（机械制造及其自动化专业论文）大功率频率自动跟踪超声电源的研制.pdf

摘要 摘要 超声加工适用于硬脆材料的加工，它不依靠工件的导电性，且是非热加工过 程，不受工件的电、化学特性影响，已被证明是陶瓷、半导体等硬脆材料加工的 有效方法。超声磨削加工是利用超声振动和砂轮磨削的复合作用来形成加工表 面。其优点是加工效率高，切削力小，己有研究表明：当磨削深度小于某临界值 时，工程陶瓷的去除机理同金属磨削相似，工件材料在磨刃的作用下通过塑性流 动形成切屑，避免较深变质层的形成，塑性磨削可以获得r a o 0 1l lm 的良好镜 面。近年来，随着科学技术和工业的发展，需要超声磨削加工的硬脆材料越来越 多。而作为超声磨削加工关键技术的超声波电源设计引起了广泛的关注。 本文根据课题的设计要求，研制出超声波电源样机。本电源主电路的设计方 案由全桥变换器，换能器匹配用的高频变压器和匹配电感组成的。由于该电源功 率达到2 k w ，选择由m o s f e t 组成的全桥变换器作为逆变输出方案，通过集成驱 动芯片i r 2 11 0 和控制信号p w m 实现m o s f e t 的全桥逆变功能，设计出合适的缓冲 吸收电路，较好地解决了逆变过程中波形畸变、自激振荡以及电压过冲等问题。 高频变压器和匹配电感是自行设计制作的，主电路输出达到设计要求。 电源的控制部分由p i c l 8 f 4 5 8 单片机实现，主要实现半桥p w m 输出，过流保 护控制，频率自动跟踪和频率可调功能。采用了p i c 单片机的p w m 输出，避免波 形不稳定，容易会受到电磁场和工作环境温度的影响，漂移现象严重等问题，同 时实现过流保护等多钟功能，简化了电源结构。 电源的反馈部分由采样电路，整形电路，检相电路和去摘脉宽电路组成。采 样电路由霍尔传感器实现，整形后经过检相电路把换能器两端的电流电压相位差 检测出来，由单片机实现输出频率的自动调节。 最后，在进行理论设计的基础上，对超声波电源各组成电路进行实际制作。 超声波电源与换能器匹配无误、工作稳定后，制成样机，进行调试、测试实验结 果，对设计进行实验验证并给出实验波形。实验表明，该电源具有高的可靠性和 良好的动态调节性能。 关键词：超声电源；自动频率跟踪；检相电路 i 广东工业大学工学硕士学位论文 a bs t r a c t t h eu l t r a s o n i cp r o c e s s i n gi ss u i t a b l ef o rt h eh a r dc r i s pm a t e r i a lp r o c e s s i n g i t d o e sn o t d e p e n du p o nt h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yo ft h ew o r kp i e c e ，a n di s n o n - t h e r m a lp r o c e s s i n g i ti sa l s on o ta f f e c t e db yt h ee l e c t r i c i t ya n dc h e m i c a l c h a r a c t e r i s t i co ft h ew o r kp i e c e ，a n dh a s b e e np r o v e dt ob ea ne f f e c t i v ew a yf o rh a r d a n db r i t t l em a t e r i a l ss u c ha sc e r a m i c ，s e m i c o n d u c t o rp r o c e s s i n g t h eu l t r a s o n i c a b r a s i v em a c h i n i n gf o r m st h ep r o c e s s i n gs u r f a c eb yu s i n gt h ec o m b i n e da c t i o no ft h e u l t r a s o n i cv i b r a t i o na n dt h eg r i n d i n gw h e e lg r i n d i n g i t sm e r i ti sh i g hp r o c e s s e s e f f i c i e n c y , s m a l lc u t t i n gf o r c e ，r e s e a r c hh a ss h o w nt h a t ：w h e nt h eg r i n d i n gd e p t hi s s m a l l e rt h a ns o m em a r g i n a lv a l u e ，t h ep r o j e c tc e r a m i c s e l i m i n a t i o nm e c h a n i s mi s s i m i l a rw i t ht h em e t a lg r i n d i n g t h ew o r kp i e c em a t e r i a lf o r m st h es c r a pt h r o u g ht h e p l a s t i c f l o wu n d e rt h ef u n c t i o no f s h a r p e n i n g ，a n da v o i d sf o r m i n gd e e p e r m e t a m o r p h i cl a y e r t h ep l a s t i cg r i n d i n gm a yo b t a i ng o o dm i r