基于DSP的超声波电源硬件电路设计

昼应用技术 基于亮刘晓光蒋晓明王攀 (广东省自动化研究所广东省现代控制技术重点实验室广东省现代控制与光机电技术公共实验室) 摘要：针对传统模拟超声波电源存在功率损耗大、通用性差、控制不灵活等问题，提出基于声波电源设计，介绍超声波电源硬件电路的总体方案、主电路及控制电路设计。通过试验验证了所设计的超声 波电源频率自动跟踪效果良好。 关键词：率跟踪 0 引言 超声波电源是把电能转换成与超声波换能器相 匹配的高频交流电信号设备。传统模拟控制的超声波 电源实现需要设计大量复杂的控制电路，电路元件易 老化、温漂严重、参数调整不方便，且在动态响应和 控制精度等方面不够理想，存在功率损耗大、通用性 差和控制不灵活等问题【I】。数字化控制主要通过对 可实现 超声波电源的主要控制功能，大大节约成本，提高设 备使用的灵活性。随着微电子技术、计算机技术、自 动控制理论和电力电子技术的发展，超声波电源正朝 着大功率、高频化、低功耗、高功率因数、智能化、 复合化的方向发展。 本文提出基于基 于频 超声波电源，通过功率采样电路、频率采样电路及反 馈电路等电路设计，实现超声波电源的功率可调、频 率自动跟踪等功能。 1基于字化超声波电源由主电路、控制电路、动电路3部分组成。主电路主要包括：输入整流器、 软启动电路、滤波器、频变压器及 其匹配电路。控制电路采用制器，充分利用该处理器的捕捉、中断等内部资源，并辅以外围的电流、电压检 测电路、光耦隔离、继电驱动等电路。采用大功率于化超声波电源框图如图图1 基于4 基金项目：广东省科技计划项目(2012 电源上电后，输入整流器将50 转变为直流电；为避免上电瞬间浪涌电流过大，对 滤波器中的大电容器组和流接触器的通断实现主电路的软启动；将直流电滤 波得到更为平滑的直流电；路中平滑的直流电逆变为 高频交流方波电流：高频交流方波通过高频变压器及 其匹配网络的谐振变换，输出高频正弦交流电作用于 换能器，换能器将电能转换为超声机械振动输出。同 时，通过电压检测电路和电流检测电路分别采集匹配 网络中的电压信号和电流信号，并将采集的电压与电 流信号一路通过乘法器送入功率调节电路，实现超声 波电源的功率调节功能；另一路用于信号调理，实现 超声波电源的频率自动跟踪功能。 2主电路拓扑结构设计 基于2所示。 图2基于1 逆变电路拓扑结构的选择 超声波电源中常用的逆变拓扑结构有全桥式、半 桥式和推挽式3种2。本文采用全桥式逆变拓扑结构。 输入交流电通过整流桥为直流电；再由方波交流电。当驱动电路使出变压器的电压波形；同理，当驱动电路使成一个负半周的电压波形，因 此，通过驱动电路的有效控制，实现了从直流到交流 的逆变过程。其中1、2、；22匹配电路设计 本文匹配电路是指将超声波发生器输出的电能 送到换能器的通道。匹配电路的结构相对简单，却有 非常重要的作用。匹配电路的好坏直接决定着能量的 传输效率、能量的损耗程度以及设备的安全性等。超 声波发生器与换能器之间的匹配包括阻抗匹配和调 谐匹配3】。从变压器的次级输出端可以测得本系统主 要呈现电感性，而作为负载的压电换能器通常呈现电 容性。要使超声波电源及换能器系统具有最大的输出 功率及效率，应尽可能使负载呈现电阻性的工作状 态。通过反复试验和比较，本文采用并联谐振的匹配 电路，即在高频变压器的输出端并联一定容量电容器 组(见图2中从而使变压器、匹配电容以及 换能器形成接近于电阻性工作负载。 3基于1超声波电源控制系统 基于流采样、电压采样、 功率运算、频率相位捕捉、供电电路、复位电路、晶 振电路、保护电路等组成，其框图如图3所示。 2015年第36卷第3期自动化与信息工程25 ： 率调整 压采样卜_L l H 一 煎 l 3基于2采样电路设计 采样电路包括功率采样和电流、电压相位差采 样。在不影响主电路输出的前提下，准确采集换能器 的电流、电压信号和相位信号，是实现电源恒功率调 节和频率自动跟踪的前提，也是保证超声波 电源系统稳定工作的关键。本文通过分压电 路获取电压信号U用电流互感器获 取电流信号通过运放电路、电压 比较器、耦以及阻容元件控制等， 实现超声波电源的功率采样以及相位差捕 捉，相位差捕捉电路如图4所示。位后，通过软件计算电流电压的相位之差， 并根据相位差调整到 锁相及频率自动跟踪的目的。 采样的另一重要目的是对采集的电流、 电压信号进行相乘获取相应的功率信号。 行 制全桥逆变的移相角，从而控制电源的输出 功率。功率采样电路如图5所示，一乘法器，对电流、电压采样