基于单片机控制的超声波发生器驱动电源的研究（硕士论文）.pdf

江南大学 硕士学位论文 基于单片机控制的超声波发生器驱动电源的研究 姓名：张锋 申请学位级别：硕士 专业：控制工程 指导教师：沈锦飞;宗宏森 20090601 摘要 捅黑 人的耳朵能感受到的振荡频率在2 0 2 0 0 0 0 H z 范围的声波，超过人耳能感受到的声 波频率以上的声波叫超声波。超声波有许多应用，有超声波清洗、超声波钻孔、超声波 振动等。超声波振动是近几十年兴起的新事物，随着人们对超声波研究的不断深入，应 用也日益广泛。 功率超声技术凭其独特的优点在国民经济各部门日益广泛应用。目前超声设备由采 用大功率电子管或高频可控硅发展到全控型电子器件。随着新理论、新技术、新器件的 不断出现和成熟，超声技术必将充分发挥其优势，在各领域产生更大作用。本文涉及的 功率超声系统主要由高频超声波电源和压电振子两部分组成。高频超声波电源为压电振 子提供电能，压电振子将电能转为动能。 超声波发生器的种类很多，大致可分为两种类型，机械型和电声型。机械型超声波 发生器直接用机械方法使物体振动而产生超声波。常见的机械型超声波都是流体动力式 的，即利用每秒几万次的频率断续从喷口喷出，撞击放在喷口前的空腔或簧片，引起共 振在媒质中产生超声波。电声型超声波发生器是应用的最广泛的。它是利用电磁能量转 换成机械波能量。 本设计采用频率自动跟踪的方式来使超声波换能器处于谐振，满足超声波电源与超 声波换能器工作在最佳状态，使得整机达到最佳工作效率。功率检测电路调节脉冲电压 的脉宽来改变超声波发生器的输出功率，以实现功率恒定。压控振荡器选用货源充足、 价格低廉的T L 4 9 4 ，可满足本设计要求。D 类功率放大器就是开关功率放大器，选用高 耐压的V M O S 管，组成半桥电路，V M O S 管的驱动采用变压器隔离倒相。由于超声波 换能器的特性，超声波清洗机中的匹配电路包含两个：一个是功率匹配，一个是调谐匹配。 前者是为了使超声波电源的输出内阻与负载阻抗相一致，采用变压器匹配方法。后者是 使换能器呈现纯阻性，采用串联电感的方法。 本文对系统的总体设计方案、硬件和软件设计、单元电路及主要单元电路实验进行 了详细地介绍。文章最后应用P S P I C E 软件对整个系统进行了仿真分析，对理论设计进 行修正。结果表明系统设计可行，性能指标基本可以满足设计要求。 关键词：压电振子；超声波发生器；功率检测；频率跟踪 D 5 U 。a 0 L A b s t r a c t O s c i l l a t i o nf r e q u e n c yt h a tp e o p l ec a nf e e li sa tt h er a n g eo f2 0 2 0 0 0 0 H z ，e x c e e d i n g p e o p l ea c o u s t i cf r e q u e n c yt h ea b o v e m e n t i o n e di Sc a l l e ds u p e r s o n i c S u p e r s o n i ch a sal o to f a p p l i c a t i o n ，t h e r ea r ew a s h i n g ，h o l i n g ，u l t r a s o n i cv i b r a t i o no fs u p e r s o n i c ，e t c U l t r a s o n i c v i b r a t i o ni San e wt h i n gh a v i n gd e v e l o p e di nn e a rd e c a d e s W i t ht h ec o n s t a n td e v e l o p m e n t t h a tp e o p l es t u d ya b o u t s u p e r s o n i cw a v e ，i ti se x t e n s i v ed a yb yd a yt oe m p l o y T h ep o w e ru l t r a s o n i ct e c h n o l o g yi si nw i d es p r e a da p p l i c a t i o no fe v e r yd e p a r t m e n to f n a t i o n a l e c o n o m ya c c o r d i n gt oi t sa d v a n t a g e s W i t ht l l ea p p e a r sa n dr i p ec o n s t a n to fn e w t h e o r y , t e c h n o l o g y , d e v i c e ，u l t r a s o n i ct e c h n o l o g yw i l lg i v ef u l lp l a yt oi t sa d v a n t a g e I nt h i s p a p e r ，t h eu l t r a s o n i cw e l d i