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超声波 开关电源 设计

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超声波用开关电源的设计,超声波,开关电源,设计

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学生姓名马继辉班级电气064班指导教师陈艳锋论文（设计）题目超声波用开关电源的设计目前已完成任务1. 设计方案的确定；2. PWM控制方式的选择；3. IGBT的驱动和保护；4. 已完成部分论文撰写是否符合任务书要求进度：符合要求尚需完成的任务1. 电路图的改进与完善；2. 程序编写与调试；3. 控制器的保护；4. 论文的整理；能否按期完成论文（设计）：能存在问题和解决办法存在问题1. 电路抗干扰设计考虑不足，需进行改进；2. 电路没有预留扩展接口，需扩展；拟采取的办法1.联系厂商了解控制方式；2.找指导老师，向老师详细请教不明白的地方；3.平时对理论知识加深理解；4.与同学互相讨论，解决心中疑难；5.统计优缺点进行优化电路。指导教师签 字日期年 月 日教学院长（系主任）意 见 负责人签字： 年 月 日河南科技学院本科毕业论文（设计）中期进展情况检查表河南科技学院本科生毕业论文（设计）任务书题目名称： 超声波用开关电源的设计学生姓名马继辉所学专业电气工程及其自动化学号20060344414指导教师姓名陈艳锋所学专业机电技术教育职称实验师完成期限2009年12月16日至2010年5月29日一、论文（设计）主要内容及主要技术指标1.主要内容超声波电源的发展经历了不可控、可控的过程，对控制方式的选择有重要的研究意义。选用IGBT和DSP控制频率、电压系统功能强大，但是对系统的保护也要求严格。本设计的多功能超声波电源应具有以下功能：限流保护、欠压保护、频率电压可调可显示功能。本设计要求：设计出具有上述部分或全部功能的控制电路，各项指标达到设计要求。2.技术指标（1）限流保护：180A；（2）欠压保护：42V；（3）频率、电压可调，并能显示；（4）可编程；（5）实现或部分实现过热、过压保护。二、 毕业论文（设计）的基本要求1.毕业设计报告：有200字左右的中英文摘要，正文后有20篇左右的参考文献，正文中要引用5篇以上文献，并注明文献出处。2.有不少于2000汉字的与本课题有关的外文翻译资料。3.毕业设计字数在10000字以上。4.程序清单和图纸。三、毕业论文（设计）进度安排1.2009年12月12日-12月16日，下达毕业设计任务书；寒假期间完成英文资料翻译和开题报告。2. 2010年2月16日-3月8日（第1-3周），指导教师审核开题报告、设计方案和英文资料翻译;毕业设计单元部分设计。3. 2010年4月6日-4月12日（第8周），毕业设计中期检查。4. 2010年4月13日-5月10日（第9-12周）设计仿真、程序调试、线路板制作调试，整理、撰写毕业设计报告。5. 2010年5月11日-5月29日（第13-16周）上交毕业设计报告，指导教师、评阅教师审查评阅设计报告，毕业设计答辩资格审查。毕业设计答辩，学生修改整理设计报告。河南科技学院河南科技学院2010 届本科毕业论文（设计）届本科毕业论文（设计）论文题目：超声波用开关电源的设计论文题目：超声波用开关电源的设计 学生姓名：学生姓名：马马 继继 辉辉 所在院系：所在院系：机机 电电 学学 院院 所学专业：所学专业：电气工程及其自动化电气工程及其自动化 指导老师：指导老师：陈陈 艳艳 锋锋 完成时间：完成时间：2010 年年 5 月月 27 日日摘摘 要要针对大功率超声波电源高精度、高功率输出的特点对超声波电源控制策略进行了改进。本论文以超声波开关电源为研究目的，详细地叙述了基于 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策略，研究了基于此控制方法的超声波电源。在论文中简单介绍了 56F803 型 DSP 的结构以及IR21lO 型驱动模块的应用；超声波的物理性质和超声波发生器的原理，以及其在工业清洗上的应用；超声波换能器的匹配设计。 