r o rr a 0 o ll x m i n r e c e n ty e a r s ，w i t ht h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n dt h ei n d u s t r yd e v e l o p m e n t ，m o r e a n dm o r eh a r dc r i s pm a t e r i a ln e e d st h eu l t r a s o n i ca b r a s i v em a c h i n i n g a st h ek e y t e c h n o l o g yo fu l t r a s o n i ca b r a s i v em a c h i n i n g ，u l t r a s o n i cp o w e rs u p p l y d e s i g nh a s a r o u s e dw i d e s p r e a dc o n c e r n a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so ft h es u b j e c t ，t h i sa r t i c l ed e v e l o p sa p r o t o t y p eo fu l t r a s o n i cp o w e r t h em a i nc i r c u i t sd e s i g np r o p o s a lo ft h ep o w e ri s c o m p o s e do ft h ef u l l - - b r i d g ec o n v e r t e r , t h eh i g h - f r e q u e n c yt r a n s f o r m e rf o rt h e t r a n s d u c e rm a t c h i n ga n dt h em a t c hi n d u c t a n c e b e c a u s et h i sp o w e ra c h i e v e s2 k w , t h i sa r t i c l ec h o o s e st h ef u l l b r i d g ec o n v e r t e rw h i c hi s c o m p o s e do fm o s f e ta s i n v e r s i o no u t p u t p l a n t h i sp l a n a c h i e v e st h em o s f e tf u l l b r i d g ei n v e r s i o n f u n c t i o nt h r o u g hi n t e g r a t e dd r i v e ri ci r 2110a n dc o n t r o ls i g n a lp w m ，a n dd e s i g n s t h ea p p r o p r i a t ec u s h i o na b s o r b i n gc i r c u i tt os o l v ew e l lt h e s eq u e s t i o n si ni n v e r s i o n p r o c e s ss u c ha sw a v e f o r md i s t o r t i o n ，s e l f - s u s t a i n e do s c i l l a t i o na sw e l la sv o l t a g e o v e r s w i n g t h eh i g h - f r e q u e n c y t r a n s f o r m e ra n dt h em a t c hi n d u c t a n c ei s a b s t r a c t i n d e p e n d e n t l yd e s i g n sa n dm a n u f a c t u r e ，t h em a i nc i r c u i to u t p u t sm e e t st h ed e s i g n r e q u i r e m e n t s t h ep o w e rs o u r c e sc o n t r o ls e c t i o ni sr e a l i z e db yt h ep i c l8 f 4 5 8m c u i t m a i n l yr e a l i z e s t h eh a l f - b r i d g eo u t p u tp w m ，o v e r c u r r e n t p r o t e c t i o nc o n t r o l ， f r e q u e n c ya u t o m a t i ct r a c k i n ga n df r e q u e n c ya d j u s t a b l ef u n c t i o n t h ec o n t r o ls e c t i o n u s e dp i cm c up w m o u t p u t ，a v o i d st h ew a v e f o r mi n s t a b i l i t y , b e i n ga f f e c t e db yt h e e l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n dt h ew o r k i n gc o n d i t i o n st e m p e r