（电力电子与电力传动专业论文）超声波电源系统平台研制.pdf

超声波电源系统平台研制 a b s t r a c t s i n c et h ei n v e n t i o no ft h eu l t r a s o n i ct e c h n o l o g y i th a sb e e na p p l i e dt om a n ya r e a so fn a t i o n a l p r o d u c t i o n sa n da c h i e v e d9 0 0 ds o c i a la n de c o n o m i cb e n e f i t s a st h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no f u l t r a s o n i ct e c h n o l o g yi no u rc o u n t r ys t a r t e dl a t e rt h a ns o m eo t h e rc o u n t r i e sa n ds t i l lh a sm a n yg a p s t h es t a t eo ft h et e c h n o l o g yi sf a rf r o ms a t i s f y i n go u rc o u n t r y sr e q u i r e m e n t s t h u s t h e r ei si m p o r t a n t p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ef o rt h ed e e p e rs t u d yo f t h eu l t r a s o n i ct e c h n o l o g y t h eu l t r a s o n i cp o w e r s u p p l yw h i c h i sa l li m p o r t a n tc o m p o n e n to fu l t r a s o u n de q u i p m e n tp r o v i d e s e l e c t r i cp o w e rt ot h eu l t r a s o n i ct r a n s d u c e r s t h ei m p e d a n c ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep i e z o e l e c t r i c t r a n s d u c e ri sa n a l y z e di nt h ep a p e ra n dt h em a t c h i n ge l e c t r i cc i r c u i ti sd e s i g n e dt oc o m p e n s a t et h e p o w e rl o s sc a u s e db yt h ec o n d e n s e rc o m p o n e n to ft h et r a n s d u c e r a st h eu l t r a s o n i ct r a n s d u c e r s r e s o n a n tf r e q u e n c yw i l ld r i f tw h e ni t sw o r k i n ge n v i r o n m e n tc h a n g e s r e s e a r c h e so ns o m ef r e q u e n c y t r a c k i n gm e t h o d sw h i c hc a nb eu s e di nt h eu l t r a s o n i cp o w e rs u p p l ys y s t e ma r em a d ei nt h ep a p e ra n d t h ep h a s ec o n t r o lm e t h o di su s e da si t sf r e q u e n c yt r a c k i n gm e t h o d f o rt h er e a s o nt h a tt h ef e e d b a c k l o o pi nt h eu l t r a s o n i cp o w e rs u p p l yw h i c hu s e st h es e n s o r st os a m p l es i g n a le x i s t sr e s p o n s ed e l a y w h i c hc a nl e dt od e c r e a s i n gt h ea c c u r a c yo ft h ef r e q u e n c yt r a c k i n g s oah i g h f r e q u e n c yp u l s e t r a n s f o r m 豇u s e gi a t h 盒v o l t a g es a m p l i n g i s d e s i g n e