关关键词键词：超声波电源；频率跟踪与功率协调控制；56F803 The super voice wave uses the design of switch power supplyAbstract Aim at big power a super voice accuracy with high wave power supply, high power outputs characteristics.carried on an improvement to super voice the wave power supply control strategy.This thesis with super voice wave switch power supply is study a purpose, in detail described a type DSP frequency to follow the period cent segment which regulates to combine together with power to move to mutually control strategy according to the 56 F803, studied according to this control method of super voice wave power supply.In brief introduced a 56 F803 a type the application which drives a mold piece of DSP structure and the IR21 lO type in the thesis;Super voice the physical property of the wave wave occurrence with super voice the principle of the machine, and it is cleaning industry the last application;The super voice wave changes a match of ability machine a design. Key words: Super voice wave power supply;The frequency follows to moderate a control with power; 56F803目目 录录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.34 DSP 外围器件的设计.44.1 整流滤波电路.44.2 主控制电路 .54.2.1 56F803 型 DSP .54.2.2 高频逆变单元.74.2.3 IGBT 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.124.7 PWM 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.155.3 A/D 转换子程序.156 结束语.16谢辞.18参考文献.19附图 整体电路图.20河南科技学院本科生毕业论文（设计）开题报告题目名称： 超声波用开关电源的设计学生姓名马继辉专业电气工程及其自动化学号20060344414指导教师姓名陈艳锋所学专业机电技术教育职称实验师完成期限 2010年 2月 16日至20010年 2 月 27日一、 选题的目的意义超声波清洗源于二十世纪六十年代，自超声波技术问世以来，科学家们发现：一定频率范围内的超声波，作用于液体介质里，可以达到清洗的作用。经过一段时间的研究和试验，不仅得到了满意的效果，而且发现其清洗效率极高，由此超声波清洗机被逐渐运用于各行各业中去。在应用初期，由于电子工业的限制，超声波清洗设备电源的体积比较庞大，稳定性及使用寿命不太理想，价格昂贵，一般的工矿企业难以承受，但其出色的清洗效率及效果，仍然让部分实力雄厚的国有企业一见倾心。随着电子工业的飞速发展，新一代的电子元器件层出不穷，应用新的电子线路以及新的电子元器件，超声波电源的稳定性及使用寿命进一步的提高，体积减小，价格逐渐降低。二十世纪八十年代末，第三代超声波电源问世，既逆变电源，应用最新IGBT元件。新的超声波电源具有体积小，可靠性高，寿命长等特点，清洗效率得以进一步提高，而价格也降到了大部分企业可以接受的程度。 二、国内外研究现状超声波的发展几经兴衰,由于环境和能源问题又重新兴起。目前,世界上许多国家在研究开发超声波电源,主要还是功率问题。还有就是控制器的问题，在控制器的选择上，有多种多样，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，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。