智能大功率超聲波清洗電源的研制

1 前言

鑒于超聲波清洗效果好、效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，超聲波清洗機被廣泛應用于電子、機械、鐘表、光學(xué)、醫療、化纖、電鍍等行業(yè)[1]。在超聲波清洗設備中，超聲波電源是其重要組成部分之一?，F有的超聲波電源大多數采用專(zhuān)用集成控制芯片（如SG3525、TL494） 或單片機產(chǎn)生PWM 脈沖信號, 經(jīng)功率放大、阻抗和調諧匹配后, 推動(dòng)換能器將電信號轉換為機械振動(dòng), 產(chǎn)生超聲波。這兩種電源都存在著(zhù)各自的局限性，前一種控制方法動(dòng)態(tài)響應慢，參數調整不方便且溫度漂移嚴重[2]，而采用單片機直接產(chǎn)生PWM信號，雖然能夠得到高精度和高穩定度的控制特性，實(shí)現靈活多樣的控制功能，但是由于受其工作頻率的限制，輸出的PWM信號頻率分辨率較低，難以滿(mǎn)足頻率的微調。針對以上超聲波電源存在的諸多問(wèn)題，本文基于PWM技術(shù)，應用單片機結合模擬集成電路組成智能控制系統，研制了一種性能穩定、控制調整簡(jiǎn)便且成本低的數字化超聲波電源。

2 超聲波電源的組成及原理框圖

超聲波電源主要由主電路和控制電路兩部分組成，其結構示意圖如圖1所示。主電路采用交直交結構，單相交流電經(jīng)過(guò)整流和濾波，形成直流電，經(jīng)全橋逆變器實(shí)現直流電壓轉變?yōu)轭l率與換能器諧振頻率一致的交變電壓，逆變輸出交變電流，再通過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò )，送至負載換能器?？刂齐娐分饕獮槟孀冎麟娐诽峁╅_(kāi)關(guān)脈沖信號，驅動(dòng)逆變主電路工作，并借助反饋回路和給定電路來(lái)實(shí)現對逆變器的閉環(huán)控制。

圖1 超聲波電源結構示意圖

3 超聲波電源電路設計

3.1 PWM信號發(fā)生器

PWM信號發(fā)生器原理圖如圖2所示，它采用單片機與模擬電路相結合的方式產(chǎn)生PWM信號。首先通過(guò)Rt設定壓控振蕩器的輸出頻率，并將該輸出送入單片機作為定時(shí)/計數器1（T/C1）的時(shí)鐘源。將單片機的T/C1置于相位和頻率可調PWM工作模式，此時(shí)，計數器的上限值決定PWM的頻率，而比較匹配寄存器的值決定了占空比的大小。PWM頻率的計算公式為：

PWM頻率=壓控振蕩器輸出頻率/（1+計數器上限值） （1）

圖中單片機選用AVR系列的ATmega128單片機。在T/C1的控制下，單片機由PB5和PB6可以輸出兩路互補的PWM波形，用來(lái)驅動(dòng)全橋逆變電路。

圖2 PWM信號發(fā)生電路

該信號發(fā)生器在掃頻控制，保護信號的處理以及自動(dòng)頻率跟蹤等方面具有很大的優(yōu)勢，采用模擬電路與單片機控制相結合的方法，提高了掃描信號的頻率精度，同時(shí)實(shí)現了對掃頻信號頻率和幅度的數字化控制。在保護信號的處理方面，當外部電路出現異常時(shí)，可以用保護信號OV_I快速關(guān)斷與門(mén)，停止PWM信號的輸出，同時(shí)通過(guò)指示燈給出相應的報警信號。另外，單片機通過(guò)檢測反饋回來(lái)的換能器兩端電壓信號和電流信號的相位差，可以實(shí)時(shí)調整PWM信號的輸出頻率，實(shí)現頻率自動(dòng)跟蹤。

3.2 全橋功放電路及其驅動(dòng)

單片機輸出的PWM信號電流小，驅動(dòng)能力弱。需經(jīng)MOSFET柵極驅動(dòng)芯片IR21844驅動(dòng)后才能控制MOSFET模塊。驅動(dòng)電路如圖3所示。單片機產(chǎn)生的PWM信號經(jīng)高速光耦HCPL-2631隔離并由三極管放大后送入IR21844。

