（检测技术与自动化装置专业论文）基于dsp的新型超声波电源的研究.pdf

摘要 摘要 目前，功率超声技术在工业领域有着日益广泛应用，诸如超声清洗、加工、焊接等。 本文在查阅和分析国内外有关参考文献、资料的基础上，针对超声波电源中存在的频率 跟踪、功率控制、匹配网络设计等问题进行研究。在电源工作过程中，由于负载温度的 变化等原因会产生谐振频率的漂移。为保证系统高效工作，设计出租精复合的频率跟踪 方案，采用扫频软件方法实现频率粗跟踪，采用硬件锁相环实现精跟踪。这两种方法的 结合既保证在较宽频率的变化范围内实现频率自动跟踪，又保证跟踪的快速、准确。为 适应负载变化的要求，采用软开关的移相脉宽调制( p h a s es h i f tp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ， 简称p s p w m ) 方法，实现系统的输出功率连续可调。 本文的主要研究内容包括：( 1 ) 在分析超声振动系统电声特性和工作特性的基础上， 建立超声波电源总体设计方案，采用全桥逆变器作为超声振动系统的功率转换主电路。 ( 2 ) 换能器振幅和电流之间存在着固定对应关系，采用软开关p s p w m 策略实现功率 调节。( 3 ) 锁相环频率跟踪的过渡过程时间长，使得环路进入锁定状态需要相对较长的 捕获时间及同步过程；在稳态工作时，如果负载变化，可能导致锁相环电路失锁。为此 采用粗精复合的频率跟踪方案。( 4 ) 建立超声波电源的主电路，包括整流、滤波、全桥 逆变器和匹配网络，计算其参数，选择元器件，实现超声频交流电的输出。同时，设计 检测、驱动和保护等电路。( 5 ) 采用d s p 芯片代替单片机，设计软、硬件，实现频率 跟踪和功率调节控制，提高系统的实时性。( 6 ) 设计过流、过压及超温保护，开关管的 阻容吸收电路，保证系统稳定、可靠运行。 在理论分析和电路设计的基础上进行仿真和实验，其结果表明，本设计能够较好地 实现谐振频率的自动跟踪，显著提高换能器的转换效率，降低超声波电源的功率损耗。 同时能实现输出功率连续调节和各种保护功能，工作安全可靠，性能良好，适应性强， 具有重要的推广应用价值。 关键字：超声波电源粗精复合频率跟踪移相控制锁相环匹配网络 a b s t r a e t a b s t r a c t c u r r e n t l y ，p o w e ru l t r a s o n i ct e c h n o l o g yp l a y s a nw i d er o l ei nt h ei n d u s t r i a lf i e l d s i n c r e a s i n g l y , s u c ha su l t r a s o n i cc l e a n i n g ，m a c h i n i n g ，w e l d i n g , e t c t h ep a p e rr e s e a r c ho nt h e f r e q u e n c yt r a c k i n g ，p o w e rc o n t r o l ，m a t c h i n gn e t w o r ki n u l t r a s o n i cp o w e r , b a s e do nt h e d o m e s t i ca n df b r e i 鲈r e f e r e n c e d u r i n gt h ew o r k ，t h er e s o n a n c ef r e q u e n c yw i l ld r i f td u et ot h e c h a n g eo f t h el o a dt e m p e r a t u r eo ro t h e rr e a s o n s t oe n s u r et h eh i 曲e f f i c i e n c yw o r k , t h ep a p e r d e s i g n sr o u g ha n dr e f i n ec o m p o s i t ef r e q u e n c yt r a c k i n gs t r a t e g y i ta d o p t ss e a r c h i n gt h e m a x i m u me l e c t r i c i t yt or e a l i z et h er o u g ht r a c k i n ga n dt h eh a r d w a r ep h a s el o o pl o c kt o a c h i e v et h er e f i n et r a c k i n g t h ec o m b i n a t i o no ft h et w om e t h o d se n s u r e st h ef r e q u e n c y t r a c k i n go faw i d er a n g e ，i nt h em e a n w h i l e ，e n s u r e st h ef a