d i n t h e p a p e r t h e e x p e r i m e n t ss h o w e d t h a tt h e p l a nc a ne f f e c t i v e l ys o l v et h ep r o b l e mo ft i m ed e l a y i n gd u r i n gs a m p l i n gt h ev o l t a g ea n dc a ni m p r o v e t h ea c c u r a c yo ff r e q u e n c yt r a c k i n g k e y w o r d s u l t r a s o n i cp o w e rs u p p l y u l t r a s o n i ct r a n s d u c e r f r e q u e n c yt r a c k i n g r e s o n a n c e h i g h f r e q u e n c yp u l s et r a n s f o r m e r 南京航空航天大学硕士学位论文 图清单 图2 1 换能器示意图 6 图2 2 换能器等效电路图 6 图2 3 换能器电抗特性曲线 6 图2 4 幅频特性与相频特性图 7 图2 5 超声波换能器并联等效电路图 8 图2 6 超声波换能器导纳圆图 8 图2 7 超声波换能器串联等效电路 9 图2 8 超声波换能器阻抗圆图 9 图2 9 a 串联电感匹配 1 2 图2 9 b 并联电感匹配 1 2 图2 9 c 串联电容匹配 1 2 图2 9 d 并联电容匹配 1 2 图2 9 e 电感电容匹配 1 2 图2 1 0 无匹配电感时的仿真模型 1 5 图2 1 l 整流模块 1 5 图2 1 2 逆变模块 1 5 图2 1 3 换能器模块 1 5 图2 1 4 无匹配网络时的仿真波形 1 6 图2 1 5 有匹配网络的仿真模型 1 6 图2 1 6 接入匹配网络时的仿真波形 1 7 图2 1 7 匹配电感的电压波形 1 7 图2 1 8 电源输出 匹配电感 换能器的电压波形 1 7 图3 1 超声波电源的系统框图 1 8 图3 2 超声波电源主电路原理图 1 9 图3 3 缓冲吸收电路 2 l 图3 4 驱动电路原理图 2 3 图3 5 驱动电路工作波形 2 3 图3 6 电压 电流采样电路 2 4 图3 7m a x 7 2 1 9 的时序图 2 5 超声波电源系统平台研制 图3 8m a x 7 219 与d s p 的硬件连接图 2 5 图3 9d s p 系统构成框图 2 6 图3 1 0 扩展存储器接口电路 2 7 图3 1 0 1 d s p 复位电路 2 7 图3 1 2 采用内部振荡器的时钟电路 2 8 图3 1 3 采用外部振荡器的时钟电路 2 8 图3 1 4j 1 a g 接口电路 2 8 图3 1 5d s p 内部a d 转换模块图 2 8 图3 1 6p w m 电路结构框图 2 9 图3 1 7p w m 信号增强电路 2 9 图4 1 声反馈方式的超声波电源系统原理框图 一 3 l 图4 2 功率搜索式电路框图 3 2 图4 3d s p 搜索最大功率原理框图 3 2 图4 4 差动变量器桥式电路 3 3 图4 5 电流搜索式电路框图 3 4 图4 6 电抗特性曲线 3 4 图4 7 串联谐振频率附近的相频特性 3 4 图4 8 锁相环模块图 3 5 图4 9c d 4 0 4 6 频率自动跟踪龟路控制框图 粥 图4 1 0c d 4 0 4 6 频率自动跟踪原理图 3 7 图4 1 l 数字锁相电路原理框图 3 8 图4 1 2 超前滞后型锁相电路原理框图 3 8 图4 1 3 鉴相电路原理图 4 0 图4 1 4 鉴相电路各点工作波形 4 0 图4 15 频率跟踪程序流程图 4l 图5 1 电源系统平台图 4 3 图5 2 主程序流程图 4 5 图5 3 中断1 输出p w m 脉冲流程图 4 5 图5 4d s p 输出的p w m 信号 4 6 图5 5 驱动电路的输出电压波形 4 6 图5 6 电流与过零比较 4 7 图5 7 输出电压与传感器测得输出电压 4 7 南京航空航天大学硕士学位论文 图5 8 输出电压与采样电压波形 4 8 图5 9 开环运行时电压 电流波形 4 8 图5 1 0 频率跟踪后 电源的输出电压和电流 4 9 图5 1 l 等效换能器上的电压波形 4 9 图5 1 2 采用全桥时 电源的输出电压波形 5 0 表清单 表2 1 超声波换能器工作于串联谐振和并联谐振时等效的电路参数 一1 0 表2 2 匹配方式比较 13 表3 1 铜导线的穿透深度 2l 表5 1 使用到的d s p 引脚列表 表5 2m a x 7 219 与l f 2 4 0 7 a 管脚连接说明 超声波电源系统平台研制 注释表 符号说明符号说明 岛 动态电阻r 等效电阻 厶 动态电感 x 等效电抗 q 动态电容 z o并联支路阻抗 c o静态电容z 1串联支路阻抗 石 串联谐振频率z总阻抗 f p 并联谐振频率g 等效电导 岛 串联匹配电感 b 等效电纳 l p 并联匹配电感 并联支路导纳 u变压器初级绕组电压k串联支路导纳 变压器次级绕组电压 y 