用于齿轮加工的超声电源设计-开题报告

中 北 大 学毕业设计开题报告学 生 姓 名 ： 学 号：学 院 、 系 ： 信息与通信工程学院、电气工程系专 业 ： 电气工程及其自动化设 计 题 目 ： 用于齿轮加工的超声电源设计指 导 教 师 : 2013 年 2 月 23 日 毕 业 论 文 开 题 报 告1结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写 2000字左右的文献综述：文献综述1 本设计的选题背景意义齿轮是各种机械设备中应用最为广泛的传动元件，对于装备制造业的发展具有极其重要的作用 1。 “十五” ， “十一五”期间，我国的齿轮工业有了迅猛的发展，取得巨大的成就，齿轮行业年产值在 2000年到 2005年之间增加了 443亿， “十一五”末期，我国齿轮制造业年销售额可达到 1300亿元，人均销售额上升到 65万元/年，在世界行业排名中达到世界第二，齿轮制造业已成为我国机械基础件中规模最大的行业。虽然最近一段时间液压传动装置日益增多，但对于精度要求较高的场合，齿轮仍然是传动元件的首选，对齿轮的需求仍是有增无减 2,3。1.从行业上，卫星、飞机、船舶、汽车等高端行业对于高精度的齿轮都有很大的需求。随着经济与技术的发展，对于齿轮加工条件及加工设备效率都提出了越来越高的要求，也就是对功率放大器的要求越来越高 4,5。虽然现在市面上也存在着许多的超声电源，但是对于大多数的电源来说功率都不是很高，很难满足大功率超声加工的需求，因此就需要加工人员对电源进行改进或调试，但对于机械行业的工作人员来说对于电子设备的应用还可以，但是设计方面都存在不足，因此设计一款“傻瓜”式功率放大器就显得十分的必要，通过这样的一种设计思路和方法大家都可以进行功率放大器的 DIY 设计，使过去面临的问题不在是问题 6,7。2.从应用上，传统的功放由于多采用半桥式电路对十能量的使用率较低，有一半左右的能量没有被利用而以热量的形式散失，在我国现阶段节能减排的大趋势下，这样的能量浪费是不必要的，并且为了把这部分能量散发掉，必须是超声电源的体积大大增加来提高散热速度，另外的一部分超声电源虽然使用了全桥电路 8，但是多为分立式也会增加电源的体积，且升级并不容易，而使用集成全桥功放体积会大大减小，并且升级更加容易，和电脑换个内存条没什么区别，因此这种替换是一种大势所趋 9,10。3.从技术上，随着电子制造技术的大大提高，全桥芯片的制造水平也在不断的提高，现成的全桥芯片 11随处都可以买的到，只要有一本教程人人都可以做出一个功放来，和装电脑没什么区别，这样根据自己的要求自己来设计符合要求的功放就可以了。综上所述，对全桥功放的研究和技术的攻关，能够在节省能源、促进军工、民用工业的发展等方面做出贡献 12,13，更重要的是使设计更加的容易。2 本设计的发展历程和现状在国外，功率放大器随着大功率音响的出现而出现，集成芯片随着计算机技术的发展而发展 14，而随着其他科学技术的发展，对于大功率功放要求不断高涨，很多领域对于功率放大器提出了更高的要求，例如体积的小型化，功率的提高化，以及对效率的追求，都要求有更加好的集成式 D类功率放大器 15的出现。其中美国的 APEX公司和德州仪器公司就是这方面的先行者，APEX 公司就推出了 SA系列产品，它的效率很高，能达到 97%左右，在效率提高的同时输出性能也不断改善，新研制出的具有数字修正功能的 D类功放，总谐波失真率仅有 0.06，比很多商品化的 AB类功率放大器的性能都要好。对于超声振动系统中的 D类功放，SPAK 型开关功放这款由英国 LDS公司所生产的产品 16代表了当今国际上的最高水平，其采用了多功放并联技术，功率最大可达280kW，开关频率高达 1OOkHz，效率达到了 93%。 2000年左右，日本也同样研制出了类似的产品。D类功放的研究在国外已达了高的水平，而在国内的研究还仅仅是个开始。但随着近几年对于这方面的重视，使其也得到了迅速的发展。其中苏州东菱公司和一航 702所是这其中的佼佼者 17，在它们的努力下，数字化的开关功放相继问世，推出了 60 kW,75kW, l20kW的一系列产品，功放的效率达到了 95%左右，接近了世界的先进水平。当前，开关型功率放大器的研究主要有三个方向，首先是小型化，节能化的方向，也就是要提高功放的效率;其次是开关化与线性化结合的方向，开关化主要为承受主功率，线性化主要是对放大器来做补偿，可以提高效率的同时减小功放的线性失真;最后是数字化控制的方向。