n gs y s t e mi sm a d eu po fh i g h - f r e q u e n c yu l t r a s o n i cp o w e ra n d p i e z o e l e c t r i co s c i l l a t o rm a i n l y T h e1 1 i g h - f r e q u e n c yu l t r a s o n i cp o w e ro f f e r st h ee l e c t r i ce n e r g y f o r p i e z o e l e c t r i co s c i l l a t o r ；t h ep i e z o e l e c t r i co s c i l l a t o rt r a n s f e r st h ee l e c t r i ce n e r g yt ot h e k i n e t i ce n e r g y , a n dw e l dt ow e l d i n gt h ep a r t ml ( i n do ft h eu l t r a s o n i cg e n e r a t o ri Sn u m e r o u s ，w h i c hC a nr o u g h l yb ed i v i d e di n t ot W O t y p e s ，t l l em a c h i n e r yt y p ea n de l e c t r i cs o u n dt y p e M a c h i n e r yt y p eu l t r a s o n i cg e n e r a t o r e n a b l eo b je c ts h a k ea n ds u p e r s o n i cw a v ee m e r g e sw i t hm e c h a n i c a lm e t h o dd i r e c t l y C o m m o n m e c h a n i c a ls u p e r s o n i cw a v ef l u i dp o w e rt y p e ，u t i l i z ep e rs e c o n df r e q u e n c yo fs e v e r a lt e n t h o u s a n di n t e r r n i t t e n tt os q u i r tf r o mt h es p o u t ，s t r i k et h ec a v i t yo rr e e dp u ti nf r o n to ft h e s p o u t ，c a u s et h er e s o n a n c et Op r o d u c es u p e r s o n i cw a v ei nm e d i u m E l e c t r i cs o u n dt y p ew h o m u l t r a s o n i cg e n e r a t o re m p l o ym o s te x t e n s i v e I tu t i l i z e se l e c t r o m a g n e t i ce n e r g yt oc h a n g ei n t o am e c h a n i c a lw a v ee n e r g y T 1 1 i sd e s i g na d o p t st h ef r e q u e n c yt r a c i n gt om a k et h ew h o l es y s t e mW b r ki nt h er e s o n a n c e ， c a u s i n gt h a tt h ew h o l es e ta t t a i n so p t i n i u mw o r ke f f i e i e n e y B ym e a n so fr e g u l a t i n gt h ew i d t h o ff l u e t u a t i o nv o l t a g e ，t h ep o w e ri n s p e c t i o nc i r c l eC a nc o n t r o lt h eo u t p u tp o w e r , S Ot h a tt h e s y s t e mc a nm a k et h eo u t p u tp o w e rc h a n g e l e s s A sb e i n go p u l e n ta n dc h e a p ，T L 4 9 4i sc h o o s e a sV C O H i g hV C E OV M O Si sc h o o s ei nt h eD g e n e r i cP o w e ra m p l i f i e rc i r c l e T h ed r i v eo f V M O Sa d o p t sap a r a p h r a