总导纳 磁 串联等效电阻 v d输出电压 哗 并联等效电阻 输出电流 b x s 串联等效电抗 吃 初级绕组等效负载 x p并联等效电抗m初级绕组匝数 q 串联等效电容 2 次级绕组匝数 并联等效电容 无 下限频率 直流母线电压 h 上限频率 k 嚼 有效机电耦合系数 承诺书 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师指导下 独立进行研究工作所取得的成果 尽我所知 除文中已经注明 引用的内容外 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著 作权的内容 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人 和集体 均已在文中以明确方式标明 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复 印件 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 缩印或其他复 制手段保存论文 保密的学位论文在解密后适用本承诺书 作者签名 日期 丑暮 王 冲 6 区 弘强 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 随着现代科学技术的飞速发展 各学科之间相互渗透 新兴边缘学科不断出现 自从人们 了解了超声的物理特性之后 便开始开发各种探头材料 发明各种超声激发 接收装置 研制 出各种仪器与设备 极大的推动了超声技术在各领域的开拓发展与应用 1 1 超声技术按其应用 大体可分为两类 功率超声和检测超声 功率超声作为超声学的一个重要分支 已经广泛应用 于超声清洗 超声焊接 超声加工 超声马达等领域 1 1 超声波电源的发展概况 超声波电源又叫超声波功率源 是功率超声系统中的核心部分 是一种用于产生并向超声 波换能器提供超声能量使之工作于谐振频率的装置 2 它的发展与电力电子器件的发展密切相 关 3 1 1 1 1 超声波电源发展的几个阶段 4 1 电子管放大器阶段 在早期 2 0 世纪8 0 年代前 信号的功率放大还采用电子管 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 体管出现后即遭淘淡j 电子管的缺点很多 例如j 1 功耗犬j 体积犬 效率嘲醛寿命短 电源月慰 本高等 2 晶体管模拟放大器阶段 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 g 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 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剧5 6 1 体积大 重量重 由于功率管输出的功率受到限制 要输出较大的功率需要更多的功 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 大功率的变压器比 较重 效率也比较低 2 功耗较大 由于o t l o g l 电路的理论效率只有7 8 左右 7 1 而实际效率更低 功耗 较大 导致功率管发热严重 需要较大的散热功率 此外 由于功率管发热还会导致系统工作 不太稳定 3 不易使用微处理器来处理 由于该电路呈现模拟线路特征 用数字化处理复杂 涉及到 a d 和d a 转换 成本高 可靠性低 超声波电源系统平台研制 3 晶体管开关型放大器阶段 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 使得开关型电源成 为可能 开关型电源的原理是通过调节开关管的占空比来控制输出功率的 由于晶体管在截止 和饱和导通时的功耗很小 开关型超声波电源主要有以下特剧8 1 1 9 1 1 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 不需要电源变压器降压 因此体积小 重量 轻 2 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 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 1 1 2 超声波电源的发展趋势 超声波电源是逆变电路的典型应用 随着新的电力电子器件的出现 新的控制理论的提出 以及各行业上需求 未来的超声波电源的发展趋势主要有以下几个方面 l o l 1 1 1 1 大容量化 通用化 在超声加工行业 存在着需要大功率的超声加工 因此超声波电源的大容量化仍需进一步 的发展 同时 为适应各行业需求 超声波电源的系列化和通用化成为新的发展需求 c 刁小型化 低成本 节约原材料 降低成本 提高系统的性价比等要求的提出 促使超声波电源向着小型化 低成本方向发展 3 高功率因数 低谐波污染 改善电网侧电流波形 提高电网效率 是当前电力电子技术应用的发展趋势 4 集成化 智能化 将新型处理器芯片逐渐应用到超声波电源中 使得超声波电源系统运行具有优良稳定可靠 性 并可具有各种功能 如故障在线监测和自动诊断 远程控制等 因此集成化 智能化成为 