s ta n da c c u r a t et r a c k i n g t oa d a p t t h el o a dd e m a n d ，t h eu l t r a s o n i cp o w e rd e s i g np o w e rr e g u l a t i o nf u n c t i o na n da d o p ts o f ts w i t c h p h a s e 蛳矗p w mm e t h o dt oa d j u s tt h eo u t p u tp o w e rc o n t i n u o u s l y t h em a i nr e s e a r c ho ft h ep a p e ri n c l u d e s ：( 1 ) g i v i n gt h ed e s i g no ft h eu l t r a s o n i cp o w e r b a s e do nt h ee l e c t r o - a c o u s t i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dp r o p e r t i e s ，a n da d o p t i n gaf u l l - b r i d g ei n v e r t e r a sp o w e rc o n v e r s i o nc i r c u i to ft h eu l t r a s o n i cv i b r a t i o ns y s t e m ( 2 ) a d o p t i n gt h es o f ts w i t c h p s - p w mt or e g u l a t et h eo u t p u tp o w e rd u et ot h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea m p l i t u d ea n dt h e c u r r e n to ft h et r a n s d u c e r ( 3 ) p l lf r e q u e n c yt r a c k i n gh a st r a n s i t i o np r o c e s s ，a n dn e e dal o n g t i m et oc a p t u r ea n ds i m u l t a n e o u sp r o c e s s d u r i n gt h es t a b l ec o n d i t i o n , t h ec h a n g i n gl o a dm a y l e a dt ou n l o c ko ft h ep l l t h ep a p e ru s e dt h er o u g ha n dr e f i n ec o m p o s i t ef r e q u e n c yt r a c k i n g s t r a t e g y ( 4 ) e s t a b l i s h i n gt h em a i nc i r c u i to ft h eu l t r a s o n i cp o w e rs y s t e m ，i n c l u d i n gr e c t i f i e r , f i l t e r , f u l l - b r i d g ei n v e r t e ra n dm a t c hn e t w o r k ，c h o o s i n gt h ec o m p o n e n t st oa c h i e v eu l t r a s o n i c a co u t p u t ，d e s i g n i n gt h ed e t e c t i o n ，d r i v i n ga n dp r o t e c t i o nc i r c u i t s ( 5 ) u s i n gt h ed s p i n s t e a d o ft h em c u , a n dd e s i g n i n gt h es o f h , v a r ea n dh a r d w a r eo ft h ec o n t r o ls y s t e mt oa c h i e v et h e f r e q u e n c yt r a c k i n ga n dp o w e rr e g u l a t i o n ，w h i c hi m p r o v e dt h er e a l - t i m es y s t e m ( 6 ) d e s i g n i n g t h eo v e r - c u r r e n t ，o v e r - v o l t a g ea n do v e r - h e a tp r o t e c t i o n ，a n dr e s i s t i v ea n dc a p a c i t