由于DSP用的技术含量较高，所以在价格上比较贵。因此我所要研究的是找到一个功能比较齐全、方便简单易用、价格比较适中的DSP来控制PWM的脉冲宽度以达到控制输出的频率和电压的目的。三、主要研究内容1设计方案的选型；2PWM控制方式；3DSP的选择；4保护单元的设计；5程序流程图的写出；四、毕业论文（设计）的研究方法或技术路线研究方法：查阅各类资料，在师的指导下进行整个系统的设计。技术路线：（1）掌握超声波电源传统设计方法及存在的问题和改进的方法； （2）熟悉56F803型DSP的功能以便完成电动汽车PWM控制；实现电动汽车的有效制动以及各种保护功能；（4）系统集成调试；五、主要参考文献及资料1 阎石.数字电子技术基础M.北京：高等教育出版社，20002 邓汉馨,邓家龙.模拟集成电子技术教程M.北京：高等教育出版社，19943 房小翠,王金凤.单片机实用系统设计技术M.北京：国防工业出版社，19994 康华光.电子技术基础模拟部分M.北京：高等教育出版社，1999.65 康华光,邹寿彬.电子技术基础数字部分M.北京：高等教育出版社，1999.66 张相军,陈伯时. PWM调制方式对换相转矩脉动的影响J.电机与控制学报,20037 周明宝,瞿文龙.电力电子技术M.北京：机械工业出版社，1997.58 宋春荣.通用集成电路速查手册济南：山东科技大学出版社，1995.99 苏开才.毛宗源.现代功率电子技术M.北京：国防工业出版社,1995六、指导教师审批意见签名： 年 月 日河南科技学院新科学院毕业论文(设计)指导过程记录表论文(设计)题目超声波用开关电源的设计学生姓名马继辉专业电气工程及其自动化学生学号20060344414班级电气064指导教师姓名陈艳锋职称实验师第1次指导： 指导时间 年 月 日第2次指导： 指导时间 年 月 日第3次指导： 指导时间 年 月 日第4次指导： 指导时间 年 月 日第5次指导： 指导时间 年 月 日第6次指导： 指导时间 年 月 日续表第7次指导： 指导时间 年 月 日第8次指导： 指导时间 年 月 日第9次指导： 指导时间 年 月 日第10次指导： 指导时间 年 月 日第11次指导： 指导时间 年 月 日第12次指导： 指导时间 年 月 日说明：1.此表为指导教师指导学生结业论文(设计)的过程记录表，由指导教师填写。2.要求指导教师每周至少指导学生2次。每周集中填写指导记录表1次。3. 论文(设计)完成后，此表由指导教师交院(系)教学秘书处保存。河南科技学院毕业论文（设计）课题审核表院（系）名称机电学院专业名称电气工程及其自动化指导教师姓名及职称陈艳锋 实验师课题名称超声波用开关电源的设计课题来源同本专业、学科内容相关，结合实际的给定课题。立题理由和所具备的条件超声波电源在工业清洗上的应用日渐广泛，对超声波电源控制方式的研究有很大的实际意义。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。机电学院拥有与该课题相关的实验室。本人在该课题方面进行了积极的探索研究。教研室审批意见教研室主任签字： 年 月 日毕业论文（设计）工作领导小组审批意见组长签字： 年 月 日注：本表经教务处复审后存院（系）备查。0目录目录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.33 系统结构框图.44 DSP 外围器件的设计.54.1 整流滤波电路.54.2 主控制电路 .64.2.1 56F803 型 DSP .64.2.2 高频逆变单元.74.2.3 IGBT 驱动模块.94.3 频率跟踪控制单元 .104.4 模拟键控制模块.114.5 保护电路.114.6 显示电路.124.7 PWM 产生单元.135 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.155.3 A/D 转换子程序.1616 结束语.17谢辞.18参考文献.19附图 整体电路图.201 引言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2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。