超声波用开关电源的设计毕业论文.doc

0目录1引言.12设计方案.22.1方案对比选择.22.2控制方式的选择.23系统结构框图.34DSP外围器件的设计.44.1整流滤波电路.44.2主控制电路.54.2.156F803型DSP.54.2.2高频逆变单元.74.2.3IGBT驱动模块.84.3频率跟踪控制单元.94.4模拟键控制模块.104.5保护电路.114.6显示电路.124.7PWM产生单元.125软件设计与分析.145.1主程序流程图.145.2模拟控制键子程序.155.3A/D转换子程序.166结束语.16谢辞.18参考文献.19附图整体电路图.2011引言随着科学的发展和技术的进步超声波在超声焊接、超声清洗、干燥、雾化、导航、测距、育种等领域的应用日趋广泛。现在的大功率超声波电源大都采用频率跟踪控制或功率控制。这种单一控制方法不仅会降低超声波电源效率，而且会影响输出精度和强度。如何使超声波电源根据实际负载实时，动态调节输出谐振频率和功率，从而保证超声波加工等操作的要求具有重要的理论研究和实际应用价值。超声波在工业清洗中的应用是本文设计的重要背景。超声波清洗属物理清洗，把清洗液放入槽内，在槽内作用超声波。由于超声波与声波一样是一种疏密的振动波，在传播过程中，介质的压力作交替变化。在负压区域，液体中产生撕裂的力，并形成真空的气泡。当声压达到一定值时，气泡迅速增长，在正压区域气泡由于受到压力挤破灭、闭合。此时，液体间相互碰撞产生强大的冲击波。虽然位移、速度都非常小，但加速度却非常大，局部压力可达几千个大气压，这就是所谓的空化效应。众所周知，要取得不同大小的颗粒，是把破碎料放在球磨机内研磨后，经过不同规格筛子层层筛分而得的。筛子长时间使用后，筛孔会被堵塞（如金刚石筛），用其它方法刷洗会破坏筛子，且效果不理想，经过众多厂家的试验后，用超声波清洗，不仅不损坏筛子，而且筛子上面的堵塞颗粒完全被回收。超声波清洗在各行各业都可用到，以上仅是具有代表性的行业应用，还有许多新的行业和领域都可以使用超声波清洗，期待着广大使用单位和生产厂家共同开发探索。目前,世界上许多国家在研究超声波电源上主要是解决功率问题和功耗的问题，而我的论文主要是研究自动跟踪、自动调整的问题。在控制器的选择上，有多种多样，从以前的模拟控制方式到模拟数字一体化的方式，可以说各有各的优势，各有各的缺点。随着科技的不断进步，人们开始了在DSP上的研究，利用DSP作为控制器来控制PWM的脉冲宽度以达到控制频率和功率的目的。利用DSP的控制器有很多优点，一方面减少了元件的使用量且减少了故障的出现率；另外保护功能的实现主要在程序，为产品的后期开发提供了方便。因此，本文主要研究的是基于56F803型DSP的频率跟踪与功率调节相结合的周期分段移相控制的设计过程。在本论文中详细介绍了56F803型DSP的结构以及高频逆变模块和滞环采样电路的应用；另外，本论文中对电路的一些保护功能如限流保护、过压压保护、短路保护都是通过DSP编写程序实现的，这样使电路简单，成本较低并且效果优秀。除此之外，还设计了系统的软件流程，包括主程序流程设计和PWM产生子程序流程设计。22设计方案2.1方案对比选择方案（1）：以单片机为中心。采用单片机智能控制系统的大功率超声波电源，可实现电源频率和输出电压的人工设定。单片机模拟输出的HPWM（混合脉宽调制信号）可简化硬件电路，大大提高系统的功率因数和效率；同时运用了HPWM控制方式与ZVS（零电压开关）谐振软开关技术，降低了开关管的损耗，抑制了高次谐波，减小了换能器的损耗。实验表明，所提出的电源性能优良，调节方便，可靠性高。方案（2）：以DSP为中心。DSP(DigitalSignnalProcessing)即数字信号处理,随着信号和微电子技术的进一步得到了越来越广泛的应用。其运算精度和动态范围都比单片机有着很大的优势，并且其在功耗上也大大降低，在工业中得到了更好的应用。