i v ea b s o r b i n g c i r c u i to f t h ep o w e rs w i t c ht oe n s u r et h es y s t e mi ns t a b l ea n dr e l i a b l ec o n d i t i o n o nt h eb a s i so ft h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc i r c u i td e s i g n ，t h er e s u l tp r o v e dt h ed e s i g n c o u l da c h i e v et h er e s o n a n tf r e q u e n c yt r a c k i n ga u t o m a t i c a l l y , i m p r o v e dt h ec o n v e r s i o n e f f i c i e n c yo ft h et r a n s d u c e ra n dr e d u c e dt h es y s t e ml o s s i na d d i t i o n , i tc a n r e a l i z et h ep o w e r r e g u l a t i o nc o n t i n u o u s l ya n da c h i e v ea l lk i n d so fp r o t e c t i o nf u n c t i o n n ee x p e r i m e n tp r o v e d t h es a f e t ya n dr e l i a b i l i t y , e x c e l l e n tp e r f o r m a n c e ，h i g hr e l i a b i l i t ya n da d a p t a b i l i t yd u r i n gt h e w o r k c o n s e q u e n t l y ，t h es y s t e mi sw o r t h w h i l et or e c o m m e n d k e y w o r d s ：u l t r a s o n i cp o w e r , r o u g ha n dr e f i n ec o m p o s i t ef r e q u e n c yt r a c k i n g ，p h a s es h i f t c o n t r o l ，p h a s el o c k e dl o o p ，m a t c h i n gn e t w o r k l l 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：同年宇月1 6 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：蜱导师签名：雄 日期：扫可年；月易e l 第一章绪论 第一章绪论 超声技术在工业中的应用开始于2 0 世纪初，随着超声技术的成熟，其应用越来越 广泛。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，及各种功率超声技术和应用。 1 1 功率超声技术的现状 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、生物工程及电子等领域【l 】。如今，功率超声技术已成为 国际上公认的高科技领域，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，它必将在国国民经济建设中发挥越来越重要的作用，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。近几十年来，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、基本效应的研究和技术应用取得 较大的进展，国内些传统的加工、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、超声马达等f 2 叫。 1 、超声清洗 超声清洗主要利用超声空化作用，在声场作用下存在于液体中的微气泡会产生高频 振动，当声压达到一定值时气泡迅速增长然后突然闭合，瞬时产生激波，在其周围产生 上千个大气压力和几千度的高温，足以破坏不溶性污物而使它们分散于溶液中。一方面 能破坏污物与被清洗表面之间的吸附；另一方面引起污物层的疲劳破坏而脱离，气体型 空化能对固体表面进行撩洗。清洗效果的好坏要选择一个适当的功率与频率，清洗液的 温度，清洗物品的安装位置及清洗溶液的选择都有一定的关系。 2 、超声悬浮 超声悬浮技术是在重力空间利用强驻波声场中的幅射压力与固体、液体微粒或生物 细胞的重力相平衡，而使其稳定悬浮在声场中或在空中移动的技术。 由于声悬浮技术无机械支撑，对悬浮体不产生附加效应，因此在物理学、流体力学、 生物学、材料学等领域都有广泛的应用。