s et r a n s f o r m e r S i n c eu l t r a s o n i ct r a n s d u c e r s p r o p e r t y , t h em a t c h i n g c i r c u i te m b o d y st w op a r t s ：O n ei sp o w e r m a t c h i n g ，t h eo t h e ri sa t t u n em a t c h i n g T h ef o r m e ri s f o rt h es a k eo fm a k i n ge x p o r ti m p e d a n c eo fp o w e rm a t c ht h el o a d T I l i s A d o p t st h e t r a n s f o r m e rm a t c h i n gm e a n s ，T h el a t t e ri st Om a k et h et r a n s d u c e rp r e s e n to n l yt h eq u a l i t yo f r e s i s t a n c e T og e tt h i s ，ai n d u c t o ri ns e r i e sm e a n si sA d o p t e d T m st h e s i si n t r o d u c e st h ed e s i g np r j e c t ，d e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，u n i tc i r c l e sa n d e x p e r i m e n t a t i o n so fm a i nu n i tc i r c l e si nd e t a i l F i n a l l y , as i m u l a t i o nf o rt h ee n t f f es y s t e m u s i n gP S P I C Eh a sb e e nm a d e T h er e s u l t sf r o ms i m u l a t i o n sr e v e a lt h a tt h ed e s i g no fs y s t e mi s f e a s i b l ea n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o n v e r t e rc a r lm e e tt h ed e m a n do ft h ed e s i g n K e y w o r d s ：P i e z o e l e c t r i co s c i l l a t o r ；U l t r a s o n i cg e n e r a t o r ；P o w e r t r a c i n g ；F r e q u e n e y t r a c i n g ； I I 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：日 期：二Oo 九年六月十四日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名： 导师签名： 日 期：二o o 九年六月十四E l 第一章绪论 第一章绪论 随着现代科学技术飞速发展，各学科之间相互渗透，新兴边缘学科不断出现。 超声工程学作为一门新兴的边缘学科，在工业生产、知识产生、转化研究、卫生 保健和疾病的诊疗中扮演着十分重要的角色。尤其对提高产品质量、降低生产成 本、防止环境污染、保障生产安全、设备安全运行和提高生产效率等具有特殊的 潜在能力。因此，我国近十年来，对超声技术的应用研究十分活跃。超声工程学 按其研究内容，可划分为功率超声和检测超声两大领域。 作为超声学的一个重要分支，功率超声主要研究大功率和高强度超声的产 生，强超声在媒体中的传播规律，强超声和物质相互作用，以及各种功率超声技 术和应用。功率超声技术是以计算机技术、电子技术、材料科学等学科为基础的 现代高新技术，其应用遍及航空、航海、国防、生物工程以及电子等领域。如今， 功率超声技术已成为国际上公认的高科技领域，其有关技术产品涉及到振动与 声、电子、机械及材料等新技术。随着科技的发展，它必将在我国国民经济建设 中发挥越来越大的作用。近几十年来，现代功率半导体技术的发展，新材料的日 新月异使大功率超声的产生、基本效应得研究和技术应用取得较大的进展，国内 一些传统的加工、焊接、粉碎、乳化方兴未艾，发展较快的新技术及其应用也十 分活跃，如超声化学、超声悬浮等【l J 。 1 1 超声波电源的发展概况 超声波电源是构建超声波系统的重要组成部分，其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三个阶段。 在早期，2 0 世纪8 0 年代前，信号功率放大采用电子管。采用电子管的优点 是动态范围较宽。此优点对于音频放大器很重要，但对超声波电源来说没有什么 好处。