新型超声波电源的发展趋势 1 2 控制技术在超声波电源中的应用 超声设备是一个谐振系统 要求超声波电源的输出信号频率能对在工作中变化的超声波换 能器的谐振频率进行跟踪 1 2 传统的模拟电路控制方法存在控制精度低 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 2 南京航空航天大学硕士学位论文 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 1 3 1 1 4 l 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 1 6 1 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 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 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 超声波电源应用数字化控制 技术一般有三种形式 1 7 1 1 8 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 爪o m 定时器肼数器和的接口等单元的 微控制芯片 广泛应用在各种控制系统 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 1 9 1 2 们 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 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i g b 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 2 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利用并行处理技术 在一个指令周期内完成多条指令 同时 d s p 具有独立的程序和数据存储空间 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 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 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 2 2 1 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 3 超声波电源系统平台研制 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 1 衄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 论文的背景意义以及主要内容 1 3 1 论文的背景意义 随着社会的飞速发展 功率超声技术的应用越来越广 已经渗透到关系国民生产的各个部 门 但是由于我国超声学研究和电力电子技术起步较晚 超声波电源的研究也落后于国外很多 其技术状况已远远不能满足我国经济事业多领域的需求 但是市场前景十分广阔 所以研制功 率超声技术的人员逐渐增加 国内目前距离国外先进技术还有相当大的差距 国际上 日本采 用静电感应晶体管 s i t h 研制了3 k w 2 0 0 k w 2 0 k h z 3 0 0 k h z 系列高频电源 欧美采用功 率m o s f e t 研制成功频率为2 0 0 k h z 一3 0 0 k h z 功率为1 0 0 k w 4 0 0 k w 的高频电源 在我国 目前市场上 清洗 焊接方面的超声波电源生产现状的特点是 l 技术陈旧落后 厂家多是相互仿制 缺乏自主研制和技术创新的能力 导致市场上往往 以低价相互竞争 给整个行业的发展带来了消极的负面影响 2 由于受开关速度的限制和晶体管开关特性的影响 电源的频率也受到限制 而且效率低 下 3 多是使用可调电阻来调节振荡频率 没有频率自动跟踪功能 导致清洗效率不理想 设 备故障率高 这些缺点已经成为制约它们进一步发展和扩大应用范围的瓶颈 因此 必须甩掉陈旧落后 的机型 选用新型的电路拓扑 研发新的具有频率跟踪功能的新型超声波电源机型 1 3 2 本文的主要内容 本文在理论研究的基础上 对超声波电源各模块的电路进行了设计并制作成电路板 搭建 了超声波电源系统平台 该电源系统平台以m o s f e t 管作为开关器件 采用半桥式电路拓扑进 行试验 使用相位控制方法对超声波换能器的谐振频率进行自动跟踪 论文的大概结构如下 第一章为绪论 主要介绍了超声波电源的发展情况 给出了本课题研究的背景意义及主要 内容 第二章在分析超声波换能器的阻抗特性的基础上 确定了所采用的换能器谐振方式 并给 出了匹配电路的设计方法 并针对没有介入匹配电感和接入匹配电感进行电路仿真 4 南京航空航天大学硕士学位论文 第三章主要介绍超声波电源系统的硬件电路的设计 设计了超声波电源的各模块电路 主 要包括功率主电路 驱动电路 采样电路 显示电路等 第四章主要介绍了在超声波电源系统中 可以使用的频率自动跟踪方案 