2 设计设计方案方案2.1 方案方案对对比比选择选择 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(Digital Signnal Processing)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3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 2 KB SRAM，315 KB FLASH，同时，其 40 MHz 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。2.3 PWM 调调制方式制方式脉宽调制（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4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 系系统结统结构框构框图图超声波电源系统主要由 220V 电源、整流滤波、高频逆变单元、匹配网络、检测电路、PWM 产生电路和驱动电路组成，系统整体硬件方框如图 1 所示。电源220VAC整流滤波高频逆变网络匹配换能器负载电流检测实现功率控制驱动模块PWM软开关控制 CAPCOM DSPA/D 转换电压和电流检测实现鉴相控制显示电压电流、频率键盘控制图 1 系统整体硬件电路方框图220V 单相交流电经过二极管不可控整流电路得到直流电压，然后经过由MOSFET 组成的高频逆变电路得到满足换能器要求的高频电压。为减少高频工作条件下 MOSFET 的开关损耗，高频逆变电路采用带辅助网络的全桥结构。超51122220VD1D3D2D4C1C2声波电源与换能器匹配的好坏将决定整个电路的控制效果。匹配主要指为使发生器输出额定电功率，进行阻抗变换匹配。以及为使发生器输出最高效率进行调谐匹配。通过检测整流滤波后的电流，经过 A/D 转换送到 DSP 进行控制对比。在键盘控制下实现人机交流，通过程序设置然后输出信号，在驱动电路下实现高频逆变电路开关管 MOSFET 的移相控制，调节电压、频率。对换能器电压、电流的检测实现鉴相控制。显示单元实时对电压、电流、频率进行显示。程序设计中的保护模块对整个系统的过压、过流进行保护。4 DSP 外外围围器件的器件的设计设计4.1 整流整流滤滤波波电电路路常用整流电路有半波、全波、桥式、倍压整流等形式。本文采用桥式整流电路，采用不可控方式，利用二极管单向导电性这一特性可以组成整流电路，将交流电变为脉动的直流电流，整流时四个二极管两两轮流导通，无论是正半周还是负半周流过 1 端口的电流的方向是一致的，所以它的电压：U34=0.9U12; 电流I34=0.9(U12/RL)。一般的直流电路都需要较理想的一条直线似的的直流电压，这就要平滑脉动的电压使其达到,这种措施就是滤波。滤波器一般由电感或电容以及电阻等元件组成。利用电容两端电压不能突变只能充放电的特性来达到平滑脉冲的电压的目的。D1、D2、D3、D4 四个大功率二极管进行桥式整流， C1、C2 两个电容分别用于滤除整流后的高低频成分，U34 为输出电压，后面接高频逆变单元。电路如图 2 所示。图 2 整流滤波电路路原理图4.2 主控制主控制电电路路由设计方案可以确定单片机主控制电路选用 56F803 型 DSP，现在详细介绍该 DSP 的特点和连接方式。4.2.1 56F803 型型 DSP346采用 56F803 型 DSP 作为控制电路的核心处理器它内置 2 KB SRAM，315 KB FLASH，同时，其 40 MHz 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。TMS320C5000 平台，是一种高性能、低功耗、16 位定点 DSP。运行速度为 406000MIPS，价格较低，是 TI公司 DSP 的主流产品。主要特点有：根据数字信号处理的要求，DSP 芯片一般具有如下的一些主要特点： （1） 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。 （2） 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。 （3） 片内具有快速 RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问。（4） 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。 （5） 快速的中断处理和硬件 I/O 支持。 （6） 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。 （7） 可以并行执行多个操作。 （8）支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执。它的组成方框图如图 3。7图 3 56F803 型 DSP 的内部组成框图此系列 DSP 采用先进的修正哈弗结构和 8 总线结构，使处理器的性能大大提高。其独立的程序和数据总线，允许同时访问程序存储器和数据存储器，实现高度并行操作。片内存储器以及外围电路的主要性能如下：（1）存储空间多总线结构。片内有 3 条 16 位数据总线（CB、DB 和 EB）、1 条 16 位的程序总线（PB），以及 4 条对应的地址总线。地址线 20 根，可寻址程序空间 1M 字，数据和 I/O 空间空间各 64K。片内 ROM 容量为 4Kx16位。片内双寻址 RAM 容量为 16x16 位。（2）在片内外围电路软件可编程等待状态发生器和可编程分区与逻辑电路。带有内部振荡器或用外部始终源的片内锁相环时钟发生器。2 个高速、全双工多通道缓冲口。增强型 8 位并行主机接口。2 个 16 位定时器。6 通道 DMA 控制器。具有符合 IEEE1149.1 标准的在片仿真接口 JTAG。（3）电源、时钟与封装单周期定点指令的执行周期为 10ms。I/O 电源电压为 3.3V，内核1.8V。可用 IDKE1、IDLE2 和 IDLE3 指令控制芯片功耗以工作在省电方式。时钟输出信号可以被关断。144 脚的薄型四角引脚扁平封装或144 脚的球栅阵列封住。4.2.2 高高频频逆逆变单变单元元高频逆变单元包括高频逆变和网络匹配两个环节。经过二极管不可控整流电路得到直流电压，然后经过由 MOSFET 组成的高频逆变电路得到满足换能器要求的高频电压。功率场效应管是一种单极型的电压控制器件，不但有自关断能 MAC ALU17x17 位乘法器40 位 ALU40 位加法器比较、选择和存储舍入、饱和电路指数编码器移位寄存器 累加器40 位桶形移位寄存器40 位累加器 A（-16,31）40 位累加器 A寻址单元8 个辅助寄存器2 个寻址单元电源管理单元缓冲串行口多通道缓冲串行口定时器锁相环时钟发生器主机接口软件等待状态发生器通用 I/OJTAG 测试仿真控制 外 围 总 线DMACh0Ch1Ch2Ch3Ch4Ch5程序/数据总线程序/数据 ROM程序/数据 RAMA（150）B（150）8力,而且有驱动功率小,开关速度高、无二次击穿、安全工作区宽等特点。由于其易于驱动和开关频率可高达 500kHz，特别适于高频化电力电子装置。为减少高频工作条件下 MOSFET 的开关损耗，高频逆变电路采用带辅助网络的全桥结构。此电路结构解决了传统零电压开关(ZVS)PWM 电路变压器漏感小且滞后桥臂难于实现 ZVS 问题。同时，根据电流增强原理，此电路结构可在任意负载和输入电压范围内实现零电压开关，大大减少了占空比丢失，以及为使发生器输出最高效率进行调谐匹配。在射频电路传输系统中，设计阻抗匹配网络是一项重要环节。如果能设计一个很符合实际需要的阻抗匹配网络，使传输系统获得阻抗匹配，不但能得到最大有效输出功率，还具有滤波和选择频带的性能。超声波电源与换能器匹配的好坏将决定整个电路的控制效果。因此，应该对匹配网络每个参量(高频变压器匝比 K，输出匹配电感 Lf)进行严格的计算。其实高频中的阻抗匹配并不是很容易达到，这里主要讲一下输出匹配网络的任务： （1） 使负载阻抗与放大器所需要的最佳阻抗相匹配，以保证放大器传输 到负载的功率最大。它起着匹配网络的作用。 （2） 抑制工作频率范围以外的不需要频率，即应该有良好的滤波作用。 （3） 在有几个电子器件同时输出功率的情况下，保证它们都能有效地传送功率到负载，但同时又应该尽可能地使这几个电子器件彼此隔离，互相不影响。匹配主要指为使发生器输出额定电功率，进行阻抗变换匹配。图中Q1、Q2、Q3、Q4 是 MOSFET，型号 IRLML2402 N，进行高频逆变；L1、L2、Lf 实现网络匹配功能。MOSFET 基极接驱动，换能器功率为 80W。高频逆变单元电路图如图 4 所示。图 4 高频逆变单元示电路图4.2.3 IGBT 驱动驱动模模块块作为功率开关器件，IGBT 的工作状态直接关系到整机的性能，所以选择或设计合理的驱动电路显得尤为重要。采用一个性能良好的驱动电路，可使 IGBTQ1Q2Q8Q7D5D12D10D11D6D9C4C5C3C8C6C7R1L2L1AL334VTIG1VTIG2VTIG3VTIG49工作在比较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对提高整个装置的运行效率，可靠性和安全性都有重要的意义。