a t u r ee a s i l y , a n dt h es e r i o u s d r i f tp h e n o m e n o na n ds oo n s i m u l t a n e o u s l yi tw i l la c h i e v es om a n yf u n c t i o n ss u c h a so v e r c u r r e n tp r o t e c t i o nf u n c t i o n ，e t c a n ds i m p l i f yt h ep o w e rs t r u c t u r e t h ep o w e rs o u r c e sf e e d b a c kp a r ti sc o m p o s e do ft h es a m p l i n gc i r c u i t ，t h e w a v e s h a p i n gc i r c u i t ，p h a s ed e t e c t i o nc i r c u i ta n dn a r r o wp h a s ew i d t hr e m o v i n g c i r c u i t t h es a m p l i n gc i r c u i ti sr e a l i z e db yt h eh a l ls e n s o r a f t e rt h es a m p l i n gs i g n a l r e s h a p i n g ，t h ep h a s ed e t e c t i o nc i r c u i td e t e c t st h ep h a s ed i f f e r e n c eo ft h ep h a s e 。o ft h e c u r r e n ta n dv o l t a g eo ft h ee n do ft r a n s d u c e r m c ur e a l i z e so u t p u t f r e q u e n c y a u t o m a t i ca d j u s t m e n tb a s i n go nt h ep h a s ed i f f e r e n c es i g n a l f i n a l l y ，b a s e do nt h et h e o r e t i c a ld e s i g n ，t h ec i r c u i t so ft h eu l t r a s o n i cp o w e ra r e p r a c t i c a l l ym a n u f a c t u r e d a f t e rt h eu l t r a s o n i c p o w e ra n dt r a n s d u c e rw o r ki n c o o r d i n a t i o n ，t h em o d e lm a c h i n ei sp r o d u c e d a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u r sa r e d i s c u s s e d t h ec o n c l u s i o nr e v e a l st h a tt h ep o w e rh a sh i g hr e l i a b i l i t ya n db e t t e r d y n a m i ca d j u s t m e n tp r o p e r t y k e y w o r d s ：u l t r a s o n i cp o w e r ；a u t o m a t i cf r e q u e n c yt r a c k i n g ；p h a s ed e t e c t i o nc i r c u i t 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的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，论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包含 本人或其他用途使用过的成果。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，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 论文作者签字： 指导老师签字： 莎彳乏敛 2 0 0 9 年5 月2 0 日 第一章绪论 第一章绪论 随着航天航空，半导体，电子工程， 要超精密加工的硬脆材料零件越来越多， 非金属： 自动控制及医疗器械等方面的发展，需 其中包括： 1 ) 工业精密陶瓷的国际市场规模达到5 0 0 亿美元： 2 ) 硅片市场达到5 7 亿美元； 3 ) 珠宝玉器市场国内即达到千亿元人民币； 金属材料： 硬质合金、淬火钢材料全球生产规模上万亿美元； 对这些硬脆材料进行加工，传统的加工方法一般是压制烧结或固化，磨削加 工和超声加工，这些加工方法都很难保证高的表面质量，而且会造成工具的损耗， 磨削加工所产生的粉尘和噪音严重危害人体健康。 利用超声磨削加工对硬脆材料进行加工，有其独特的优势。超声磨削技术是 在磨削加工中引入超声振动，借助超声振动的作用去除工件上的被加工材料，超 声振动可以强化和改善磨削加工效果。