介绍了本文所采 用的频率自动跟踪方法 并给出了实现电路以及软件设计 第五章介绍了系统软件的主程序设计 并对搭建的超声波电源系统平台进行了实验调试 给出了超声波电源系统频率自动跟踪的相关实验波形 并进行了相应的分析 第六章为全文的总结与展望 对在整个设计开发过程中所做的工作进行了总体 对今后的 应用前景作了一些展望 并为以后的研究工作提出一些参考性意见 5 超声波电源系统平台研制 第二章超声波换能器的阻抗特性以及匹配电路研究 换能器是将一种形式的能量转换成另一种形式的能量的器件 超声波换能器又称超声波振 子 是将电能转换成机械能 超声波 的器件 2 3 1 目前 超声波换能器主要为压电换能器 它是 利用压电陶瓷的压电效应实现电能与声能相互转换的 2 1 超声波换能器的阻抗特性分析 采用压电材料制作的超声波换能器 其等效电路如图2 2 所示 图中c 0 为静态电容 它是 在远低于谐振频率的频率上测量出的换能器电容 是一个真实的电学量 厶 q 局分别是 动态电感 动态电容和动态电阻 它们不是真实的电学量 而是从换能器的质量 机械顺性和 损耗分别折算而来的等效参数 c o 所在的支路称为并联支路 厶 白 心所在的支路称为串 联支路 2 4 2 5 1 岛 岛 c d 图2 1 换能器示意图 图2 2 换能器等效电路图 由电路理论分析可知 换能器等效电路的总阻抗为 z 却 砑1 南一慵1 去 南1 上式中 c 毒等茜 其电抗特性曲线如图2 3 所示 6 c o p 一 厂 r 厂 图2 3 换能器电抗特性曲线 南京航空航天大学硕士学位论文 由超声波换能器的等效参数 可以计算得到 它的串联谐振频率f s 2 0 1 0 7 k h z 并联谐 振频率厶 2 0 3 4 3 k h z 根据换能器的阻抗表达式 在m a t l a b 中输入以下命令 g t f z 2 z i z o m 2 m l m o f i g u r e 1 b o d e g 其中 z 2 z l z o 表示传递函数中分子表达式中由高次到低次排列的各项系数 m 3 m 2 m l m o 表示传递函数中分母表达式中由高次到低次排列的各项系数 得到该超声波换能器的 幅频特性和相频特性曲线如图2 4 所示 饵嘟一 p 融碡e e 童讲 c 图2 4 幅频特性与相频特性图 从上图中可以看出 超声波换能器自身具有两个机械谐振频率 分别为对应为串联谐振频 率和并联谐振频率 串联谐振频率是由幺 g 和 构成的串联支路发生谐振时的工作频率 并联谐振频率是由包括c 0 在内的并联支路共同发生谐振时的频率 2 1 1 超声波换能器的串联谐振 在超声波换能器等效电路中 分别用 和k 表示并联支路和串联支路的导纳 超声波换能 器的总导纳用 表示 因此 超声波换能器的总导纳为 卜州 觞 葡1 将电路参数代入式 2 2 并进行化简后 可以得到式 2 3 2 2 7 超声波电源系统平台研制 y 2 南 且酬一 一 蔫1 1 2 3 t 因此 超声波换能器的总导纳可写成式 2 4 y g j b 一南 b a j c o 一未南1 2 4 g 和占分别是超声波换能器的等效电导和等效电纳 它表明超声波换能器在任何频率上都 可以等效为电导g 和电纳b 的并联 如图2 5 所示 由式 2 3 可以推得式 2 5 得 g 寺2 邶一蝙 2 寺2 2 5 由式 2 5 f 以看出 超声波换能器的总导纳 随频率变化的曲线是g 一曰平面上的一个圆 圆心为 专 瞩 半径为壶 如图2 6 所示 图2 5 超声波换能器并联等效电路图图2 6 超声波换能器导纳圆图 根据定义 等效电导g 取最大值时的频率即为串联谐振频率石 也就是串联支路易和 的谐振频率 这种谐振方式称为串联谐振 2 1 2 超声波换能器的并联谐振 在超声波换能器等效电路中 分别用z 0 z 1 表示并联支路和串联支路的阻抗 超声波换 能器的总阻抗用z 表示 因此 超声波换能器的总阻抗为 8 z 鱼生 z o 磊 2 6 南京航空航天大学硕士学位论文 上式中 z o 志 z l2 心 弘厶 万b 将电路参数代入式 2 6 并化简后 可以得到式 2 7 上式中 c 盟 c o g 因此 可将超声波换能器的总阻抗写成式 2 8 上式中 z r y x 一去丽1 煮毒1 2 7 2 8 尺和x 分别为超声波抉能器的等效电阻和等效电抗 它表明超声坡抉能器在任伺频翠上都 可以等效为电阻尺和电抗x 的串联 如图2 7 所示 由式 2 7 可推得式 2 9 僻 孬雨1 2 懈 去 2 丽磊1 2 2 9 由式 2 9 口 i 以看出 超声波换能器的总阻抗z 随频率变化的旋线是j x 砰面上的 仑圆 圆心为c 2 瓦i 酉 一玄 半径为云雨1 如图2 名所示 x 0 入 墨 人 j 1 1 c o c o i乡 j l 2 国2 c 0 2 岛 图2 7 超声波换能器串联等效电路图2 8 超声波换能器阻抗圆图 根据定义 等效电阻足取最大值时的频率即为并联谐振频率昴 即为岛 c 并联谐振的 频率 其中 c 瓦c 了o g 百 这种谐振方式称为并联谐振 9 高 去寺 坝 茅亡 一岛 去 趾 南 寿 超声波电源系统平台研制 2 1 3 超声波换能器谐振方式的选择 依据以上对超声波换能器的分析 根据其等效参数 可以计算得到该超声波换能器工作在 串联谐振频率和并联谐振频率时的等效电路参数如表2 