因此，当功率晶体管出现后即遭淘汰。电子管的缺点很多：功耗大、寿命 短、效率低、电源成本高、体积大。 2 0 世纪8 0 年代到9 0 年代中旬，功率晶体管发展己非常成熟，各种O C L 及 O T L 电路大量用于超声波电源。功率晶体管模拟发生器开始投入使用，电源效 率提高、体积和重量下降。但由于受开关速度的限制和晶体管开关特性的影响， 采用晶体管模拟放大器的超声波电源有以下几个缺点l z J 。 ( 1 ) 功耗较大。由于O T L 、O C L 电路理论效率只有7 8 左右，其实际效率 更低，功耗大，导致功率管发热严重，需要较大的散热功率。功率管的发热导致 工作不太稳定。 ( 2 ) 体积大、重量重。由于功率管输出功率受到限制，要输出大功率需要更 多的功率管，且发生器所需求的直流电源是通过变压器降压、整流、滤波后得到 的。大功率的变压器重、效率低。 ( 3 ) 不易使用现代微处理器来处理。由于该电路呈现模拟线路特征，用数字 江南大学专业硕士学位论文 处理复杂，涉及到A D 和D A 转换，成本高、可靠性低。 随着电力电子器件的发展，特别是V D M O S 管和I G B T 的发展与成熟，使采 用开关型发生器成为可能。 开关型发生器的原理是通过调节开关管的占空比来控制输出的功率。由于晶 体管在截止和饱和导通时的功耗很小，开关型发生器主要有以下特点。 ( 1 ) 功耗低、效率高。开关管在开关瞬时的功耗较大，但由于开关时间短， 在截止或导通时的功耗很小，因此总的功耗较小。最高效率可达到9 0 左右。 ( 2 ) 体积小、重量轻。由于效率高、功耗低，使得散热要求较低，而且各个 开关管可以推动的功率大：在直流电源作用下可直接变换使用，不需电源变压器 降压，因此体积小，重量轻。 ( 3 ) 可靠性好。与微处理器等配合较容易，电子器件在工作时温升较低，工 作可靠，加上全数字开关输出，可用微处理器直接控制【3 J 。 1 2 电力电子器件在超声波电源中的应用 开关型超声波发生器的发展其实与开关型电源的发展息息相关，而开关型电 源发展又与电力电子开关器件的发展紧密相连，电力电子开关器件的发展过程如 州4 叫 I a 2 0 世纪5 0 年代，双极型开关晶体管作为开关电源的开关管，线路成熟，价 格低。主要缺点是由于双极开关管的上升、下降时延较大，开关频率不能太高， 一般在2 0 k H z 左右。它在开关电源场合有很多应用，在超声波发生器中由于开 关频率电力电子开关器件的发展过程低，主要应用于开关频率不高的场合。 2 0 世纪8 0 年代，采用V D M O S 管。主要优点：开关频率高、驱动简单、抗 击穿性好。主要缺点是导通电阻大，在高压大电流场合功耗较大。因此，要用于 开关频率高、功率小的场合。 2 0 世纪9 0 年代，采用G I B T ，它是一种M O S 与双极管结合的产物，既有 M O S 管开关频率高，驱动简单等优点，也有双极管导通压降小，耐压高等优点。 它的开关频率目前可以在4 0 5 0 k H z ，功率可以达到5 0 0 0 W 。在一般超声波发器 中很少用，因为价格较高，保护线路要求复杂。 电力电子器件经历了工频，低频，中频到高频的发展历程。随着电力电器件 的迅速发展，电力电子电路的控制也在飞速发展。控制电路最初以相位制为手段、 由分立元件组成，发展到集成控制器，再到实现高频开关的计算控制。向着更高 频率，更低损耗和全数字化的方向发展。 模拟控制电路存在控制精度低、动态响应慢、参数整定不方便、温度漂严重、 容易老化等缺点。专用模拟集成控制芯片的出现大大简化了电力电子路的控制线 路。提高了控制信号的开关频率，只需外接若干阻容元件即可直构成具有校正环 节的模拟调节器，提高了电路的可靠性。但是，也正是由于容元件的存在，模拟 控制电路的固有缺陷，如元件参数的精度和一致性、元老化等问题仍然存在。此 2 第一章绪论 外，模拟集成控制芯片还存在功耗较大、集成度低、控制不够灵活，通用性不强 等问题。 用数字化控制代替模拟控制，可以消除温度漂移等常规模拟调节器难以服的 缺点，有利于参数整定和变参数调节，便于通过程序软件的改变，方便地调整控 制方案和实现多种新型控制策略。同时可减少元器件的数目、简化硬结构，提高 系统可靠性。此外，还可以实现运行数据的自动储存和故障自动诊断，有助于实 现电力电子装置运行的智能化。 超声波发生器应用数字化控制技术一般有三种形式【7 一。 1 采用单片机控制 单片机是一种在一块芯片上集成了C P U 、R A M f R O M 、定时器计数器和I O 接口等单元的微控制芯片，具有速度快、功能强、效率高、体积小，性能可靠、 抗干扰能力强等优点，在各种控制系统中应用广泛。单片机主要以美国I N T E L 公司生产的M C S 5 1 和M C S 9 6 两大系列为代表。在超声波发生器中，单片机主 要用作数据采集和运算处理、电压电流调节、P W M 信号生成、系统状态监控和 故障自我诊断等，一般作为整个电路的主控芯片运行，完成多种综合功能。配合 D A 转换器和M O S F E T 功率模块实现脉宽调制。另外，单片机还具有对过流， 过热、欠压等情况的中断保护以及监控功能。 