其优点有： 1 ) 超声磨削技术不但保留了磨削加工的特性，还可大幅度提高加工效率( 加 工速度达到普通磨削的3 - 5 倍) ，减小切屑的变形量，降低切削力，排屑 通畅一】： 2 ) 超声磨削技术有利于保护工件和刀具( 刀具损耗降低到普通磨削的1 2 ) ， 大大降低了加工成本，； 3 ) 超声磨削技术有效改善工件表面质量( 表面粗糙度可达到r a o 2 5um ) 1 ； 随着高新技术的发展以及新型军工产品的研制，硬脆材料、高精度、高表面 质量、复杂形状整体结构的零件日益增多，以及微细结构的出现，为超声磨削加 工开拓了更广阔的应用前景，并提出了更高的要求。 超声电源是超声磨削加工中重要的组成装置，它关系到加工过程中的稳定， 加工质量等方面。超声波发生器( 超声电源) 是一种用于产生并向超声换能器提 供超声能量的装置。超声波电源就其激励方式有两种：一种是他激式。另一种是 广东工业大学工学硕士学位论文 自激式。他激式超声发生器主要包括两部分，前级是振荡器，后级是放大器。一 般通过输出变压器耦台，把超声能量加到抉能器上。而自激式超声法生器是把振 荡、功放、输出变压器及换能器集为一体，形成一闭环回路，回路在满足幅度、 相位反馈条件，组成一个有功率放大的振荡器。并谐振于换能器的机械共振频率 上。 1 1 超声发生器发展的几个阶段 超声发生器原理示意图如图1 - 1 所示，其发展可以分为三个的阶段：第一个 阶段是采用电子管放大器第二个阶段是采用晶体管模拟放大器：第三个阶段是采 用晶体管数字( 开关) 放大器。 气璃寝佩 图卜l 超声发生器示意图 f i g 1 - 1s c h e m a t i cd i a g r a m o f u l t r a s o n i cg e n e r a t o r 111 电子管放大器 在早期上世纪8 0 年代前，信号的功率放大还是采用电子管。采用电子管的 唯一好处是它的动态范围较宽这个好处对于音频放大器致关重要但对超声波发 生器没有什么用处因此一旦功率晶体管出现后即遭淘汰。电子管的缺点很多，功 耗大、体积大、寿命短、效率低。 1 1 2 晶体管模拟放大器 上世纪8 0 年代到9 0 年代中旬，功率晶体管发展已非常成熟各种o c l 及o t l 电路均适用于超声发生器，功率晶体管应用于超声电源使电源效率提高，体积下 降，但受开关管的开关速度和开关特性的影响，模拟功率放大器有几个缺点： ( 1 ) 功率消耗较大。由于o t l 、o c l 电路实际效率低，功耗大，导致功率 第一章绪论 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。由于功率管输出的功率受到限制，如要输出较大的 功率需要更多的功率管，况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，大功率的变压器比较重，效率也比较低。 ( 3 ) 不易使用微处理器来处理，由于该电路呈现一个比较典型的模拟线路 特征，用数字处理比较复杂，涉及到a d ( 模拟转数字) 和d a ( 数字转模拟) ，成 本比较高，可靠性低。 1 1 3 晶体管开关型放大器 随着电力电子器件的发展特别是v d m o s 和i g b t 的发展和成熟，使得采用开 关式发生器成为可能。 开关式发生器的原理是通过调节开关管的占空比( 或导通与截止时间) 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，因此这种开关型发 生器有以下特点。 ( 1 ) 功耗低、效率高。开关管在开关瞬时的功耗较大但时间很短在截止或 导通时的功耗很小，时间较长因此总的功耗较小，而且基本恒定，最高效率可以 达到9 0 以上。 ( 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 个开关管可以实现的功率较大，加上直流电源直接变换使用，不需电源变压器降 压，因此它的体积较小，重量轻，单位功率所占的体积和重量值较小。 ( 3 ) 可靠性好与微处理器等配合较容易。开关管在工作时的温升较低，工 作可靠，加上全数字( p w m ) 输出，可用微处理器直接控制。 1 2 开关管在超声电源中的应用 开关型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可分为三 个阶段。 第一、2 0 世纪7 0 年代用双极开关晶体管( g t r ) 作为开关电源的开关管，线 3 广东1 = 业大学工学硕士学位论文 路成熟，价格低，但它的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 以下) ，在开关电源场合还有很多应用，但在超声 波发生器中由于开关频率低，没有太大的应用。 第二、2 0 世纪8 0 年代用v d m o s 管，其主要优点是：开关频率高( 可达lm h z ) ， 驱动简单( 电压型驱动) ，抗击穿性好( 没有雪崩效应) ，缺点是耐高压的器件，导 通电阻大，在高压大电流场合功耗较大，因此大功率( 15 0 0 w 以上) 有些困难，但 随着v d m o s 工艺不断改进，输出功率也越来越大，在超声波中可以用于i o o k h z 、 功率达2 0 0 0 w 以上的发生器。 第三、2 0 世纪9 0 年代，广泛应用i g b t ( 隔离栅双极管) ，它是一种m o s f e t 与g r t 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。