声悬浮技术的具体应用有高纯度的材料的制备、 液体及生物介质的力学性质研究等。 3 、超声化学 超声化学是声学与化学相互渗透而发展起来的- - f - i 新兴的边缘交叉学科，是声学和 化学的前沿学科之一。超声化学主要是利用超声加速和控制化学反应，提高反应产量、 降低反应条件及引发新的化学反应等。 超声化学的出现受到声学界和化学界人士的高度重视，欧洲及美国科学家几乎每年 召开关于声化学方面的研讨会，并于1 9 9 4 年创办国际超声化学杂志，引起学术界 关注，同时激起企业界的强烈兴趣。预计随着研究领域的深入和扩大，其工业化的程度 必将进一步得到提高。 江南大学硕士学位论文 4 、超声马达 超声马达的模型于2 0 世纪7 0 年代提出并得到迅速的发展。与电磁马达不同，超声 马达是通过换能器将电能转换为某种模式的机械振动，然后通过定子与转子之间摩擦力 使转子转动。按照定子振动波形，超声马达有行波、驻波和表面马达之分。超声马达的 优点是转速低，力矩大，响应快，定位精度高，没有电磁干扰，运行无噪声，易于控制。 超声马达的优点使其在航空、航天、汽车、自动聚焦照相机、微机器人、计算机、仪器 仪表等高技术领域成功应用。有关专家预言，2 1 世纪将是超声马达在全世界广泛应用的 时代，将有可能取代微小型的传统马达。 5 、超声治疗与保健 超声治疗主要是指超声理疗和超声外科，其生物物理基础包括机械作用、热作用、 物理效应、化学效应、生物效应及空化效应等1 6 。到目前为止，超声治疗应用范围包括 呼吸消化系统、循环系统、神经系统、肌肉损伤、劳损、肩、劲、腰腿痛及骨关节疾病， 超声的作用主要是消炎、止痛。超声外科如超声外科手术、超声治疗癌症、超声溶血栓、 超声粉碎结石、超声针灸、超声粉碎脂肪减肥、超声穴位治疗及超声洁牙等。 1 2 电力电子及控制技术在超声波电源中的应用 1 2 1 电力电子技术的应用 超声波电源是对超声换能器提供超声频的交流电信号，将电能转化为超声波能量的 电路装置，又称为超声波驱动电路。 随着电子技术的迅猛发展，超声波电源所用功率器件经历电子管、晶闸管、晶体管 和i g b t 四个阶段 7 1 。近年来在电路设计中使用新型拓扑结构和新型功率器件，超声波 电源的效率、可靠性、负载适应性、产品一致性得到迸一步提高，体积也随之减小。 开关型超声波电源发展与电力电子器件紧密相连f 8 】。2 0 世纪5 0 年代，双极型开关 管应用于开关电源，线路成熟，价格低，缺点是双极开关管上升和下降时延较大，频率 不能太高，主要用于开关频率不高场合。8 0 年代采用v d m o s 管，开关频率高、驱动 简单、抗击穿性好，缺点是导通电阻大，在高压大电流的场合功耗较大。主要用于开关 频率高、功率小的场合。9 0 年代采用i g b t ，其工作电压和电流定额明显增大，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。 1 2 2 控制技术的应用 随着电力电子器件的发展，电路控制技术也在飞速发展。控制电路最初以相位控制 为手段、由分立元件组成，发展到集成控制器，再到计算机控制，向着高频率、低损耗 和数字化的方向发展。 模拟控制电路控制精度低、动态响应慢、参数整定不便、温度漂移严重、易老化等 缺点。专用集成控制芯片的出现大大简化电路的控制线路，提高控制信号的开关频率和 电路的可靠性。但由于阻容元件的存在，元件参数的精度和一致性、元件的老化等问题 仍然存在。此外还存在着功耗较大、集成度低、控制不够灵活，通用性不强等问题1 9 1 。 2 第一章绪论 用数字化控制代替模拟控制，能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，便于通过软件程序的改变，方便地调整控制方案和实现 多种新型控制策略。同时可减少元器件数目、简化硬件结构。此外还可实行运行数据的 自动储存和故障自动诊断，有利于实现电力电子装置运行的智能化i l o l 。 超声波电源应用数字化控制技术一般有三种形式。 ( 1 ) 采用m c u 控制 m c u 的特点是具有速度快，功能强、效率高、体积小，性能可靠、抗干扰力强等 优点，应用广泛。在超声波电源中，单片机主要用作数据采集和运算处理、电压和电流 调节、p w m 信号生成、系统状态监控和故障诊断等，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 转换器和功率开关模块实现脉宽调制。 单片机的工作频率与控制精度是一对矛盾，且处理速度很难满足高频电路的要求。 ( 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，其内部集成波特率发生器和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m c u 相比，d s p 的优势表现在数据处理能力强、高 运算速度，能实时完成复杂运算、单周期多功能指令、p w m 分辨率高，采样周期短。 d s p 属于精简指令系统计算机( r i s e ) ，采用改进的哈佛结构，具有独立程序和数据 空间，允许同时存储程序和数据。