开题报告-数字化超声波清洗电源系统设计.doc

中 北 大 学毕业设计开题报告学 生 姓 名：学 号：学 院：计算机与控制工程学院专 业：电气工程及其自动化设计题目：数字化超声波清洗电源系统设计指导教师: 2015年 4 月 2 日毕 业 设 计 开 题 报 告1选题依据：文献综述1 本设计的选题背景意义作为一门边缘学科，超声工程学被广泛应用于工业生产、环境保护和卫生保健等领域。近十年来，我国对超声技术及其应用的研究异常活跃。按研究内容，超声工程学可分为检测超声和功率超声两大领域1。超声清洗是功率超声的一个非常重要的应用，它是把被清洗物件放置在清洗液中，同时向清洗液辐射超声而实现清洗的工艺过程2。与其他传统清洗方法相比，超声波清洗具有清洗效果好、效率高、速度快、易于实现自动化等优点，在各种机械的、物理的、化学的清洗方法中，超声清洗是最有效、最理想的一种。在很多生产企业中，已经慢慢用超声清洗取代了传统刷洗、振动清洗和压力冲洗等工艺方法3。超声波电源用来给换能器提供超声频电信号。按激励方式，超声波电源有他激式和自激式两种。他激式超声波电源由信号发生器和功率放大器构成，超声能量经输出变压器耦合加载到换能器上4；而自激式超声波电源把功率放大器、换能器、信号发生器和输出变压器连成一体，组成闭环回路，闭环回路要同时满足相位反馈和幅度反馈条件5。超声波电源的发展可以分为电子管放大器、晶体管模拟放大器和晶体管数字开关放大器这几个阶段。开关型超声电源的发展和电力电子开关器件的发展密切相关。电力电子开关器件的发展先后经历了双极型开关管、VDMOS管和IGBT三个阶段，其工作频率也从工频，低频，中频发展到高频6。电力电子器件发展的同时，相应的控制技术也迅速发展。控制电路最开始由分立元件构成，后来采用集成控制器，发展到由计算机控制。当前，正朝全数字化、低损耗、高频率的方向发展7。模拟控制电路容易老化、温漂严重，参数调整不方便，另外在动数字化超声波电源系统的研究与设计动态响应和控制精度等方面也不太理想8。随着专用模拟集成控制芯片的出现，电力电子电路的控制线路得以简化，同时电路的可靠性也得以提高。但是由于外接电阻电容等元件的存在，模拟控制电路的一些缺点如元件老化等问题依然存在。除此之外，模拟集成控制芯片还有功率损耗大、通用性差和控制不灵活等问题。用数字控制替代模拟控制，能够消除温漂等缺点，便于参数设定和调节。采用数字控制方式，可以通过改变程序软件，方便地调整控制方案，实现不同的控制策略，同时可以简化硬件结构，提高电源系统的可靠性9。此外，数字控制还可以实现故障自动诊断和运行数据的自动保存，有助于电力电子装置实现智能化运行10。一般而言，可以采用以下三种方式来实现超声波电源的数字化控制。超声波清洗机包括超声电源、换能器以及清洗槽三部分，它们互相配合一起完成清洗任务，其中超声波电源及换能器是超声清洗系统的两大主要部件11。超声波电源用来产生超声频电能并将电能提供给换能器；而换能器的作用是把电能转变成机械振动输出，其各参数直接影响着超声波清洗机的性能12。2 超声波清洗的现状以及发展趋势2.1超声波清洗技术的现状由于超声波清洗速度快、质量好，又能大大降低环境污染，因此，超声波清洗技术正在越来越多的工业部门中得到应用13。电子元器件的基体清洗；PCB板的清洗；接插件、连接件、转接器等器件的生产中，电镀和组装前也必须清洗，否则吸附在这些组装零件上的灰尘、油污必将影响其导电和绝缘性能，特别是一些复杂的多芯连接器尤其如此。电子材料加工成型后的清洗14。超声波清洗是利用超声波在液体中的空化作用、加速度作用及直进流作用对液体和污物直接、间接的作用，使污物层被分散、乳化、剥离而达到清洗目的15。目前所用的超声波清洗机中，空化作用和直进流作用应用得更多16。从清洗的效果、生产效率、安全、节能等方面分析：清洗效果好，清洁度高且全部工件清洁度一致、清洗速度快，提高生产效率，不须人手接触清洗液，安全可靠、对深孔、细缝和工件隐蔽处亦可清洗干净、对工件表面无损伤，节省溶剂、热能、工作场地和人工17。超声波清洗方式超过一般以的常规清洗方法，特别是工件的表面比较复杂，象一些表面凹凸不平，有盲孔的机械零部件，一些特别小而对清洁度有较高要求的产品如：钟表和精密机械的零件，电子元器件，电路板组件等，使用超声波清洗都能达到很理想的效果18。超声清洗的原理是由超声波发生器发出的高频振荡信号，通过换能器转换成高频机械振荡而传播到介质清洗溶剂中，超声波在清洗液中疏密相同的向前辐射，使液体流动而产生数以万计的微小气泡，从而达到清洗目的19。2.2超声波清洗技术的发展趋势在最近几年来里，伴随着各种新技术不断地被应用于清洗技术之中。比如说随着生物技术的飞速发展20。超声波清洗技术被越来越多地应用到酶和微生物中。