单片机控制克服了模拟电路的固有缺陷，通过数字化控制方法，得到高精度、高 稳定度的控制特性，可实现灵活多样的控制功能。但是，单片机的工作频率与控 制精度是一对矛盾，处理速度也很难满足高频电路的要求，这就使人们寻求功能 更强芯片的帮助，于是D S P 应运而生。 2 采用D S P 控制 D S P 是近年来迅速崛起的新一代可编程处理器。内部集成了波特率发生器和 F I F O 缓冲器，提供高速同步串口和标准异步串口，有的片内还集成了采样保持 和A D 转换电路，并提供P W M 信号输出。与单片机相比，D S P 具有更快的C P U ， 更高的集成度和更大容量的存储器。 D S P 属于精简指令系统计算机，大多数指令都能在一个周期内完成并可通过 并行处理技术，在一个指令周期内完成多条指令。同时，D S P 采用改进的哈佛结 构，具有独立的程序和数据空间，允许同时存储程序和数据。内置高速的硬件乘 法器，增加了多级流水线，使其具有高速的数据运算能力。而单片机为复杂指令 系统计算机，多数指令要2 3 个指令周期才能完成。单片机采用诺依曼结构，程 序和数据在同空间存储，同一时刻只能单独访问指令或数据。单片机的A L U 只能做加法，乘法需要由软件来实现，需要占用较多的指令周期，速度比较慢。 D S P 与1 6 位单片机相比，执行单指令的时间快8 1 0 倍，一次乘法运算时间快 1 6 3 0 倍。 在超声波发生器中，D S P 可以完成除功率变换以外的所有功能，如主电路控 江南大学专业硕士学位论文 制、系统实时监控及保护、系统通信等。虽然D S P 有着许多优点，但是它也存 在一些局限性，如采样频率的选择、P W M 信号频率及其精度、采样延时、运算 时间及精度等。这些因素会或多或少地影响电路的控制性能。 3 采用F P G A 控制 F P G A 属于可重构器件，其内部逻辑功能可以根据需要任意设定，具有集成 度高、处理速度快、效率高等优点。其结构主要分为三部分：可编程逻辑块、可 编程I O 模块、可编程内部连线。由于F P G A 的集成度非常大，一片F P G A 少则 几千个等效门，多则几万或几十万千等效门，所以一片F P G A 就可以实现非常复 杂的逻辑，替代多块集成电路和分立元件组成的电路。它借助于硬件描述语言来 对系统进行设计，采用三个层次( 行为描述、P J L 描述、门级描述) 的硬件描述和 自上至下( 从系统功能描述开始) 的设计风格，能对三个层次的描述进行混合仿 真，从而可以方便地进行数字电路设计，在可靠性、体积、成本上具有相当优势。 比较而言，D S P 适合取样速率低和软件复杂程度高的场合使用，而当系统取样速 率高( M H z 级) ，数据率高( 2 0 M B s 以上) 、条件操作少时，F P G A 更有优势。 1 3 本文的研究背景及主要工作 1 3 1 本文研究背景 2 0 世纪6 0 年代初，我国开始研制各种功率的超声波电源。到目前为止，超 声电源经历了电子管、晶闸管、晶体管、V M O S 和G I B T 的发展过程。2 0 世纪 7 0 年代电子管组成的超声波电源电能利用率低、电源成本高、体积大。2 0 世纪 7 0 年代到8 0 年代初，晶闸管超声波电源开始投入使用。晶闸管电源与电子管电 源相比效率有了很大提高，体积和重量有所下降。但由于受开关速度的限制和晶 闸管开关特性的影响，电源频率在2 0 k H z 以下，工作效率较低【9 】。 为了克服上述电源的不足，人们开始研制和使用V M O S 电源。V M O S 电源 开关速度高、驱动功率小。但是由于管子的制造工艺结构限制，单管的导通电流 较小，耐压较低，抗电流和电压冲击能力较差。晶体三极管的驱动功率较大，但 采用大功率复合三极管，开关速度会大大降低，这种复合三极管一般也只能在 2 0 k H z 以下使用。因此，V M O S 管和晶体三极管一般适用于小功率超声波电源。 综上所述，超声波电源需要一种开关速度快、导通电流大、耐压高、抗冲击 能力强、驱动功率小的新型功率器件。同时，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，超声波电源需要一种功率大、性能高、成本 低的系列化超声波电源。要求能较好适应换能器阻抗变化、频率漂移等所带来的 疑难问题。所以，如何提高超声波电源的可靠性、与换能器的匹配性能仍是我们 亟待解决的问题。 功率开关器件是超声波电源的核心器件，对超声波电源的电路设计性能有很 大影响，它是决定超声波电源可靠性的关键因数。性能好、可靠性高的开关器件 4 第一章绪论 将大大简化超声波电源的电路设计，解决目前大功率超声波发生器的设计难点。 但由于我国目前大功率电力电子器件生产能力不足，国外进口的器件价格比较昂 贵。所以，采用新的电路设计方案，提高超声波电源可靠性问题迫在眉睫。由此， 超声波电源设计中功率放大电路设计的合理性非常重要。 超声波电源与超声波换能器的匹配是超声波电源设计的另一个重要问题。一 方面，匹配电路使发生器向换能器输出额定的电功率；另一方面，通过匹配使发 生器输出效率最高。由此可见，匹配的好坏直接影响着功率超声源的产生和效率。 因此，合理、正确设计超声波电源与换能器的匹配电路也很重要。 