目前半桥式，推挽式功放己经被研究过了 18，而基于全桥，多电平等的集成型功放是现阶段 D类功率放大器研究的主流问题，并逐步向数字化控制方向发展。3 本设计的研究思路3.1 功率放大器选型超声电源，是一种用于产生并向超声波换能器提供超声能量的装置。超声电源产生的电功率，驱动超声波换能器 19。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为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，目前广泛采用第一种方法，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 20，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震荡电流，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。按工作状态的不同，功率放大器一般可以分为 4个类型，也就是我们所说的 A类，AB类，B 类和 D类。在实际生产应用中 A类，B 类和 AB类的功率放大器多用于像音响等要求具有高线性度的场合，而对于本文中所提到的齿轮加工设备中的功放，就对线性度没那么高的要求了，但是却要求有较高的效率，而这正是以上所提到的几类功放的缺点，它们将很大一部分功率以热量的形式消耗在了芯片之上，这些热量所导致的温升会使芯片的工作不稳定，更有可能完全的烧毁芯片 21。由于有这样的问题存在，在芯片设计选型时，就要尽可能的去选择那些面积较大的芯片或增加散热片的面积来解决。这无形之中时设计成本大幅度增加，更增大了设备的体积。在这种情况下，一种更优质功放的出项就十分必要了，而 D类功率放大器就是其中的佼佼者。而对于集成式 D类全桥放大电路组成的超声电源有许多优点，适合本课题的研究设计。3.2 驱动芯片选型IR2110芯片最大的优点就是可以同时输出两个信号 22，来驱动桥式电路的上下桥臂，而且具有良好的保护功能，能在一个很高的频率之下承受很高的电压，并且体积较小，调试方便，有利于减小电子设备的体积，最关键的是其低廉的成本，一片IR2110芯片的市场价大约在 18-20元之间。根据功放电路高频率，大功率，小型化的要求，再将电路设计、调试的难易程度和成本等综合因素考虑在内，选择 IR2110芯片既可以满足电路设计的要求，并且电路保护功能比较完整，可以大大提高设备的稳定性与可靠性 23。全桥功放的设计关键是全桥驱动的芯片的选择和外围电路的设计，而随着电子制造技术的大大提高，驱动芯片的制造水平也在不断的提高，现成的驱动芯片随处都可以买的到，因此选择一款好的驱动芯片，就是本文的重中之重 24,25，因此本文就选择IR2110芯片来进行电路的设计。论文主要研究内容如下：（1）介绍用于齿轮加工的超声电源的起源、现状、发展趋势，参考相关资料，研究出适合本课题的设计方案（2）对于各种不同类型放大器的特点及优劣进行了分析，了解 D类功率放大器的种类及设计的基本原则及方法，掌握全桥电路构成和工作原理。（3）了解 IR2110芯片的相关知识，并设计出以 IR2110芯片为核心的功放电路。（4）利用 MULTISIM软件对电路进行仿真实验，验证该方案的可行性。（5）验证电路的可靠性后画出 PCB电路图。（6）将设计的功率放大电路焊接为电路板，然后建立实验平台，进行调试。参考文献：1袁易全.近代超声原理及应用M.南京：南京大学出版社，1996:13-152马力，李祖胜.功率超声电源的频率跟踪电路J.苏州大学学报，2010,30（2） ，68-773楚斌.IR2110 功率驱动集成芯片应用J.电子工程师，2004,30(10),33-35.4李汾娟.基于 ANSYS超声波辅助珩齿振动系统的设计与研究J.机械管理开发，2009,24(5)，31-32.5张振华.超声波珩齿传递系统的振动特性及结构设计D.太原：太原理工大学，19986徐德红.超声波平行轴珩齿工艺的基础性研究D.太原：太原理工大学，20067Paul R. Gray. Analysis and Design of Analog Integrated ClreuitM.北京高等教育出版社，2002:382-390.8李晓明.电工电子技术一电路与模拟电子技术基础Ml.北京:高等教育出版社，2003.9 Ruedi H, Kohli P. Dual Scale Driver 2SD315A for IGBTs and Power MOSFETsM.CT-Concept Technology Ltd, 1999, 56-59210王玲玲，王毅.