它的开关频率日前可达到5 0 0 k h z 以上，功率可以达到5 0 0 0 w ， 在一般超声波发生器中可以很少的运用，它的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，与此相对应，电 力电子电路的控制也从最初以相位控制为手段的，由分立元件组成的控制电路发 展到集成控制器，再到如今的旨在实现高频开关的计算机控制，并向着更高频率、 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、温度漂移严 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电路的 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接构成具 有校正环书的模拟调节器，提高了电路的可靠性，但是，也正是由子阻容元件的 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、元件老化等问题 仍然存在。此外，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克服 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、简化硬件结构，从 而提高系统的可靠性。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，。 ( 1 ) 采用m c u 控制 4 第一章绪论 单片机( m c u ) 是_ 种在一块芯片上集成了c p u ，r a m 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，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。单片机的c p u 经历了由4 、8 、 1 6 、3 2 直至6 4 位的发展过程，主要以美国i n t e l 公司生产的m c s 一5 1 ( 8 位) 和 m c s 一9 6 ( 1 6 位) 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，通过数字化的控制方法，得到高精 度和高稳定度的控制特性，并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，而且处理速度也很难满足高频电路的要求，这就使人 们不得不转而寻求功能更强的芯片的帮助于是d s p 应运而生。 ( 2 ) 采用o s p 控制 数字信号处理器( d s p ) 是近年来迅速崛起的新一代可编程处理器，其内部集 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( r i s c ) ，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( c i s c ) 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 同一空间存储，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， 而乘法则需要由软件来实现，因而需要占用较多的指令周期，速度比较慢。与 1 6 位单片机相比，d s p 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 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 5 广东工业大学工学硕士学位论文 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 现场可编程门阵列( 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 0 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，多则几万或几十万个等效门，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( v h d l ) 来对系统进行设计，采用三个层次( 行为描述、r 几描述、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、任 务比较固定时f p g a 更有优势。 1 3 超声电源控制部分的发展 在开关电源的控制部分中，不管是模拟控制方式或数字控制方式，当功率放 大采用开关式放大器时，前置控制一般均采用p w m ( 脉宽调制) 方式。简单地讲就 是开关频率固定，导通及关断时间可调( 随功率而调整) ，导通时间变长，则关断时 间变短，保持导通时间与关断时间之和为一常数。 1 3 1 电源控制部分的发展阶段 ( 1 ) 模拟集成电路 主要采用开关电源控制用集成电路，典型i c 有t l 4 9 4 ，u c 3 8 7 5 ，u c 3 8 7 9 ， s g 3 5 2 5 等。在该类型电路中集成了振荡器、p w m 控制、保护、反馈比较等功能应 用比较方便。它的主要缺点是： 这些电路是为开关电源而设计的，开关电源对功率精度要求高而对频率的 要求不高( 稍有误差不影响整体性能) 一般采用r c 振荡器即可满足要求，应用在 超声波电源中比较勉强。 6 第一章绪论 不易用微处理器( up ) 来控制，例如用pp 来调节功率、频率等参数等就 很困难。这类电路应用在超声波电源中要注意振荡用电阻( r ) 和电容( c ) 的选择。 要求选用参数稳定的r 及c ，或用锁相环( p l l ) 来产生高稳定性的频率。 ( 2 ) 数字集成电路 数字集成电路的振荡可以采用石英振荡器来产生，频率稳定度比较好，但一 般数字集成电路产生p w m 信号比较复杂，随着微处理器的普及，现已基本不用。 ( 3 ) 微处理器( | lp ) 微处理器的诞生，使得控制技术真正进入了数字时代。