驱动电路必须具备两个功能：一是实现控制电路与被驱动 IGBT 栅极的电隔离;二是提供合适的栅极驱动脉冲。对驱动电路的要求，可归纳如下：（1） IGBT 和 MOSFET 都是电压驱动，都具有一个 2.55V 值电压，有一个容性输入阻抗，因此 IGBT 对栅极电荷非常敏感，故驱动电路必须很可靠，要保证有一条低阻抗值的放电回路，即驱动电路与 IGBT 的连线要尽量短。（2） 用内阻小的驱动源对栅极电容充放电，以保证栅极控制电压 Uge,有足够陡的前后沿，使 IGBT 的开关损耗尽量小。另外，IGBT 开通后，栅极驱动源应能提供足够的功率，使 IGBT 不退出饱和而损坏。（3） 驱动电路要能传递几十 kHz 的脉冲信号。（4） 在大电感负载下，IGBT 的开关时间不能太短，以限制出 di/dt 形成的尖峰电压，确保 IGBT 的安全。（5） IGBT 的栅极驱动电路应尽可能简单实用，最好自身带有对 IGBT 的保护功能，有较强的抗干扰能力。本文驱动电路采用 IR2110 型驱动模块。美国 IR 公司生产的 IR2110 驱动器。它兼有光耦隔离（体积小）和电磁隔离（速度快）的优点，是中小功率变换装置中驱动器件的首选品种。R2110 采用 HVIC 和闩锁抗干扰 CMOS 制造工艺，DIP14脚封装。具有独立的低端和高端输入通道；悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达 500V，dv/dt=50V/ns，15V 下静态功耗仅 116mW；输出的电源端（脚 3,即功率器件的栅极驱动电压）电压范围 1020V；逻辑电源电压范围（脚 9）515V，可方便地与 TTL，CMOS 电平相匹配，而且逻辑电源地和功率地之间允许有5V 的偏移量；工作频率高，可达 500kHz；开通、关断延迟小，分别为 120ns 和 94ns；图腾柱输出峰值电流为 2A。它的内部功能原理图，如图 5。图 5 IR2110 的内部功能原理图10IR2110 是基于自举驱动原理的功率 MOSFET 驱动电路。R2110 还具有比较完善的保护功能(如欠压检测、抗干扰、外部保护闭锁等)。一个 IR2110 可以同时驱动单桥臂的上下二个 MOSFET,因此,使用少量分立元件和一路控制电源就可以实现一个桥臂 MOSFET 的驱动控制，这样大大减小了驱动电路的体积和成本。VTG 接口接高频逆变单元 MOSFET 的基极，驱动芯片 IR2110 用于驱动电路如图 6 所示。图 6 驱动单元电路4.3 频率跟踪控制频率跟踪控制单单元元超声波电源系统采用频率跟踪和功率调节相结合的控制策略，从而使发生器在输出最大功率时可达到最高效率。此种控制策略主要通过控制 PWM 的周期(也就是控制开关频率)和 PWM 控制波形的移相角来实现。系统的控制策略的实现。采用锁相法实现频率跟踪控制。使用 KT20A/P 型电流传感器和 KV20AP 型电压传感器分别检测换能器二端的电压和电流，经过滞环控制得到电压和电流的方波信号。 KV20A/P 型磁平衡式电压传感器,利用霍尔效应，采用磁补偿原理,原边电路与付边电路绝缘，在测量电压时被测电压通过电阻 R 与传感器连接，输出电流与被测电压成正比,也可以测直流,交流,脉动电压。KT20A/P 型电流传感器同 KV 20A/P 型电压传感器结构原理类似，其可测直流、交流、脉动电流频率范围 0100KHz，输出电流正比于被测电流。该滞环的回差为 Lv。然后，对二路方波信号经过异或门和 D 触发器得到相位差波形和相位差符号。相位差波形送入 DSP 的捕获口,计算出相位差大小 T，相位差符号送入 GPIOA7 口获得符号标志量 flag。当 TO，flag=0 时，表示电压超前电流。此时，应该减小开关管的频率 f；当 TO，flag=l 时，表示电压滞后电流，此时，应该增加开关管的频率 f,然后把频率量转化成时间量附给 DSP 模值寄存器,从而改变输出 PWM 信号的周期。检测接口接电流传感器 KT20A/P 和电压传感器 KV20AP 的输出，滞环采样电路如图 7。1829310411512613714IR2110LOUSROUDDSDUSSCOMUBHINLINUCCGNDVCCD13C9R250KR310KVTIGGNDC10VCCR450KR550KVTIGD811图 7 滞环采样电路电路4.4 模模拟键拟键控制模控制模块块电路如图 8 所示。 图 8 模拟键控制电路为了使模拟键控制符合人的日常习惯，考虑到成本，采用独立开关模拟超声波电源的启动、停止、增频的控制。