基于 TL494和 IR2110的断路器操作电源的设计J.通信电源技术，2008, 25(1)，49-51.11Abhijit D.Pathak.IXYS MOSFET Drivers Theory and Applications M.IXYSCorporation, 1999, 54-56.12International Rectifier IR2110/IR2113 DatasheetEB/OL..13熊腊森.IR2110 高压 M0S栅极驱动器的功能及应用J.电力电子技术，1996,1,59-61.14Abraham I.Pressman, Wang zhijiang.Swtching Power Supply DesignM.Beijing:Publishing House of Electronics lndustry,2005,285-288.15沈海明.DSP 的 400kHz的大功率高频感应加热电源研究D.无锡:江南大学，2008.16 CT-Concept Technology Ltd. Dual High-speed 1.5A MOSFET Driver IHD- 680 M.CT-Concept Technology Ltd,1999,12-14.17郝建强，张建.IR2110 在电机驱动中的应用J.微电机，2008,41(6)，51-5218刘永良.基于 IR2110的驱动电路应用和设计技巧N.科技创新导报，2008-12-11(35)19仁杰. 基于 IR2110芯片大功率超声电源的改进D.太原：太原理工大学硕士，201120刘永良.全桥驱动器芯片 UBA2032T/UBA2032TS及其应用J.国外电子元器件，2005(7):56-57.21IsaoTakahashi,FellowandKazukIwaya 100kHz swiyching type power amplifier using multilevel inverter 2009J.4th 286-29122Paul R.Gray.Analysis and Design of Analog International CircuitM.北京：高等教育出版社，2008:382-39023M.A.de Rooij,J.T.strydom.J.D.van Wyk,etc.Development of a 1MHz MOS-FET gat-driver for convertersJ.IEEE,2622,262824Abraham I.Pressman .开关电源设计M.北京：电子工业出版社，2005:73-7525MartyBrown 编，徐德鸿等译.开关电源设计指南M.北京：机械工业出版社，2004:15-23 毕 业 论 文 开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：1 本设计要解决的问题1.1如何完成以 IR2110芯片为核心的功放电路设计1.2怎样使用 MULTISIM进行仿真与验证1.3怎样将设计的功率放大电路焊接为电路板1.4如何将完成后的硬件进行调试。2 本设计拟采用的研究途径2.1 功率放大电路的设计在功放电路中，逆变电路是其中的重要组成部分，而桥式逆变电路有全桥和半桥之分，虽然全桥和半桥电路各有优点，如表 2.1表 2.1 全桥与半桥的比较项目 半桥式电路 全桥式电路主开关数量 2 4驱动电路 简单 复杂相同 IC时的 P0 一倍 两倍调试难度 容易 较难变压器原边线圈 线径较粗 圈数较多但由于本题所以研究的功放属于中大功率，因此选用全桥电路更为合适，图 2.1是本设计中的全桥逆变电路 图 2.1 全桥逆变电路由图可以看出，其中最重要的元件是 4个场效应晶体管，由于超声加工需要电源的功率为 2000W左右，超声系统负载为 100，频率为 20KHZ以上，电路使用 220V电源经第一部分整流滤波之后，电压为 310V左右，据此对功率场效应管进行选型。2.2 IR2110芯片驱动电路IR2110用于驱动半桥的电路如图 2.2所示。图中 C1及 VD1分别为自举电容和自举二极管，C 2为 V 的滤波电容。当 Q 关断的过程中 C1已被充了足够多的电压(V C1=VCC)。当管脚 HIN处于高电平时 Q3接通，Q 4断开，V C1被加到了 Q1的发射极和门极之间，C 1可经由 Q3, R1和 Q1栅漏极间电容 CGD1所形成的通道放电，则 CGD1被充电。那么 VC1可将其视为一个电压源来看