在比较简单的应用场 合，利用微处理器作定时开关等，但这不是我们所要讨论的，我们主要讨论应用 微处理器直接控制超声波电源，直接用微处理器产生p w m 。由于现代微处理器技 术发展迅速，主频速度越来越高，处理能力越来越强，给我们利用微处理器控制 提供了简单有效的方式。一般应用微处理器来产生p w m 信号有下面两种方式。 与模拟i c 结合，采用p l l 方式 这种方式对up 的要求比较低，参考频率一般就是频率的分辨率，精度高一 些为5 h z ，这对于一般up 均无问题，再通过d a 方式输出设定功率值基本可满 足要求，但它有两个缺点： 1 、线路比较复杂。 2 、由于压控振荡器受控范围有限制，不能在大范围内变化频率，因此只能实现 频率自适应，不能实现跳频及大范围频率扫描的问题。 直接由i lp 来产生p w m 信号 微处理器根据输入指令( 通过键盘或通讯口) 启动p w m 输出，p w m 中包含了频 率及功率，推动功率放大后输出到超声波振头，同时通过反馈环节将输出的功率， 频率等参数传给微处理器，微处理器将反馈的模拟信号通过内部a d 转换为数字 量( 如内部无a d ，则需外加a d 转换器) 参与运算与设定值比较，动态调整p w m 信号。 但是，由l lp 直接产生p w m 控制信号对i xp 的要求是比较高的，因为p w m 输 出是有两个重要参数决定的，频率精度和占空比精度。应用在超声波发生器场合， 对占空比精度( 功率精度) 要求不高，但对频率要求很高。这是因为压电陶瓷的谐 振频率范围很窄，若频率分辨率不够的话，就有可能调不到谐振频率点；而且超 声波发生器的频率较高( 一般2 5 1 0 0 k h z ) 要达到千分之一的频率精度，基准脉 7 广东工业大学工学硕士学位论文 冲频率应为i o o k h z x1 0 0 0 ( 分频数) ，即i o o m h z 。所以如果要达到较高的频率精 度，高频的基准频率是必不可少的，但我们知道，| ip 的频率不会太高，这就为 p w m 的直接控制制造了困难，也就有了下面介绍的用微处理器+ 可编程门阵列( u p + p g a ) 的方式。 ( 4 ) 微处理器十可编程门阵列 p g a ( 可编程门阵列) 是一种可编程的硬件逻辑电路，它通过编程方式来连接 硬件线路，由于是硬件逻辑电路，处理频率较高，一般可用到几百m h z 的工作频 率。 将p g a 编程设置两个自动予置计数器，根据分辨率不同将两个计数器分为多 级，一个计数高电平脉冲，一个计数低电平脉冲，予置值通过i ip 设置，如果p g a 的工作频率可达2 0 0 m h z 一3 0 0 m h z ( 或通过内部倍频，只要计数器脉冲频率能达 到2 0 0 m h z 以上就可以) 。这样超声波频率在i o o k h z 时可达到千分之一或万分之 几的频率精度，就能满足要求，如果超声波频率低些，则精度会更高些。 ( 5 ) 数字信号处理器( d s p ) d s p 的处理速度比up 快，但这主要是为波形处理用的，在超声波p w m 控制 器中一般较少采用。 1 4 超声电源的国内外研究现状 目前国内常用超声电源的p w m 控制主要是用模拟芯片，例女h t l 4 9 4 ，u c 3 7 8 5 ， s g 3 5 2 5 等等。内蒙古科技大学采用s g 3 5 2 5 作为电源的p w m 芯片，由i g b t 构成全桥 式逆变主电路，实现了逆变降压和输出电压调控。通过给定信号和反馈信号电压 的比较，获得宽度可变的脉冲信号，调节电源的输出电压，并实现对电源的闭环控 制，。哈尔滨工业大学研制了一种具有无相差频率自动跟踪和输出功率恒定功能 的功率超声电源，该电源采用集成锁相环c d 4 0 4 6 和p w m 集成模块t l 4 9 4 来实现无 相差自动频率跟踪，采用p w m 方式控制b u c k 电路的斩波，达到恒功率及功率可调 的目的，。另外该大学还采用了u c 3 7 8 5 模块来实现p w m 的输出，也能实现控制系 统的正确性。 国内采用模拟模块实现p w m 输出已经比较成熟了，由于其使用简单，方便， 而且集成度高，简化了电路等优点在国内得到广泛的应用，但是这类芯片最大缺 8 第一章绪论 点是波形不稳定，会受到电磁场和工作环境温度的影响，漂移现象严重，而且 不易用微处理器控制，动态调节频率和功率困难。使得在超声电源工作过程中遇 到很多问题，采用数字电路超声电源，可以消除温度漂移等常规模拟调节器难以 克服的缺点。 清华大学研制了单片机控制的基于d d s ( 直接数字合成) 技术的智能超声波 电源n ”。该超声波电源具有高分辨率，高稳定性，大功率，频率大范围可调等特 点，用单片机a t 8 9 c 5 1 控制d d s 芯片，a t 8 9 c 5 1 能产生频率为1 k - - - i m h z 的波形信号。 但是采用d d s 芯片驱动开关管，使得电路更为复杂，而且使用不方便。近年来， 处理速度更快，功能更强的数字信号处理器( d s p ) 开始运用在超声电源上了i l l , 1 2 ， d s p 属于精简指令系统计算机( r i s c ) ，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。但是对于超声电 源，尽管其功能强大，由于技术人员要求高，而且芯片成本高，所以在很少运用 在超声电源上。 目前在超声电源的逆变部分的驱动方面，由于脉冲变压器的放大隔离作用， 以及使用方便等特点，主要还是使用脉冲变压器放大驱动信号来驱动开关管。但 是随着集成驱动芯片的功能不断完善和强大，使用也越来越方便，可靠度和安全 性能也越来越好，现在很多超声电源的驱动部分都改为用集成芯片了。 目前可用的驱动芯片有很多，例如s k h l 2 2 ，m 5 7 9 6 2 ，u c c 2 7 3 2 1 ，m i c 5 0 1 4 ， m a x 6 2 x 等等。