当按下按钮时，该端口被 DSP 控制中心认定为高电平，调用相应的控制程序执行相应的功能。4.5 保保护电护电路路当 IGBT 驱动模块检测到欠压、过压、短路信号后，IR2110 模块 11 脚 LIN迅速响应，送给主控器 56F803 型 DSP 的 D8 端，这个 I/O 口此刻被认为低电平，内部程序执行 JDQI 为低电平，KM1 线圈通电，继电器动作，关断 IGBT 驱动模块电源，停止 PWM 输出，同时故障指示 D16 灯亮，如图 9 所示。R131KR141KR151KVCCR121KD1D2D3D4VCCR1650KD17D161122AKIM1112233BKIAQ58550DINAYUANJD Q1VCCR1110KR610KR74.7KR840KR910KR1040KD14D153.3V12VD1084U4LM39312图 9 欠压、过压、短路保护电路在大功率直流开关电源中应该设过热保护电路。本文采用温度继电器来检测电源装置内部的温度，当电源装置内部产生过热时，温度继电器就动作，使整机告警电路处于告警状态，实现对电源的过热保护。如图 10 在保护电路中将 P型控制感热晶闸管放置在功率开关三极管附近，根据 TT102 的特性(由 Rr 值确定该器件的导通温度，Rr 越大，导通温度越低)，当功率管的管壳温度或者装置内部的温度超过允许值时，感热晶闸管就导通，使发光二极管发亮告警。配合光电耦合器，就可使整机告警电路动作，通过 DSP 的 D12动作 JDQ1 为高电平保护开关电源。过热保护电路图如图 10 所示。 图 10 过热保护电路4.6 显显示示电电路路MCl4489 是美国 MOTOROLA 公司生产的串行接口 LED 显示驱动管理芯片。其输入端与系统主 CPU 之间只有 3 条 I/0 口线相联，用来接收待显示的串行数据。输出端既可以直接驱动七段 LED 显示器，也可以驱动指示灯。 MCl4489内部集成了数据接收、译码、扫描输出、驱动显示所需的全部电路，仅需要外接一具电流设定电阻就可以对 LED 的显示高亮度进行控制。每个 MC14489 芯片它的引脚图如图 11 所示。R201KQ8TT 102Rr40KC17VCCU5R271kD1213图 11 MC14489 引脚图可以用以下任意一种显示方式进行显示：5 位 LED 数字加小数点显示； 4 位半数字加小数点带符号显示；25 支指示灯显示；5 位半数字显示。该芯片内含的译码器电路可输出七段格式的数字 09，16 进制的字母 AF 以及 15 个字母和符号。显示电路如图 12 所示。 图 12 显示电路由图可知，用 MC14489 构成显示电路既不用加任何限流电阻，也不用附加反相或驱动电路，电路设计非常简捷。 MC14489 芯片采用特殊的设计技术，使其电源引脚在大电流工作的情况下仍具有最低的尖峰和较小的 EMI（电磁交互干扰）。本设计显示输出频率。4.7 PWM 产产生生单单元元前面已经说明本设计采用占空比为 50的 PWM 信号移相控制，PWM 控制的核心是控制波形的周期。在每个 PWM 周期中把开关管的控制波形分为 4 段每段波形中 DSP 模值寄存器 PWMCM 的值等于计数器 PWMVAL 的值。变量 Count 代表输出的是第几段波形,当 Count=l 或 Count=3 时把波形 I 或的模值 MODUL01(I 和的模值相同)赋给模值寄存器。当 Count=l 时,PWM 模块的 0 通道和 3 通道分别输出高电平和低电平。当 Count=3 时PWM 模块的 0 通道和 2 通道分别输出低电平和高电平；当 Count=2 或 Count=4 时把波形或 IV 的模值 MODULO 2(和IV 的模值相同)赋给模值寄存器当 Count=2 时，PWM 模块的 O 通道和 3 通道都输出高电平。当 Count=4 时PWM 模块的 0 通道和 2 通道都输出低电平。然后，按照上述方式循环输出波形。PWM 重载中断框图如图 13。VccVssD13D14D1556F803VccVssDATA INCLOCKENABLEbank1bank2bank3bank4bank5hgfedcbaMC14489abfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdp1abfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdp2abfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdp3abfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdp4abfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdp5R171K14图 13 PWM 重载中断图5 软软件件设计设计与分析与分析软件是整个控制系统的灵魂，其设计结构的合理性与片内资源的优化分配恰当，会给程序的运行带来较高的执行效率，其功能完善则可以节约硬件电路成本，根据本系统的控制要求，各功能子程序则要相互联系而又独立的完成相应功能。