1 所示 表2 1 超声波换能器工作于串联谐振和并联谐振时等效的电路参数 淤 等效电阻 等效电抗 等效电容谐振电感 谐振方式 q n f m h 串联谐振8 0 4 4 8 4 1 6 3 9 2 并联谐振 4 0 1 8 1 7 5 34 4 61 4 从上面表格中各等效的电路参数可以看出 1 超声波换能器工作于并联谐振状态时 它的等效电阻明显要大于超声波换能器工作于串 联谐振状态时的等效电阻 因此 对于同样的输出变压器和直流母线电压来说 超声波换能器 工作于串联谐振状态时从电源处得到电能要多于超声波换能器工作于并联谐振的状态 2 当超声波换能器工作于并联谐振状态时 它的等效电抗明显大于它工作于串联谐振状态 时的等效电抗的 因此 在对超声波换能器进行调谐匹配的时候 并联谐振时需要的匹配电感 值将比较大 而电感值的变大 也就意味着电感制作的成本 体积和重量等因素也都将随之变 大 综合以上对超声波换能器阻抗特性的分析 对于超声波换能器工作的谐振状态 本文选择 的是串联谐振方式 2 2 超声波换能器的匹配电路设计与研究 超声波电源与超声波换能器的匹配电路的作用主要包括两个方面 一是通过匹配电路使得 超声波电源向超声波换能器输出额定的电功率 这是因为超声波电源需要一个最佳的负载才能 够输出额定的功率 把超声波换能器的阻抗变换成最佳的负载 即匹配电路的阻抗变换作用 2 6 1 二是通过匹配电路 使得超声波电源的输出效率最高 这是由于超声波换能器存在静态电抗 造成超声波电源的输出电压和电流有一定的相位差 从而使得超声波电源的输出功率得不到期 望的最大输出 造成超声波电源的输出效率降低 因此在超声波电源的输出端并上或者串上一 个相反的抗 使得电源的负载为纯阻性 即匹配电路的调谐作用 2 7 1 1 2 引 由此可以看出 匹配的 好坏 直接影响着功率超声源的产生和效率 2 2 1 阻抗匹配设计 为了使得超声波电源向超声波换能器的输出功率达到额定 在电源电压给定的条件下 主 要取决于负载阻抗的大小 因此 为了确保超声波换能器获得足够的功率 必须进行阻抗匹配 1 0 南京航空航天大学硕士学位论文 对超声波换能器负载进行阻抗变换 阻抗变换的一般常用方法是通过输出变压器的初 次级线 圈的匝数比进行变换 设变压器初级绕组和次级绕组的匝数分别为m 和 2 变压器初级绕组 的等效负载为吃 超声波换能器谐振时的等效电阻为吃 则有 惫 惫 q 加 2 1 因此 只要设计的变压器初 次级绕组匝数i l 适当 就能够实现所需要的阻抗匹配 在全桥逆变电路中 为了使电源的输出功率一定 当电源电压一定时 电源的功率主要取 决于负载阻抗 设变压器初级绕组的等效负载上的功率为 则 0 募 7 上式中 为变压器初级绕组的等效负载上电压的基波幅值 4 u 3 8 2 y 为 变压器初级绕组的等效负载 由于变压器和功率管等均有损耗 因此 为了保证系统输出额定 的功率 需要留有一定的裕量 取乞 1 5 己 1 5 0 0 w 因此变压器初级绕组的等效负载为 吃 譬 羔陆4 q 2 乞 2 1 5 0 0 换能器等效阻抗吃 咫2 忐引4 q 因此原 副边匝数比 等 j j 等乩8 仁聊 2v 吃 1 4 q 输出变压器是超声波电源阻抗匹配 传输功率的重要器件 它的设计与绕制工艺对超声波 电源的工作安全是十分重要的 它不仅会以漏感 励磁电流等方式影响电路的工作 其漏感还 是形成输出电压尖峰的主要原因 为此 在设计时 应选取高磁通密度b 高导磁率u 高电 阻率p 和低矫顽力也的高饱和材料作铁芯 一般在防止高频的瞬态饱和时 在设计的时候要注 意如下几剧2 9 1 1 3 0 1 工作磁通密度b 的选取 铁芯材料的磁感应增量a b 越大 所需的线圈匝数就越少 直流电阻r 也越小 从而线圈 的铜损也越小 a b 取得高时 传输的脉冲前沿就越陡 因此 在设计变压器时 应高磁通密 度的材料作铁芯 这对降低变压器的损耗 减小体积和重量都是很有利的 为了避免在稳态或 过渡过程中发生饱和 一般选取工作磁通密度b 1 5 5 8 5 8 m m 4 3 1 0 e e 7 0 磁芯的 q 值大于计算值 因此选定该磁芯型号 2 绕组的计算 绕组计算主要是按照输入 输出电压计算绕组匝数 按照流过绕组电流的有效值计算导线 线径 在高频工作时 还应该考虑 集肤效应 对于双向矩形脉冲 原边匝数m 可以按照下式计算得到 即器缈 3 1 1 2 琵i 7 在低压满载时 u t o n 最大 故按输入电压最低及输出满载的情况下 此时占空比最大 计算 原 副边绕组匝数 单相2 2 0 v 交流输入经整流及电容滤波后直流输入电压为3 0 0 v 代入上式可得 m u 1 t o n l o s l 2 b m s c 一 型业坠塑二x l o s 3 1 2 一x l 2 1 3 3 0 4 4 4 1 0 z 5 l 而原 副边匝数比 鲁 1 8 3 1 3 从 从而可以求得变压器副边绕组匝数 2 5 1 1 8 2 8 3 1 4 因此 变压器原边绕组匝数取5 1 匝 副边绕组匝数取2 8 匝 南京航空航天大学硕士学位论文 3 计算并选定导线线径 首先计算原 副边绕组电流峰值 副边绕组电流峰值等于流过电感的电流峰值 原边绕组 电流峰值取为4 5 彳 则所需截面积为1 2 m m 2 