内置高速的硬件乘法器，增加多级流水线，使其具有 高速的数据运算能力。单片机为复杂指令系统计算机( c i s c ) ，采用冯诺依曼结构，程序 和数据在同一空问存储，同一时刻只能单独访问指令或数据。单片机a l u 只能做加法， 而乘法需要由软件来实现，因而需要占用较多的指令周期，速度比较慢。 d s p 同样也存在一些局限性，如采样频率的选择、p w m 信号频率及其精度、采样 延时、运算时问以及精度等，这些因素会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。一片f p g a 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f v h d l ) 来对系统进行设计，采用三个 层次的硬件描述和自上至下的设计风格，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【i l 】。 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；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、任务较固定时，采用f p g a 更有优势。 1 3 国内外超声波电源研究的现状及发展趋势 1 3 1 国内外超声波电源的发展现状 最早的超声波电源应该是1 8 8 3 年f g a l t o n 发明的气哨。第一次世界大战期问 l a n g e v i n 发明的钢一石英钢结构的夹心压电换能器标志着在低频大功率超声设各上 江南大学硕士学位论文 取得重大进展。在世纪2 0 年代，w , r m a s o n 发明变幅杆，它与换能器连接可获得高强度 超声波振动，开创功率超声波在固体媒奔中的应用【1 2 1 。这些功率超声理论的应用有超声 清洗、焊接、加工、雾化、乳化等。7 0 年代中期，美国在超声加工、焊接等方面已处于 生产应用阶段，后来形成标准。德国和英国对功率超声工业应用进行大量研究工作，并 积极应用于生产。9 0 年代，新型智能化超声波电源得到迅速发展，并应用于各种领域。 我国功率超声的研究始于2 0 世纪的5 0 年代初，以研究超声波加工、清洗、焊接等 应用为先导。从2 0 世纪8 0 年代开始，超声波电源使用大功率高频开关管替代电子管或 可控硅，放大器形式大多以d 类半桥或全桥为主，电路中设频率跟踪、过压、过流保护 电路。1 9 9 5 年华南理工大学利用晶体管研制出5 0 w - i o k w 1 k h z - 3 2 k h z 超声波电源。1 9 9 6 年哈尔滨工业大学用v m o s 研制出1 0 0 w 2 5 k h z 超声波电源。1 9 9 9 年重庆大学、上海 交通大学、哈尔滨工业大学先后成功采用m o s f e t 研制出不同频率、功率超声波电源。 今来还研制出频率、功率保护电平参数能自动调整微机控制的超声波电源，使功率超声 设备向着自动化的方向发展。目前国内超声波电源已研制出从十几k h z 到几个m h z ， 功率从几十w 到几十k w 。随着换能器，电力电子技术和现代控制理论研究和应用的 不断发展，超声波电源已经成功地应用在各类超声设备上，如超声清洗、焊接、雾化、 研磨、医疗等 1 3 - 1 4 1 。 超声波电源发展依赖于电子、信号测量和控制技术的发展，经历一个从早期电子管 到今天的采用现代电力电子技术的超声波电源的演变过程。 1 早期的功率超声波电源 早期的超声波电源以电子管作为功率放大器件，由两部分组成：高频振荡器和超声 辐射器。高频振荡器按电感反馈线路连接，频率有电容器调谐到石英固有频率，或通过 电感改变振荡器与超声辐射器之间的耦合来改变输出功率。以可控硅和晶体管为器件的 超声波电源，其缺陷是工作频率上限低( 约为2 5 k h z ) ，抗干扰能力弱，电气噪声容易 引起误触发，并且缺乏保护措施。 2 集成化功率超声波电源 耐高压大电流及开关速度快的新型大功率器件m o s f e t 、i g b t 、g t o 、m c t 等的 出现和广泛应用，使得发生器的设计变得更为简单，迸一步实现设备的小型化。发生器 采用p w m 技术改变输入功放电压，使得功率调节成为可行。电声参数的测量仍是功率 超声领域的难题，目前采用的方法有瓦特计，导纳圆法和量热法，但这些方法只能用于 发生器输出标定，均不能实现在线测量。 3 智能化功率超声波电源 传统的频率跟踪和功率调整都是通过纯硬件实现，由于硬件复杂，可靠性很难保证， 系统很难实现柔性。特别在一些复杂场合，对系统的控制品质和远程控制有苛刻的要求， 而远程控制、工作方式、工作频率和功率的自动调整是整个电路变得更加复杂。近年来， 电子v l s i 技术的发展，特别是m c u 、d s p 的应用，推动电源的数字化和程序化进程。 新一代的智能型超声波电源的研制成功为功率超声的推广应用开创一个新的时期。 