5.1 主程序流程主程序流程图图主程序流程图如图 14 所示。初始化设置T=0？步长=100flag=0A/D 采样PI 调节计算MODUL01MODUL02PWM 重载中断ff-=mff+=m10T100?m=10m=1m=0.110T10?T1开始N用正转子程序N用正转子程序 N用正转子程序N用正转子程序Y用正转子程序Y用正转子程序Y用正转子程序Y用正转子程序Y用正转子程序重载中断开始Count=1或Count=3？模值寄存器赋值模值寄存器赋值Count+Count=2?Count=1?Chnnel_0=modulo2Chnnel_3=modulo2Chnnel_0=modulo1Chnnel_3=0Count=4Count=3Channel_0=0Channel_3=0Count=0Channel_0=0Channel_3=modulolCount=4返回NYNNYNYY15图 14 主程序流程图主程序结构是整个软件的核心，是一个顺序执行的无限无限循环的程序，主程序应不停地顺序查询各种软件标志，根据其变化调用有关的子程序和相应的中断服务子程序，以完成对各种实时事件的处理。在程序中，频率跟踪部分出现相位差时，先给频率赋一个较大步长(m=100)然后随着相位差的减小逐渐减小步长直到相位差为零。5.2 模模拟拟控制控制键键子程子程序序模拟键控制子程序流程图如图 15 所示。16停止 PWM 输出判断停机？判断降频？调用降频子程序判断增频？调用增频子程序判断开始键闭合？调用延时判断开始键闭合？判断设防？判断保护端口？执行保护子程序Y用正转子程序Y用正转子程序Y用正转子程序Y用正转子程序Y用正转子程序Y用正转子程序Y用正转子程序N用正转子程序N用正转子程序N用正转子程序N用正转子程序N用正转子程序N用正转子程序N用正转子程序调用设防子程序图 15 模拟控制键的程序流程图当主控器上电后,程序依次扫描判断开始、降频、增频、保护端口，有相应按键闭合时就先调用延时去抖动，再次判断以确定这个按键确实动作了，然后执行相应功能子程序。只有当开始键按下去时才判断增加、降低频率功能键，若没有动作时返回判断开始键状态，若有动作就执行相应功能的子程序。5.3 A/D 转换转换子程序子程序A/D转换就是模数转换，顾名思义，就是把模拟信号转换成数字信号。本系统用到A/D转换的单元是电流检测实现功率控制单元。当检测到的模拟信号送到DSP的D5端口时，通过软件控制A/D转换的过程，A/D转换子程序框图如图16。17开启 A/D 电源延迟设 D75 开/漏启用 A/D 转换获取 A/D 结果返回图 16 A/D 转换子程序的流程图6 结结束束语语超声波清洗源于二十世纪六十年代，自超声波技术问世以来，科学家们发现：一定频率范围内的超声波，作用于液体介质里，可以达到清洗的作用。经过一段时间的研究和试验，不仅得到了满意的效果，而且发现其清洗效率极高，由此超声波清洗机被逐渐运用于各行各业中去。在应用初期，由于电子工业的限制，超声波清洗设备电源的体积比较庞大，稳定性及使用寿命不太理想，价格昂贵，一般的工矿企业难以承受，但其出色的清洗效率及效果，仍然让部分实力雄厚的国有企业一见倾心。随着电子工业的飞速发展，新一代的电子元器件层出不穷，应用新的电子线路以及新的电子元器件，超声波电源的稳定性及使用寿命进一步的提高，体积减小，价格逐渐降低。二十世纪八十年代末，第三代超声波电源问世，既逆变电源，应用最新IGBT元件。新的超声波电源具有体积小，可靠性高，寿命长等特点，清洗效率得以进一步提高，而价格也降到了大部分企业可以接受的程度。一定频率范围内的超声波作用于液体介质内可起到清洗工件的作用。这一清洗技术自问世以来，受到了各行各业的普遍关注。超声波清洗机的运用极大地提高了工作效率和清洗精度，以往清洗死角、盲孔和难以触及的藏污纳垢之处一直使人们备感头痛，新技术的开发和运用使这一工作变得轻而易举。近年来，随着电子技术的日新月异，超声波清洗机也同我们日常生活离不开的收音机一样，经过了几代的演变，技术更加先进，效果更加显著，同