DSP多处理器的内部结构特别适合FIR和IIR滤波器，有着很高的运行速度，可以实现现在工业规格的要求。经过以上两种方案的分析比较，考虑到频率和电压可调的目标以及功耗、简易性的要求，选择第二种方案。2.2控制方式的选择方案（1）：选用PWM专用集成芯片作为主控芯片。如PWM芯片SG3525具有很高的温度稳定性和较低的的噪声等级，具有欠压保护和外部封锁功能，能方便地实现过压、过流保护，能输出两路波形一致、相位差为180°的PWM信号。方案（2）：采用通用的AT89S51单片机作为控制器，单片机通过模拟的PWM，经处理后通过功率放大器驱动电机。方案（3）：采用56F803型DSP作为控制器。目前DSP已非常普遍，采用56F803型DSP作为控制电路的核心处理器它内置2KBSRAM，315KBFLASH，同时，其40MHz的CPU时钟频率比其他单片机具有更强的处理能力。6路PWM信号可以实现高频逆变电路开关管MOSFET的移相控制。12位AD转换器采集可以实现电压和电流采样并满足采样数据精度的要求。利用56F803型DSP中定时器的捕获功能可以精确计算相位差大小，实现系统的频率跟踪控制。串行外设接口SPI与MCl4489配合使用可以实现对5位半数码管的控制从而实现系统频率和功率的显示。另外，56F803还支持C语言与汇编语言混合编程的SDK软件开发包可以实现在线调试经过讨论和老师的指导，我们采用了方案（3）作为我的设计。采用方案（1）能够满足基本要求，但是这种方案可控性不好、功能单一，每扩展一种功能就要增加相应的硬件电路，使控制器成本增加很多；采用方案（2）能满足设计基3本要求，而且价格便宜，购买方便，但是现场编译不太方便；而方案（3）集中了前两种方案中的优点，还弥补了它们存在的缺陷；而且处理速度快，运行稳定可靠，符合工业清洗和除尘的严格要求。自动控制复杂，换能器需要一定的逻辑输出才能可靠运行。而这类DSP都有丰富的片上资源，比较强大的处理能力，一般都不需要外扩其他器件就可以构成一个完整的系统。片上系统的优点在于减小了布线的麻烦，提高了系统的整体性能。2.3PWM调制方式脉宽调制（PWM）控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次斜波谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。在一个周期内，每个功率开关器件导通120度电角度，每隔60度有两个开关器件切换。因此，PWM调制方式可以有以下五种：(1)on_pwm型、(2)pwm_on型、(3)H_pwm-L_on型、(4)H_on-L_pwm型和(5)H_pwm-L_pwm型。前四种方式又称为半桥臂调制方式，即在任意一个60度区间，只有上桥臂或下桥臂开关进行斩波调制。其中，方式(1)和(2)为双管调制方式，即在调制过程中上桥臂和下桥臂的功率开关都参与斩波调制。方式(3)和(4)又称为单管调制方式，即在调制过程中只有上桥臂或下桥臂的功率开关参与斩波调制。方式(5)又称为全桥调制方式，即在任意一个60度区间内，上、下桥臂的功率开关同时进行斩波调制。在全桥调制方式中，功率开关的动态功耗是半桥调制方式中的两倍。与半桥调制方式相比，全桥调制方式降低了系统效率，给散热带来困难。因此，考虑到功率开关的动态功耗，在PWM调制方式上应选择半桥调制方式。同时，在半桥调制方式中，双管调制方式不增加功率开关的动态损耗，并解决了由单管调制所造成的功率开关散热不均，提高了系统的可靠性，但是实现起来较复杂。因此本设计采用本系统的开关采用占空比为50的PWM信号移相控制。传统移相控制方法有二种：一种是采用UC3875产生移相控制波形但电路复杂，不便于调试。精度低：另一种是采用单片机，这种方法大部分采用正弦表产生移相波形，程序冗长、复杂、可读性差。本系统采用周期分段控制方法实现移相控制波形，避免了以上缺陷。3系统结构框图