4 第一章绪论 1 3 2 超声波电源的发展趋势 超声波电源是逆变电路典型应用，随着新的电力电子器件发展、新的控制理论提出 及各行业上的需求，未来的超声波电源发展趋势主要有以下几个方面： ( 1 ) 高功率因数、低谐波污染 随着i e c l o o o _ - 3 2 标准的颁布和强制执行，引入功率因数校正，提高系统的输入 功率因数、减小输入电流谐波分量，改善网侧电流波形，提高电网效率，成为当前电力 电子技术应用的发展趋势。 ( 2 ) 大容量化、通用化 新型功率器件发展和超声加工各行业的要求，存在着需要大功率超声波电源加工， 因此超声波电源的大容量化仍需进一步的发展。同时，为适应各行业加工需求，超声波 电源的系列化和通用化成为新的发展要求。 ( 3 ) 小型化、低成本 技术的成熟和器件的发展，促使超声波电源体积小型化。节约原材料，降低成本， 提高系统的性价比。 ( 4 ) 集成化、智能化 将新型处理器芯片( 如d s p 、c p l d ) 逐渐应用到超声波电源中，使系统运行具有 优良稳定可靠性，并具有各种功能，如人机交互、远程控制、故障在线检测和自动诊断、 过压过流和过热保护。因此集成化和智能化成为新型超声波电源的发展趋势。 1 4 选题依据 当前超声波电源应用中急需解决的关键技术问题如下： ( 1 ) 实时的频率自动跟踪 换能器由于负载变化剧烈或刚度变化、发热、老化、磨损、疲劳等原因而发生变化， 使得换能器的谐振频率漂移，如果发生器的工作频率不随之改变，换能器将工作于失谐 状态而使效率降低，甚至停振。因此，需要采取措施使振荡器的频率随着换能器的谐振 频率的变化而变化，保证换能器始终工作在谐振状态，即频率跟踪。 ( 2 ) 输出功率可以调节，开关损耗尽可能小 超声加工的过程中，换能器的阻抗随着负载的变化而变化，要能实现输出功率可调。 同时，在很多场合下，发生器的输出功率自动跟踪载荷变化，维持换能器的振幅稳定。 ( 3 ) 良好的阻抗匹配网络，实现最大功率的传输 超声波电源负载使用压电型或磁致伸缩换能器，存在着很大静态电容或电感量，需 一个阻抗网络使之调谐。此外开关型半导体输出为方波，含有大量的谐波成分，合理的 匹配网络能有效地滤除谐波成分，提高电声效率。 针对上述存在的问题，本文采用粗精复合频率跟踪策略实现系统的频率自动跟踪， 采用p s p v m 调功方式实现输出功率调节，同时设计阻抗匹配网络以及各种保护功能， 研制一台功率超声波电源。 江南大学硕士学位论文 1 5 论文的研究内容及任务 本文是在理论研究和仿真分析的基础上，研制一种新型超声波电源，主要完成如下 几个方面的工作： ( 1 ) 针对超声波电源工作过程中存在频率漂移问题，采用粗精复合频率跟踪策略， 粗跟踪采用软件实现，精跟踪采用硬件实现。 ( 2 ) 将软开关p s p w m 策略应用到超声波电源中，实现输出功率的调节，同时减少 开关损耗。 ( 3 ) 对所设计超声波电源进行详细分析，确定整个系统方案，主电路元器件参数 计算和型号选择，描述硬件系统的具体实现方法，包括信号检测及调理电路、匹配网络 ( 调谐和阻抗匹配) 、驱动电路及各种保护电路。 ( 4 ) 采用基于d s p 芯片数字化控制技术，实现p s p _ | i y m 控制算法，搜索最大电流的 粗频率跟踪策略，及各种保护等功能。 6 第二章超声波电源总体方案的确立 第二章超声波电源总体方案的确立 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，另一种利用流体作动力产生超声，如各种气哨和液哨。目前广泛使用第一种 方法，即采用超声波电源产生超声。 功率超声波电源系统由两部分组成，即超声波电源和超声振动系统。超声波电源的 作用是将电网工频交流电转变成超声频的振荡电流，并通过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的超声振动，经过变幅杆放大传递给外界负载 做功。 2 1 超声波电源的工作原理 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 振荡放大型超声波电源的原理如图2 1 所示，主要由信号发生器振荡器、功率放大 器和匹配网络构成【”】。 图2 1振荡放大型超声波电源 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 信号发生器的作用是产生所需频率的电信号。传统的信号发生器采用分立元件构成 振荡器，如l c 、r c 振荡器，或由反馈网络构成的自激振荡功率源，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、频率稳定性差的缺尉”j 。 ( 2 ) 功率放大器 功率放大器是将振荡信号放大而达到一定的功率输出。当前广泛使用晶体管放大器 及晶体管开关型放大器。其优点是体积小、重量轻且效率高。要提高输出功率，除提高 器件性能外，还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 元输出迭加起来得到大功率输出，各功放互相隔离。丁类放大电路是工作在开关状态， 电路的效率高，输出为方波，只有在输出端接一谐振网络后，才能得到正弦波。 ( 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，只有工 作在最佳负载值时，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。 通常采用变压器作阻抗变换。同时由于换能器是容性负载，需一个与之相反性质的电抗 元件来“抵消”其中的电抗分量，即所谓调谐，这样才能提高超声波电源的输出声功率。 江南大学硕士学位论文 2 1 2 逆变型 如今超声波电源主要采用逆交器形式，高频交流电的产生和频率调整是通过逆变器 来实现的”8 1 。逆变型超声波电源原理如图2 2 所示，开关管的工作频率由换能器的谐振 频率决定。 图2 2 逆交型超声波电源 工频交流电整流、滤波成直流电，并送到桥式递交器，将直流电压逆变成交流电， 经过高频变压器的匹配，接至负载换能器。为实现负载高效率地工作，使换能器的振幅 最大，并始终工作在谐振状态，电路须采用频率跟踪，实时的调节p w m 输出频率，经过 驱动电路，控制逆变桥开关管的工作频率，保证系统始终工作在最佳状态。 电路中一般选用i g b t 、m o s f e t 功率器件，将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。 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，且高频变压器仅工作在第一象限，变压器的利用率低，滤波电容需承受 较大电流；推挽式电路器件少，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，开关管电压不商， 驱动简单，抗电路不平衡力强，输出功率小，适用于中小功率逆变器；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。 振荡放大型用于早期超声波电源设计，其特点是体积小，振荡器部分频率稳定性差， 不易调试。逆变型是当前使用较为广泛的拓扑，可用于设计大功率超声波电源。本课题 设计超声波电源的输出功率在3 k w 左右，选用全桥逆变型方式较为合适，逆变器担负着 逆变和功率调节功能。 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。 图2 - 3 压电换能器等效电路图 3 第二章超声波电源总体方案的确立 其中，g 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) ；乙为动态电感， 由换能器质量引起；q 为换能器引起的动态电容；凡为负载反映的动态电阻。一般， 由r 、c o 组成的电路称为电学臂，由l 、c 舯、心组成的电路称为机械臂。 根据电路理论，压电换能器的阻抗为： z o = r 。+ j x o ( 2 - 1 ) 式中电阻分量见为 驴再f 丽r r a 式中电抗分量为 = ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) 当信号频率q2 丽1，厶c 艉支路串联谐振，q 称为串联谐振频率；当信号频率 等于( o p =，k q 支路并联谐振，称为并联谐振频率 卜 厂限j 厂 厂 鸭 f 图2 - 4 谐振点附近电抗与频率特性图 图2 - 5串联谐振频率附近的相频特性 谐振点附近电抗与频率特性如图2 - 4 示，当c o ，时电路呈容性；当q 珊。时 电路呈感性。当= 缈。时，电路呈纯阻性，f 电流与u 电压同相位。串联谐振频率附近 相频特性如图2 5 所示。 在实际超声加工中，外界工况的变化，如温度、刚度、负载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发生漂移。为提高工作效率，激励的频率必须 要跟踪谐振频率的变化。 9 江南大学硕士学位论文 2 2 2 调谐匹配电路的分析 换能器等效电路如图2 6 示。压电陶瓷型换能器为容性负载，为在换能器两端得到 正弦波信号，常将谐振电感厶与换能器串联，使谐振电感厶与换能器极板电容c 0 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 谐振电感厶与换能器并联，不但在换能器两端得到正弦信号，且在负载得到同样功率时， 次级电流无功分量大大减少。谐振电感厶与换能器串联等效电路和谐振时等效电路分别 如图2 6 ( a ) 和( b ) 所示。谐振电感三。与换能器并联等效电路和谐振时等效电路分别如图 2 - 7 ( a ) 和7 ( b ) 所示。 t - 0 - - ，n t 牛c onr m l1 碱+ 粼= 南忙器p 当= q = 赤时，电路处于谐振状态，电抗x = 砜一而( o c o r , n 2 - o 其中q 厶2 而c i o r 面m 2 知肛南2 专心 ， 第二章超声波电源总体方案的确立 从分析可以看出，谐振电感k 与换能器串联，使换能器的等效输入阻抗为原来的 l r ，且呈纯电阻性，电阻值降低，起到阻抗变换作用 lo忭 土 f1 ( a )( b ) 围2 7 谐振电感上n 与换能器并联的等效电路 并联匹配电感等效电路如图2 - 7 ( a ) 所示，为了便于计算分析，采用2 7 ( b ) 图分析， 当谐振时，厶、c 埘、支路等效为一个电阻如，负载的等效输入导纳为： y = 志+ + 百1 = 石1 + _ ，( 蚂一瓦1 ( 2 7 ) j c o c o 当缈= c o s = 7 ；一时，电路处于谐振状态，电纳b = r _ o c o 一= 0 ，c o s 为串联谐振 工，c 。 “ 角频率，等效输入阻抗 z = 心( 2 8 ) 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 x 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 功率控制系统方案的比较与选择 在超声波电源系统的主电路结构和功率控制原理的基础上，分析比较各种功率调节 方案，选择一种主电路结构、开关损耗小、输出电流谐波分量小、输出功率因数高、对 电网谐波电流污染小的功率控制方案“9 1 。 超声波电源输出功率的调节方案主要有整流侧、直流侧和逆变侧三种方式调功，其 系统主电路由a c d c 、d c d c 和d c a c 三部分组成，如图2 8 所示。功率的调节可以 在这三个部分的任一个环节进行。 图2 - 8 超声波电源系统主电路等效框图 江南大学硕士学位论文 整流部分调节以晶闸管相控整流为主，直流变换调节以斩波为主，逆变部分调节有 脉宽调制( p w m ) 、调频( p f m ) 、脉冲密度调带i j ( p d m ) 、移相调银j ( p s p w m ) 等方式。 2 3 i 整流侧晶闸管相控a c d c 调功 整流部分采用相控整流调节输出直流电压，可以是半控或全控整流。可控硅整流的 缺点是输出的直流电压中含有较大的脉动成分，使输出滤波困难，另外，相控整流使得 交流电网的输入电流并非正弦波，交流侧的谐波含量高，输入功率因数低，对电网有严 重的谐波电流污染【2 0 1 。 对单相相控整流电路应用p s p i c e 软件进行仿真分析，其网侧输入电压、电流及输出 电压仿真波形如图2 - 9 所示，其谐波分析如图2 1 0 所示。 孵睁p髹猕套浮豁裕赫赫。每释 簿 。 辫鞴 篾糕。罐誊 f n o，哺0 锹 磊 波辩 i 一瀚 一 t ： 噼害 缝 i 且l ； 圈 溺f 蛩j 一孵1一一囊叫h 睁一- 黔辩i 蛙= = = 嚣掣j 姓 0 ；妊， ； j 【；7 坦： v ： z - ；，v i ； 。，。：+ 。；麓。，。，j 嚣。， 6 “。”“。“”“。 t m 图2 - 9 输入电压蚝，电流及输出电压仿真波形 k 0 乙 * ； 陆 蹶触莛黢 _ 鼻 足赶点：爻互 墨。盎；。， k ； ii r v ， ，一q 图2 1 0 单相品闸管相控整流电路输入电流谐波分析 仿真证明，相控调功电路输入功率因数很低，输入电流波形为尖峰脉冲，畸变很大， 谐波含量很高。 2 3 2 直流侧斩波d c d c 调功 直流变换采用斩波的方法，调节逆变器的输入电压来改变输出功率。这种方案可与 不控整流相结合应用，降低系统对电网的污染，且提高输入功率因数【2 ”。 对直流斩波电路进行p s p i c e 仿真分析，其输入电压和输出电压仿真波形如图2 1 1 所示，斩波器件两端电压甜，及其流过电流易仿真波形如图2 1 2 所示。 1 2 第二章超声波电源总体方案的确立 i ：；i t 漉输入 i 一 ： 中 j 辅 l i 电压u ： 亍 z ； l ! 图2 - 1 1 直流输入电压玑，输出电压u a 仿真波形图 面a 矬由e e ；， 二二t 一f 一9 一_ ， ：l ； 。 b - - - ；叫0 0 髭 z 自j 电流屯i ，i 。 i _ ? ? ? 中二“。j l ；：ii _ 鱼 宅! ： 。j 、二二r 一。 7 5 ，糯，6 0 0 0 ( r 1 $76 0 1 0 0 , s7 6 0 0 “7 6 2 2 0 0 m s7 5 1 e 0 “7 ，6 2 0 0 0 m s7 雠0 5 5 o i c 2 5 ，ve z 5c z 5 ” 图2 1 2 斩波器件两端电压u z l 及其流过电流艺l 仿真波形图 从仿真波形可以看出，在开关器件z 1 开通时，其开通电压、电流均不为零，存在 较大开通损耗；在z 1 关断时，其两端电压和流过的电流亦不为零，工作在硬开关状态， 存在较大的开关损耗大，效率低，e m i 也较大。 2 3 3 逆变侧d c c 调功 逆变调功是通过调节输出电压的频率来调节负载的功率因数，或调节输出电压的有 效值的大小( 调节占空比) 来实现功率调节，其调节方案有多种。常规的逆变调功方式 主要有脉冲频率调制( p f m ) 、脉冲密度调制( p d m ) 、脉宽移相调制( p s p w m ) 等。 ( 1 ) p f r 调频调功 p f m ( p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n ) 通过改变逆变器工作频率，从而改变负载等效 阻抗以达到调节功率输出的目的1 2 2 1