副边绕组流过的电流峰值取为8 3 么 则所需截 面积为2 1 m m 2 考虑到 集肤效应 的影响 在高频时 导线直径应小于2 a 为导线的穿 透深度 表 3 1 列出了在不同频率时 铜导线的穿透深度 表3 1 铜导线的穿透深度 f f k h z 3571 01 3 a m m 1 2 0 60 9 3 4 60 7 8 9 90 6 6 0 80 5 7 9 6 f k h z 1 5 1 82 02 32 5 a m m 0 5 3 9 60 4 9 2 60 4 6 7 30 4 3 5 8 0 4 1 8 0 f f k h z 3 03 5 4 0 4 55 0 a m m o 3 8 1 50 3 5 3 20 3 3 0 4o 3 1 1 50 2 9 5 5 从上表可以看出 在2 0 k h z 左右时 穿透深度 o 4 6 7 3 r n m 因此所选铜导线的线径应该 小于2 倍穿透深度 2 a 0 9 3 4 6 m m 查阅国产漆包线规格 原边选取线径西 0 7 5 r a m 的漆包 线 采用三股并绕 副边取直径d 2 0 7 7 m m 的漆包线 采用五股并绕 4 校核窗口系数 由此算得窗口填充系数 五 墅坐燮 0 4 4 2 x 3 x 5 1 0 4 6 6 x 5 x 2 8 0 2 5 4 a p 该磁芯符合设计要求 3 在高频的时候 还应考虑到集肤效应的因素 此时高频电流的穿透深度为 考 一76a r r 一 0 5 24mmd210 0 0 一 一 1 3 2 1 3 l 为减小肌肤效应的影响 所选导线的直径必须小于两倍穿透深度 因此原边采用直径为 0 5 4 m m 的铜导线 原边绕1 8 匝 副边采用直径为o 7 2 m m 的铜导线 副边绕l 匝 通过应用上面设计的高频脉冲变压器t s 可以将超声波电源主电路输出电压的幅值降至频 率跟踪电路需要的电压大小 并且可以将功率电路与控制隔离 由于高频脉冲变压器在电压变 换时 其变换时间很短 几乎为零 因此便可以将在电压采样过程中存在的响应延迟时间降到 几乎为零 从而消除了在电压采样过程中存在的时间延迟 2 4 南京航空航天大学硕士学位论文 3 5 显示电路设计 显示电路主要由m a x 7 2 1 9 驱动芯片以及6 位8 段共阴极l e d 数码管组成 m a x 7 2 1 9 是 m a x i m 公司生产的8 段共阴极l e d 数码管的驱动芯片 每一片7 2 1 9 最多可以驱动8 位l e d 它集b c d 码译码器 多路扫描器 段驱动电路于一体 内含8 x 8 位双口静态s r a m 可以保 存8 位l e d 数据 使用方便 连线简单 还可以串联使用 大大简化了硬件电路 减小的软件 的工作量 m a x 7 2 1 9 具有典型的三线串行接口 命令与数据组成1 6 位字符串 从d i n 管脚进入 从 d o u t 管脚输出 每当一个c l k 脉冲上升沿到来时 串行数据从d i n 管脚进入m a x 7 2 1 9 内部 移位寄存器 最先收到的是最高位 第1 6 个c l k 上升沿 l o a d 管脚若变为高电平 数据就 会被锁存到内部寄存器中 再过半个脉冲 数据在c l k 下降沿从d o u t 管脚输出 其数据接 受与装载的时序图如图3 7 所示 嚣l 叫镪卜卜 一 叫 锚 r i 厂飞 一 一锄卜 一 枯 0 嘲遨僻琰姗 图3 7m a x 7 2 1 9 的时序图 由于m a x 7 2 1 9 是串行输入方式 因此它与t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 之间的硬件电路连接方式比较 简单 电路连接如图3 8 所示 图3 8m a x 7 2 1 9 与d s p 的硬件连接图 2 5 i 磁一一 壤f 1 超声波电源系统平台研制 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的p b o p b l p b 2 分别用作m a x 7 2 1 9 的串行数据输入信号d i n 数据 锁存信号l o a d 时钟信号c l k m a x 7 2 1 9 的v 引脚接 5 v 电源信号 两个g n d 引脚接模 拟地 d i g 0 d i g 5 用于驱动6 个数码管的显示 s e ga s e gg s e gd p 用于驱动数码管的7 段显示和小数点的显示 3 6d s p 控制电路设计 d s p 是系统实现频率跟踪的核心 本文采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型d s p 该款d s p 是t i 公 司专门面向电力电子装置等控制而推出的一款d s p 功能强大 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 具有如下一 些特点 3 4 1 采用高性能静态c m o s 制造技术 使得该d s p 具有低功耗 高速度的特点 单指令 周期最短为2 5 n s 4 0 m h z 最高运算速度可达到4 0 m i p s 非常适合电力电子装置的实 时控制 片内集成了3 2 k 字的f l a s h 程序存储器 高达1 5 k 字的数据 存储r