当然，这是利用生物化学反应21；再如空气净化和水处理的问题上，活性炭的使用也越来越普及，这些都是利用活性炭吸附作用，当然还有电解清洗等22。因此，如果我们人为地将清洗简单地分为几类。这样已经不能完全涵盖当前超声波清洗技术飞速发展的现实状况23。工业超声波清洗与各种工业活动密切相关，有的是产品生产工艺的一个组成部分。清洗不是最终的产品24。而是许多工业生产过程中的一个局部工序。工艺或辅助活动在一些传统工业中25。清洗可能被人看做一个非常简单的操作流程。而且往往不被人们重视。但他们却忘记了，物品的清洗的好坏却决定最终产品的性能和质量。特别是在当今的高科技产业中，超声波清洗机清洗技术的作用尤为突出26。3 本设计完成的主要研究工作结合现代逆变技术,设计制作了一款具有频率跟踪功能且输出功率可调的超声波电源。该超声波电源具有良好的频率跟踪功能,当外加干扰时系统能很快地实现频率跟踪锁定状态。要求：1.了解超声电源系统的发展、研究现状及发展趋势，并说明课题研究的背景和意义；2.分析换能器在它的谐振频率周围的阻抗特性，学习频率自动跟踪系统控制参数的理论知识；3.对超声电源的主电路进行了研究和设计,包括整流滤波电路、全桥逆变电路、IGBT驱动电路、高频变压器和匹配电路等。4. 设计基于PWM技术的超声电源控制系统。参考文献1袁易全.近代超声原理与应用M .南京:南京大学出版，2012:1451462应崇福编.超声和它的众多应用M .北京：湖南教育出版社,2011:68923Lorenzo ParriniDesign of Advanced Ultrasonic Transducers for welding DevicesJIEEE Transon Ultrasonics，Ferrorelectrics and Frequency Control，2013，48(6)：1632-16394徐涛.超声波发生器电源技术的发展J洗净技术，2012,6(4) :10-155陈明IGBT双管模块驱动保护电路的研制与应用D北京：华北电力大学，2011：2429 6Santos H M，Capelo J LTrends in ultrasonicbased equipment for analytical sample treatmentJTalanta，2010，73(5):795-8027Khuri-Yakub B TIntroduction to the special issue onmicromachined ultrasonic transducersJIEEE Trans on Ultrasonics， Ferroelectrics and Frequency Control，2013，52(12)：2162-21698王兆安编.电力电子技术M1北京：机械工业出版社，2011:11-339Bayram B，Oralkan O，Ergun ASCapacitive micromachined ultrasonic transducer design for high power 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分析如何选择合适的功率开关器件以及建立全桥逆变主电路从而实现超声波电源的输出频率和功率调节。(3)研究如何设计基于PWM技术的超声波电源控制系统以及怎样实现针对超声电源的频率自动跟踪问题，并分析如何设计一种锁相环控制电路。(4)熟悉如何设计友好的人机对话接口以及如何便于工作参数的设定和调节,如何实现超声电源运行状态及相关参数的实时显示。2本设计拟采用的研究途径超声波清洗电源的原理及特性设计步骤可大致可分为：首先，对超声波清洗电源的基本原理和特性进行分析；其次，设计超声波清洗电源主电路；再次，研究和设计超声波清洗电源控制系统。研究途径如图2-1所示：超声波清洗电源的研究与设计整流滤波电路设计驱动电路和高频变压器的设计超声波清洗电源控制系统的研究与设计图2-1 本课题的研究途径2.1 超声波电源主系统设计超声波电源主电路包括整流滤波电路和高频逆变电路主要部分，图2-1-1给出了其结构框图。图2-1-1超声波电源主电路结构框图2.2 超声波电源控制系统的研究和设计超声波电源的核心由主电路和控制电路两部分构成。控制系统主要用于给主电路提供激励PWM信号，并采集主电路上的电流电压信息，实现频率跟踪、功率调节以及过流保护等功能。本设计的控制系统设计预计将采用硬件及软件相结合的方法，使系统控制更加灵活，当要改变超声波电源系统的配置时，只需要通过键盘修改软件参数即可，而不用修改硬件的参数，因此，当负载换能器改变时，只需重新配置输出变压器和电感，其他电路无需变