了对功率超声机理和应用等方面的研究。

在超声振动加工中, 为得到大的振幅以提高加工质量, 发挥超声加工的优越性, 要求振动系统工作在谐振状态。一般, 换能器振动系统工作前, 通过调节电源的电频率, 可满足系统处于共振的工作条件。

但是, 在实际加工中, 由于负载的变化、系统发热等一系因素的影响, 使振动系统的固有频率发生变化, 此时, 若不及时调整换能器的电源频率即不采用自动频率跟踪 , 振动系统将工作在非谐振状态, 从而使振动系统的输出振幅减小, 造成加工质量下降, 当失谐严重时, 超声振动加工的优越性消失。因此, 在超声振动加工中采用自动频率跟踪是非常必要的

目录

前言 (2)

一项目背景 (4)

二设计目的 (5)

三系统设计 (6)

3.1 电流控制型PWM的设计 (6)

3.2 单片机采集数据的设计 (7)

3.3 PID算法 (7)

3.4 自动跟踪频率 (8)

3.5 DDS高精度振荡源的应用 (8)

四系统流程图 (9)

五作品创新点与技术指标 (10)

六作品应用前景 (11)

七作品原理图 (12)

八作品部分代码 (13)

九附件 (16)

项目背景

超声振动筛是将220V、50Hz或110V、60Hz电能转化为18KHz 的高频电能，输入超声换能器，将其变成18KHz机械振动，从而达到高效筛分和清网的目的。该系统在传统的振动筛基础上在筛网上引入一个低振幅、高频率的超声振动波（机械波），以改善超微细分体的筛分性能。特别适合高附加值精细分体的用户使用作为超声波振动筛的核心部分——电源的设计尤为重要，就目前人工手动控制电源而言，由于振动筛筛选出的是200目以上的极微小颗粒，筛选成雾状，生产环境及其恶劣，不适于人长期工作。而且，人工控制准确度不高，不能及时地跟踪振动筛的频率。而本产品正是克服了以上种种缺点。自动控制电源采用PID控制，自动扫描振动筛的本振频率，已达到快速、精确地动态调节振源频率，使之始终工作在最合适的频率和电流，从而大大的提高了生产量。由于具有频率扫描功能，因此适应于所有型号的超声换能器。换能器频率偏移率低，能量转换率达到95%以上，实现功率输出最大化。系统兼容性好，自动调节程度高，有很宽的频率跟踪范围。电源可以输出平稳的能量和振幅，并对换能器的最大输出功率、振幅、电压进行限制，电源有过压、过温、过流等多重保护手段。我们设计的作品可适用于各种超声波系统中，制药、冶金、化工、选矿、食品等要求精细筛分过滤的行业，所以本作品具有很好的应用价值。

项目设计目的

目前，超声波振动筛的应用越来越广泛，由于普通机械式振动筛只能筛分200目以下的颗粒，对于200-600目的颗粒，只有采用更高的振动频率。超声波振动的频率可以从20KHZ到60KHZ，对于微小颗粒筛分具有很好的效果。超声波振动的实现原理是：利用振荡源同步驱动PMW专用电路SG3525，驱动脉冲再经功率放大电路，驱动超声波换能器，从而产生高频振动。在超声振动加工中，为大幅提高加工质量，发挥超声加工的优越性，要求振动系统工作在谐振状态。一般，换能器振动系统工作前，通过调节电源的频率，使之满足系统处于共振状态。但是，在实际运行中，由于负载的变化、系统发热等一系列因素的影响，使振动系统的固有频率不断发生随机性变化。当换能器的频率偏离其供电频率时，便几乎停止振动。而在目前的生产工作中，超声波电源以人工手动控制居多，从而无法快速、精确、及时地调整换能器的电源频率, 振动系统将工作在非谐振状态，从而使振动系统的输出振幅减小，造成加工质量下降。因此，在超声振动加工中采用自动频率跟踪是非常必要的。为了弥补目前市场上超声共振筛存在的这些缺陷，我们想到了研制出一种在工作过程中可以自动扫描设备频率并进行调频的自动控制电源。

系统设计

3.1 电流控制型PWM的设计

脉冲宽度调制脉冲宽度调制（PWM）是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制。它是利用微处理器的数字输出

来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域。一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定。

脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。

3.2 单片机采集数据的设计

数据采集是分析模拟信号量数据的有效方法。而实时显示数据是自动化检测系统的现实需求。在测试空空导弹导引头的过程中，导引头的响应信号包括内部二次电源信号和模拟量电压信号。检测过程中要求检测系统实时显示导引头的工作状态，显示二次电源和模拟量响应电压信号，判断导引头性能，同时保证在非常情况下人为对导引头做出应急处理，保护导引头。对于模拟量电压信号，通常采用模数转换、事后数据标定的方法实现。根据现实需求，研制相应检测系统可作为导引头日常维护和修理的重要工具。