1 3 2 本文主要工作 本文是在理论研究的基础上，研制一种2 8 k H z 5 0 0 W 的超声波电源，主要任 务是完成超声波电源系统的设计、各组成部分电路的设计调试以及仿真实验。 本文的主要需要完成了研究内容主要有如下几个方面的工作： 1 、研究超声波电源系统，讨论超声波电源常用的拓扑结构，确定超声波电 源系统方案。 2 、研究超声波末级功率放大电路的原理，分析超声波末级功率放大器的具 体拓扑结构，进行主电路元器件参数计算和选择。 3 、研究超声波电源反馈电路原理，确定频率自动跟踪电路和功率反馈电路 方案。 4 、研究超声波电源与超声波换能器匹配电路的原理，设计主功率高频变压 器。 5 、研究超声波电源中的驱动电路及保护电路，确定驱动电路的方案和保护 电路的实现方法。 6 、在设计的基础上，利用P S P I C E 进行仿真，得到实验结果，并对设计进 行验证。 1 4 本章小结 本章主要论述了超声波电源的发展概况，电力电子器件在超声波电源中的应 用，以及本论文的研究背景及主要工作。 超声波电源从最初的电子管放大器型发展为晶体管开关放大器型。超声波电 源效率大幅度提高、体积明显下降。本章从电力电子器件在超声波中的应用入手， 详细介绍了各种电力电子器件以及控制芯片的发展，为合理选择功率放大电路元 件、电路控制方法打下了良好的基础。 在电力电子器件飞速发展的今天，高频化、小型化、数字化超声波电源的研 制已势在必行。 本文研究内容旨在完成超声波驱动电源的研制。 第二章超声电源总体方案确立 第二章超声电源总体方案确立 超声波电源，是一种用于产生并向超声波换能器提供超声能量的装置。超声 波电源产生电功率，驱动超声波换能器。 目前产生大功率超声的方法主要有两种：一种是利用电能转换成声能的电声 换能器产生超声，另一种是利用流体作动力来产生超声，如各种气哨和液哨。目 前广泛使用的是第一种方法，即采用超声电源产生超声。 功率超声电源系统由两部分组成，即超声电源( 超声波发生器) 和超声振动 系统。超声电源的作用是将电网上工频交流电变成超声频振荡电流，并通过阻抗 匹配网络激励换能器。超声振动系统将激励它的交流电能转变成同频率的超声振 动，再经过放大，传递给外界负载做功。 2 1 超声电源工作原理 目前，功率超声设备的换能器主要采用压电换能器，它是一个将电能转换成 超声能的器件。根据工作原理可以将超声波电源分为振荡放大型和逆变型两类。 2 1 1 振荡放大型 由振荡放大型超声电源和换能器组成的超声发生器如图2 1 所示，其中超声 电源主要由信号发生器、功率放大器、匹配网络和反馈网络构成。 图2 1 振荡放大型超声电源 F i g 2 1U l t r a s o n i cp o w e ro s c i l l a t i o nt oe n l a r g e 信号发生器产生一定频率的电信号，送至功率放大器进行放大。匹配网络实 现功率放大器与换能器间的阻抗匹配，并对换能器调谐。 1 、信号发生器 信号发生器的作用就是产生所需频率的电信号。推动功率放大管工作。此信 号可以是正弦或脉冲信号；特定频率就是换能器频率。目前，在超声波设备中所 采用的频率为2 0 k H z 、2 5 k H z 、2 8 k H z 、3 5 l ( H z 、4 0 k H z 和l O O k H z 。传统的信号 发生器是采用分立元件构成的振荡器，它的构成可以是一个单独的振荡器，如 L C 振荡器、R C 振荡器，也可以是一种由反馈网络构成的自激振荡功率源，此时 换能器构成反馈网络的一个元件。这类电路普遍存在着控制精度低、频率稳定性 差的缺点。 2 、功率放大器 7 江南大学专业硕士学位论文 功率放大器是将振荡信号放大而达到一定的功率输出。早期的超声电源都是 用电子管器件，体积较大、效率低。晶体管的出现，使得超声电源的体积大大缩 小且效率高。当前广泛使用的是晶体管放大器及晶体管开关型放大器。功率一般 从5 0 W 到5 0 0 0 W 不等。 晶体管式放大器的优点是体积小、重量轻且效率高。但由于受反向击穿电压、 最大集电极电流和最大集电极耗散功率等的限制。要提高输出功率，除提高器件 的性能外，还必须采用高效率的电路，如功率合成电路和丁类放大电路。 功率合成是用若干个小的功放单元进行功率放大，然后用混合网络把这些小 功放单元输出叠加起来而得到大功率输出，各功放之间互相隔离。丁类放大电路 是工作在开关状态，电路的效率很高，其输出是方波，只有在输出端接一个谐振 网络后，才能够得到正弦波。 3 、匹配网络 功放输出有一个最佳负载值，为使发生器的输出功率高效率传输给换能器， 只有在此最佳负载值工作，才能向负载输出额定功率，为此发生器和换能器之间 必须进行匹配。实际负载往往不能满足此值，故需要通过输出变压器作阻抗变换。 此外，由于换能器是一阻抗负载，需要一个与之相反性质的电抗元件来“抵消” 换能器中的电抗分量，即所谓调谐，这样才能提高超声波发生器的输出声功率。 4 、反馈电路 反馈电路，主要提供两个方面的反馈信号：输出功率反馈信号和频率反馈信 号。当超声波电源的供电电源电压发生变化时，发生器的输出功率也会发生变化， 反映在换能器上就是机械振动忽大忽小，导致工作不稳定。