在栅极驱动电路中，驱动功率m o s f e t 导通及截止的过程中，对功率 m o s f e t 的极间电容进行充放电的栅极电荷，会产生驱动损耗，尤其对于高频电 路来说。国外有很多机构和大学都对驱动损耗进行了大量的研究。一”，力求减少 损耗，提高整个电源的功率。开关管的开关速度决定这集成i c 的选择，对于高频 的超声电源要选择开通关断延时短的集成工c h ”6 川，减少输出波形的失真。 1 5 本课题研究概况 1 5 1 研究背景与意义 现代超声波技术与工业应用越来越密切，功率超声技术是以物理、机械振动、 9 广东工业大学工学硕士学位论文 电子、材料等学科为基础的高新技术之一。它是以超声能量使物体或物性某些状 态变化的应用技术。在国民经济建设中它对提高产品质量、降低生产成本、防止 环境污染、提高生产效率等具有特殊的潜在能力。目前功率超声广泛应用于机械、 电子、电器、冶金、化工、医药、能源、材料、纺织、农业、环保等许多重要领 域。4 0 年来我国功率超声经过新老几代人的努力，不仅在基础研究上取得了许多 重要成果，学术活动也十分活跃，其新设备在国民经济建设中发挥了重要作用。 我国从8 0 年代中期开始各功率超声研制单位基本上停止生产电子管或可控 硅管超声波发生器，继而用大功率高频开关晶体管替代了电子管。放大器形式大 多以自激d 类半桥或全桥为主，他激式的大功率模块放大器也不断出现。许多电 路中都设有频率自动跟踪、过压、过流、相位差保护电路，部分还设有匹配指示 电路。近来还研制出频率、功率、保护电平等参数能自动调整的微机控制的超声 波发生器，使功率超声设备向着自动化道路又前进了一大步。目前我国功率超声 发生器已研制出频率从十几k h z 至u 几个m h z ，功率从几十瓦到几十千瓦，应用在各 类超声波设备上。 从目前国内的超声电源来看，主要使用的模拟芯片输出p w m 控制超声电源因 其自身的缺点很难适应形状复杂精度要求高的硬脆材料工件的加工，所以数字控 制方式逐渐运用在超声电源上，直接采用微处理器产生p w m 控制超声电源越来越 广泛n ”，而且随着具有高速运算性能的单片机不断涌现，例如美国m ic r o c h i p t e c h n o l o g y 的p i c ( p e r i p h e r a li n t e r f a c ec o n t r o l l e r ) 单片机就是其中之一， 可以有效解决工作频率与控制精度这一对矛盾。 p i c ( p e r i p h e r a li n t e r f a c ec o n t r o ll e r )是美国m i c r o c h i pt e c h n o l o g y ( 微芯科技) 公司所生产的8 位单片机系列产品型号的前缀。p i c 系列单片机是一 种具有分散( 多任务) 功能的、面对控制应用的一种微处理器。它采用精简指令 集、哈佛总线结构、二级流水线取指令方式。由于该系列单片机引用了用于小型 计算机的双总线和两级指令流水结构，该单片机具有指令少、执行速度快等优点。 p i c l 8 f 系列采用的是1 6 位的r i s c 指令系统，是目前世界上运行最快的8 位单 片机，具有一个指令周期内( 最短1 6 0 n s ) 完成8 位乘8 位二进制乘法的能力，可 以在一些需要高速数字运算的场合取代d s p 芯片。此外它还具有丰富的i o 口控制 功能，可外接扩展的e p r o m 和r a m ，已经成为目前8 位单片机中性能最高的机种之 l o 第一章绪论 除了超声电源的驱动单元外，还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。 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 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环节。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，换能器工作在谐振状态。由此可见，匹配的好坏直接影响 着功率超声源的输出和效率。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 5 2 课题的研究内容及研究目标 本课题研究大功率数字超生发生器，作为超声磨削加工的一个重要装备，其 主要内容包括： 1 、对大功率超声电源全桥逆变电路的研究，运用单片机控制技术实现 超声电源的数字控制，设计出以p i c l 8 f 4 5 8 为核心的大功率数字超 声电源。 2 、研究超声电源与换能器的匹配原理，分析换能器的工作特性及其谐 振方式，设计出匹配效果良好，工作稳定的超声电源。 3 、研究超声电源的自动频率跟踪原理，综合现有频率跟踪电路的优点， 设计带有相位检测电罡箨和p i e 堕片机相结合的频率跟踪电路。 广东工业大学工学硕士学位论文 第二章超声电源的总体方案设计 超声波电源是超声磨削系统的重要组成部分，其发展跟雾化，清洗机用的超 声电源一样，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，但是其缺点很多，功耗大、寿命短、效率低、电源成本高、体 积大。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，其优点是电源效率提高、体积和重量下降。但这种电源 的缺点也很明显，功耗较大，体积大、重量重，不易使用现代微处理器来处理， 所以应用也越来越少。 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