IR21844輸出端HO和LO的波形分別與IN端輸入波形邏輯相同和相反，幅值有一定的放大(10V～20V)，其輸入/輸出時(shí)序圖如圖4所示。SD端接高電平時(shí)，HO和LO正常輸出，接低電平時(shí)，2個(gè)輸出端被封鎖。DT為死區時(shí)間調整端，通過(guò)調整圖3中電阻R7和R9的阻值可以調節死區時(shí)間，防止全橋電路出現直通。

圖4 IR21844的輸入輸出時(shí)序圖

圖5所示為系統的全橋功率放大電路。其工作原理如下：交流電經(jīng)整流濾波變成平滑的直流電壓V+。該電壓加在MOSFET功率管Q3、Q4、Q5、Q6組成的逆變橋上。當PW1為高電平，PW2為低電平時(shí)，HO1和LO2為高電平，HO2和LO1為低電平（見(jiàn)圖3），此時(shí)Q3、Q6導通，Q4、Q5截止，變壓器T初級兩端的電壓U=V+，流經(jīng)變壓器初級線(xiàn)圈的電流方向由上至下；當PW1為低電平，PW2為高電平時(shí)，Q4、Q5導通，Q3、Q6截止，變壓器T初級兩端的電壓U= -V+，變壓器初級線(xiàn)圈的電流方向為由下至上。重復上述工作過(guò)程，就可以在輸出變壓器次級得到一個(gè)與主振信號同頻且電壓幅度較高的準方波信號。由于功放管工作在伏安特性曲線(xiàn)的飽和區或截止區，集電極功耗降到最低限度，從而提高了放大器的能量轉換效率，使之可達90%以上[3] 。

圖5 全橋功率放大及匹配電路

3.3 匹配電路

在功率超聲設備中，超聲波電源與換能器的匹配設計非常重要，在很大程度上決定了超聲設備能否正常、高效地工作。超聲波電源與換能器的匹配包括阻抗匹配和調諧匹配兩個(gè)方面。匹配電路如圖5虛線(xiàn)框中所示。

阻抗匹配是指變換負載的阻值，使之與超聲波電源的最佳負載值相等，以確保負載獲得最大的電功率，而調諧匹配的目的是使換能器盡量接近純阻狀態(tài)，減少無(wú)功分量。壓電式超聲換能器在其諧振頻率附近工作時(shí)，由于靜態(tài)電容的影響一般呈容性。如果直接將信號源接到換能器上，將會(huì )產(chǎn)生一部分無(wú)功分量，致使換能器有功功率相對減小[4]。因此需要在超聲波電源的輸出端通過(guò)匹配相反的感抗，使其負載為純電阻。

目前，最常用的匹配電路就是如圖5虛線(xiàn)框中所示的串聯(lián)電感匹配法，通過(guò)合理選取電感的值，可以使換能器在超聲波電源驅動(dòng)下達到諧振。

4 超聲波電源軟件設計

軟件設計主要是對單片機進(jìn)行編程，實(shí)現頻率的設置和調整、液晶顯示和鍵盤(pán)輸入等控制，同時(shí)監控各種反饋信號，調整占空比改變輸出功率，完成掃頻、定時(shí)、軟啟動(dòng)功能等。程序流程圖如圖6所示。

5 實(shí)驗結果

圖6 軟件流

采用設計的超聲波電源進(jìn)行實(shí)驗，調整電感使調諧電路工作頻率為66.53kHz，測得輸出變壓器初級電壓電流波形如圖7所示。從圖中可見(jiàn)，電流波形基本上是正弦波，并且電流與電壓相位保持一致，較好地實(shí)現了頻率跟蹤功能。電源在長(cháng)時(shí)間大功率連續工作中穩定可靠，開(kāi)關(guān)管和吸收電路、散熱器均不發(fā)熱。

圖7 輸出變壓器初級電壓電流波形

6 結束語(yǔ)

設計的超聲波清洗電源，采用模擬電路與單片機控制相結合的方式產(chǎn)生PWM信號，克服了模擬電路的固有缺陷，實(shí)現了靈活多樣的控制功能，同時(shí)又解決了單片機工作頻率不夠高的難題，提高了輸出PWM的頻率分辨率。該系統具有過(guò)流、過(guò)熱、過(guò)壓保護功能，可靠性高，并能夠實(shí)時(shí)跟蹤換能器諧振頻率的變化，輸出功率穩定。目前，該超聲清洗電源已成功運用于深圳某公司，取得了良好的使用效果?！?/p>