因此需要稳定输出功 率，通过功率反馈信号相应调整功率放大器，使功率放大稳定。当换能器工作在 谐振频率点时，效率最高，工作最稳定。而换能器谐振频率点会由于装配原因和 工作老化而改变，产生频率漂移，频率跟踪信号可以控制超声波电源，使超声波 电源的频率在一定范围内跟踪换能器的谐振频率点，让发生器工作在最佳状态。 5 、换能器 换能器将超声波电源输出的电信号转化为动能输出，完成超声波功能。 2 1 2 逆变型 逆变型超声波电源是将工频电压经过整流滤波变换成直流电压，然后通过开 关功率管，将其再转变为超声频交流功率电信号，驱动超声波换能器。超声波电 源输出的电功率，一般通过变压器耦合，把超声波电能量加到超声波换能器上。 电路中一般选用I G B T 、M O S F E T 等功率器件，将经整流的直流电逆变为超 声频交流电。按电路拓扑分类，有单端正激式、单端反激式、推挽式、半桥式和 全桥式等。 8 第二章超声电源总体方案确立 单端变换器电路简单，开关管少，不存在直通和高频变压器“单相磁链”等问 题，其输出功率小，并且高频变压器仅工作在第一象限，变压器利用率低，变压 器利用率低，滤波电容也需承受较大电流；推挽式电路用的器件少，开关电压是 两倍的直流输入电压，存在偏磁饱和现象，适用于小功率，原边电压低的直流逆 变；半桥式电路用的开关器件少，开关管电压不高，驱动简单，抗电路不平衡力 强，输出功率小，适用于中小功率的逆变器；全桥式电路用的开关器件多，输出 功率大，适用于大功率逆变器。 与振荡放大型功率放大电路相比，逆变型功率放大电路具有高性能、高效率、 高可靠性、低噪声、低污染品质、体积小优点。 本文研制的超声电源输出功率在5 0 0 W 左右，属于小功率范围，振荡放大型 较为合适，电源的设计框图如图2 2 所示。 图2 - 2 超声电源的设计框图 F i g 2 - 2T h ed e s i g nd i a g r a mo fu l t r a s o n i cp o w e r 振荡器产生超声频方波信号，通过脉宽调制电路以及变压器倒相后驱动2 个 V M O S 管构成的D 类放大器。D 类放大器输出的功率电信号经过匹配电路匹配 的超声波换能器被转换成超声波信号。系统还能检测超声波换能器两端的电压和 流过超声波换能器的电流，通过比较此电压和电流的相位差来判断超声波电源的 输出电信号的频率是否谐振在超声波换能器的工作频率上，并通过调节压控振荡 器的调节电压，来调节压控振荡器输出方波信号的频率。另外还可以通过超声波 换能器两端的电压值和流过超声波换能器的电流值计算出超声波电源的输出功 率。 2 2 换能器及调谐匹配 2 2 1 压电换能器的电阻抗特性 在超声谐振频率附近，利用集总参数法将压电换能器等效为如图2 3 所示的 电路。其中，C 0 为换能器的静态电容，主要是指换能器因夹持而产生的电容；R 为压电陶瓷片的内介质电损耗，通常可以忽略其影响( 一般认为R 为无穷大) ； 厶为动态电感，由换能器质量引起；C 肼为换能器引起的动态电容；如为负载反 9 江南大学专业硕士学位论文 映的动态电阻。一般，由R 、C o 组成的电路称为电学臂，由厶、q 、R m 组成 的电路称为机械臂1 0 1 。 I = c o 】R o _ J 【1 1 L m C m R m 图2 - 3 压电换能器等效电路图 F i g 2 - 3P i e z o e l e c t r i ct r a n s d u c e re q u i v a l e n tc i r c u i t 根据电路理论，压电换能器的阻抗为：Z 0 = R y + 风 ( 2 - 1 ) 式中电阻分量B 为 ( 2 - 2 ) 耻 当信号频率织2 丽1 ，L C 菽N * N 谐摭织称为串联谐振频率；当信 号频率等于=，厶C 卅支路并联谐振，称为并联谐振频率。 在实际的超声加工中，外界工况的变化，如温度、刚度、负载、磨损往往会 引起系统参数的变化，对应最大效率输出的超声系统的谐振频率也发生漂移。为 了提高工作频率，激励频率必须要跟踪谐振频率的变化。 2 2 2 调谐匹配电路的分析 由等效电路可以推断出其呈现容性。为了提高系统的功率因数，减小两部分 之间能量的相互馈送，使能量有效地从超声电源输入到换能器，发挥能量的最大 功效，保证系统的稳定安全工作，必须配置相应的匹配网络。使用单个电感对其 匹配，是一种最常用的方式。单个电感匹配可分为串联和并联两种形式【1 1 , 1 2 】。 l O 第二章超声电源总体方案确立 ! c o p 厂 q l 厂 缈。 厂 q ( 图2 - 4 谐振点附近电抗与频率特性图2 - 5串联谐振频率附近的相频特性 F i g 2 - 4R e a c t a n c er l e a rr e s o n a n c ew i t h t h e F i g 2 - 5S e r i e sr e s o n a n tf r e q u e n c yn e a rt h e f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c s p h a s e - f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c s 换能器的等效电路如前面的图2 3 所示。