a m 5 4 4 字双 口r a m 和2 k 字的单口r a m 可扩展的外部存储器提供共计1 9 2 k 字空间 6 4 k 字程序存储器 6 4 k 字的数据存储 器 6 4 k 字的的寻址空间 两个事件管理器 e v a 和e v b 每一个都包含 2 个1 6 位通用定时器 8 个1 6 位脉 宽调制0 w m 输出通道 3 捕获单元等 1 6 通道l o 位a d 转换器 具有可编程自动排序功能 4 个触发源可选择来启动a d 转换 图3 9 是本文使用的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型d s p 的最小系统构成框图 主要由存储器接口 s r a m 电路 复位电路 系统时钟电路 仿真器接e i j t a g 电路 a d 转换 i o 以及p w m 输出等部分组成 图3 9d s p 系统构成框图 l 存储器接口电路 l f 2 4 0 7 a 片内仅含有5 4 4 字的d r a m 这远远不能满足系统工作的要求 需要在外部扩展 存储器空间 扩展外部存储器的关键在于选择与l f 2 4 0 7 a 读写速度匹配的存储器 由于 l f 2 4 0 7 a 的指令流水线由取指令 指令译码 取操作数以及执行指令等几个独立的阶段 因此 2 6 南京航空航天大学硕士学位论文 外部存储器的读写速度对l f 2 4 0 7 a 的性能发挥有很大的影响 当存储器的读写速度足够快 在 单指令周期内可完成相应数据的操作 而不需要插入等待周期 这种方式是零等待工作模式 另外还有一种工作模式是在软件中插入等待周期 为了使l f 2 4 0 7 a 工作于最高速状态下 l f 2 4 0 7 a 必须选择零等待周期的外部存储器 本系统选用1 1 公司推荐的高速存储器 i d t 7 1 v 0 1 6 其寻址范围为1 6 位 单片容量为6 4 k 字 存储时间为1 0 n s 用两片i d t 7 1 v 0 1 6 分别构成l f 2 4 0 7 a 的片外数据存储器和程序存储器 具体的存储器接 口电路如图3 1 0 所示 d s p 数据存储器选通管脚d s 和程序选通管脚p s 分别与i d t 7 1 v 0 1 6 芯 片的片选端c s 连接 当对外部数据存储器或者程序存储器操作时 d s p 引脚d s 或p s 发出低 电平信号 使能相应的存储器 图3 1 0 扩展存储器接口电路 2 复位电路 l f 2 4 0 7 a 有两个复位源 一个外部系统复位引脚 r s 和一个程序监视定时器复位 r s 复 位使l f 2 4 0 7 a 终止执行程序并使程序计数器p c 0 当r s 拉为高电平时 从程序存储器的0 位置开始执行 具体的复位电路如图3 1 1 所示 3 3 v r s t m 3 2 0 l f 2 4 0 7 图3 1 1d s p 复位电路 3 系统时钟电路 d s p 的时钟发生器需要一个外部参考时钟输入 有两种方式可以提供 由外部石英晶体与内部振荡器共同构成时钟电路 将一个晶体跨接在d s p 的 x t a l i c l k i n 和x t a l 2 的引脚两端 启动d s p 内部振荡器工作 如图3 1 2 所示 图中电容 2 7 超声波电源系统平台研制 c l 和c 2 的取值为1 0 p f 直接由一个i o m h z 的晶体振荡器产生所需的时钟信号 将时钟信号直接输入给 x t a l l c l k i n 引脚 x t a l 2 引脚悬空 如图3 1 3 所示 本文即是采用这种方法 用软件锁相 环4 倍频外部时钟频率后得到d s p 所需的4 0 m h z 系统时钟频率 x t a i 1 c l k i n t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 x t a l 2 x t a l l c l k 玎吁 t m 3 2 0 l f 2 4 0 7 c t a l 2 图3 1 2 采用内部振荡器的时钟电路图3 1 3 采用外部振荡器的时钟电路 1 仿真器接u i q t a g 电路 j t a g 是指t i 公司基于扫描 s c a n b a s e d 模式的仿真 以i e e e l l 4 9 1 标准为基础 j t a g 目 标器件通过专用仿真端口支持仿真 此端口由仿真器直接访问并提供仿真功能 实际电路是在 f 2 4 0 有关j t a g 接口引脚加上辅助电路连至一个1 4 引脚的插座 通过其进行与仿真盒通信 具体电路如图3 1 4 所示 j t t n j j j v i k i 图3 1 4j t a g 接口电路 4 a d 转换 l f 2 4 0 7 a 的a d c 模块有1 6 个模拟量输入通道 可进行l o 位分辨率的a d 转换 最快转 换时间达3 7 5 n s 每个模拟量输入通道对应都有一个转化结果寄存器 r e s u l t x 图3 1 5 所示 为l f 2 4 0 7 a 内部的a d 转换模块图 2 8 u i n o c i n l l输 i s h a d i 结 c i n 2 l 入 果 选 i 控制逻辑l 选 通通 开 开 关关 i n l 5 启动转换 图3