压电陶瓷型换能器为容性负载，为 了在换能器两端得到正弦波电压，常常将谐振电感L 0 与换能器串联，使谐振电感 L 0 与换能器极板电容C O 产生串联谐振。但这样会使次级无功分量电流过大，因 而流过功率元件的电流也很大。若将谐振电感与换能器并联，不但可在换能器两 端得到正弦电压，而且在负载得到同样功率的脉冲时，次级电流无功分量大大减 少。谐振电感L O 与换能器串联的等效电路和谐振时的等效电路电路分别如图2 6 所示。谐振电感L O 与换能器并联的等效电路和谐振时的等效电路分别如图2 7 所 示。 I I = C o 1 J 1 L m C m R m C 。【 R m 图2 6 谐振电感厶与换能器串联的等效电路 F i g 2 6R e s o n a n ti n d u c t o rL 0i ns e r i e sw i t ht h et r a n s d u c e re q u i v a l e n tc i r c u i t 由于换能器的静电抗原因，造成在工作频率上的输出电压和电流有一定相位 差，从而使输出功率得不到最大输出，致使电源的效率降低，因此采用一电感与 换能器进行串联或并联，使负载系统谐振，即实现调谐匹配。 串联匹配电感等效电路如图2 6 所示，负载的等效输入阻抗为： 江南大学专业硕士学位论文 咖厶+ 毒l 一1 ) ， j c o C o + j o L m + j o C , + 如 2 南+ 小厶一丽c o C o R , 2 当国诅= 赤时，电路处于谐振状态，电抗x = 缈厶一丽C O C o R m = = o 厶5 可C 磊o R m 2 酹 2 5 ) z = R 2 了；i ：丽t n = l K R 用( 2 - 6 ) 其中K = I + ( c O , C o R ) 2 。 从分析可以看出，谐振电感L o 与换能器串联，使换能器的等效输入阻抗为 原来的1 K ，且呈纯电阻性，电阻值降低，起到阻抗变换作用。 l J = C O I J l L m C m R m 一 J ；L 。 - C 。1 ：- 一一一一j i 一一一一一一一一一一一一一一j ( a )( b ) 图2 - 7 谐振电感厶与换能器并联的等效电路 F i g 2 7 R e s o n a n ti n d u c t o rL Oi np a r a l l e lw i t ht h et r a n s d u c e re q u i v a l e n tc i r c u i t 并联匹配电感等效电路如图2 7 所示，为了便于计算分析，采用( b ) 图分 析，当谐振时，厶、q 、如支路等效为一个电阻R m ，负载的等效输入导纳为： y = 志+ 工1 + 百1 = 去+ 小c o 一瓦1 ， j 托。 当2 q 。丽1时，电路处于谐振状态，电纳B = 蝙一瓦1 = o ，q 舯 4 三。c 。 。 缈厶 4 联谐振角频率，等效输入阻抗 1 2 第二章超声电源总体方案确立 Z = 心 可见，谐振电感厶与换能器并联，其等效负载阻抗不变。同时，厶与换能 器并联比厶与换能器串联逆变器的输出电流d , K 倍。 经过以上的分析可知，并联电感调谐匹配，超声系统的有功电阻没有阻抗变 换作用，同时缺乏滤波功能，而串联电感匹配不仅可以使有功电阻降低，且兼有 调谐和滤波作用。 2 3 频率跟踪控制系统方案的确立 超声加工过程中，换能器的谐振频率会由于发热、负载变化、老化等原因发 生改变。如果超声电源的工作频率不随之改变，则换能器工作于失谐状态，使效 率降低。因此，超声电源需具有自动调节频率的性能，即频率自动跟踪。 实现频率自动跟踪的基本方法是从换能器的电端或声端取得一个反映换能 器谐振特性的信号，用这个信号控制超声电源的频率，从而使超声电源的工作频 率与换能器的谐振频率始终保持一致。 目前常用的频率自动跟踪大致有以下几种方法【1 3 】： 1 、声跟踪 声耦合方式，从换能器上采集谐振频率的电讯号，然后反馈至前级放大器， 形成自激振荡器。电路在通电的瞬间产生一个冲击脉冲，此脉冲经预放、功放 去激励换能器，换能器按自身固有的频率振动。从而在反馈的声接收器上可得 到相同频率的电讯号。经过电路的移相、选频、预放及功放再去激励换能器， 如果满足振荡器的相位、幅度条件，系统将自激振荡，且振荡频率跟踪在换能 器的共振频率上。 2 、电跟踪 所谓“电跟踪”又称为反馈自激式振荡器，大致有以下几种形式： ( 1 ) 阻抗电桥形式的动态反馈系统 它是利用电桥平衡原理补偿换能器电学臂的无功与有功分量，借助于差动 变量器提取与换能器机械臂振荡电流成正比的反馈电压，使闭环系统在换能器 机械振动共振上自振。本方法对换能器电参数的补偿有可能做到与频率无关， 因而在较宽频段内跟踪良好。 ( 2 ) 负载分压方式的反馈系统 电路在通电的瞬间产生一个电脉冲，经功放加至换能器两端，于是换能器 受激振动。其振动频率为换能器本身的固有频率，在换能器两端的振荡信号， 经分压后送到可调移相器上，在送到功放。当可调移相器调至相位满足自激条 件时，系统自激于换能器的固有频率上