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(jī)被廣泛應(yīng)用于電子、機(jī)械、鐘表、光學(xué)、醫(yī)療、化纖、電鍍等行業(yè)[1]。在超聲波清洗設(shè)備中，超聲波電源是其重要組成部分之一。現(xiàn)有的超聲波電源大多數(shù)采用專用集成控制芯片（如SG3525、TL494） 或單片機(jī)產(chǎn)生PWM 脈沖信號(hào), 經(jīng)功率放大、阻抗和調(diào)諧匹配后, 推動(dòng)換能器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng), 產(chǎn)生超聲波。這兩種電源都存在著各自的局限性，前一種控制方法動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，參數(shù)調(diào)整不方便且溫度漂移嚴(yán)重[2]，而采用單片機(jī)直接產(chǎn)生PWM信號(hào)，雖然能夠得到高精度和高穩(wěn)定度的控制特性，實(shí)現(xiàn)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(hào)頻率分辨率較低，難以滿足頻率的微調(diào)。針對(duì)以上超聲波電源存在的諸多問題，本文基于PWM技術(shù)，應(yīng)用單片機(jī)結(jié)合模擬集成電路組成智能控制系統(tǒng)，研制了一種性能穩(wěn)定、控制調(diào)整簡便且成本低的數(shù)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(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。主電路采用交直交結(jié)構(gòu)，單相交流電經(jīng)過整流和濾波，形成直流電，經(jīng)全橋逆變器實(shí)現(xiàn)直流電壓轉(zhuǎn)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，再通過匹配網(wǎng)絡(luò)，送至負(fù)載換能器。控制電路主要為逆變主電路提供開關(guān)脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)逆變主電路工作，并借助反饋回路和給定電路來實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器的閉環(huán)控制。

圖1 超聲波電源結(jié)構(gòu)示意圖

3 超聲波電源電路設(shè)計(jì)

3.1 PWM信號(hào)發(fā)生器

PWM信號(hào)發(fā)生器原理圖如圖2所示，它采用單片機(jī)與模擬電路相結(jié)合的方式產(chǎn)生PWM信號(hào)。首先通過Rt設(shè)定壓控振蕩器的輸出頻率，并將該輸出送入單片機(jī)作為定時(shí)/計(jì)數(shù)器1（T/C1）的時(shí)鐘源。將單片機(jī)的T/C1置于相位和頻率可調(diào)PWM工作模式，此時(shí)，計(jì)數(shù)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(jì)算公式為：

PWM頻率=壓控振蕩器輸出頻率/（1+計(jì)數(shù)器上限值）                   （1）

圖中單片機(jī)選用AVR系列的ATmega128單片機(jī)。在T/C1的控制下，單片機(jī)由PB5和PB6可以輸出兩路互補(bǔ)的PWM波形，用來驅(qū)動(dòng)全橋逆變電路。

圖2 PWM信號(hào)發(fā)生電路

該信號(hào)發(fā)生器在掃頻控制，保護(hù)信號(hào)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(jī)控制相結(jié)合的方法，提高了掃描信號(hào)的頻率精度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)掃頻信號(hào)頻率和幅度的數(shù)字化控制。在保護(hù)信號(hào)的處理方面，當(dāng)外部電路出現(xiàn)異常時(shí)，可以用保護(hù)信號(hào)OV_I快速關(guān)斷與門，停止PWM信號(hào)的輸出，同時(shí)通過指示燈給出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)。另外，單片機(jī)通過檢測反饋回來的換能器兩端電壓信號(hào)和電流信號(hào)的相位差，可以實(shí)時(shí)調(diào)整PWM信號(hào)的輸出頻率，實(shí)現(xiàn)頻率自動(dòng)跟蹤。

3.2 全橋功放電路及其驅(qū)動(dòng)

單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)電流小，驅(qū)動(dòng)能力弱。需經(jīng)MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)芯片IR21844驅(qū)動(dòng)后才能控制MOSFET模塊。驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。單片機(jī)產(chǎn)生的PWM信號(hào)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(qū)時(shí)間調(diào)整端，通過調(diào)整圖3中電阻R7和R9的阻值可以調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間，防止全橋電路出現(xiàn)直通。

圖4 IR21844的輸入輸出時(shí)序圖

圖5所示為系統(tǒng)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(dāng)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（見圖3），此時(shí)Q3、Q6導(dǎo)通，Q4、Q5截止，變壓器T初級(jí)兩端的電壓U=V+，流經(jīng)變壓器初級(jí)線圈的電流方向由上至下；當(dāng)PW1為低電平，PW2為高電平時(shí)，Q4、Q5導(dǎo)通，Q3、Q6截止，變壓器T初級(jí)兩端的電壓U= -V+，變壓器初級(jí)線圈的電流方向?yàn)橛上轮辽稀Ｖ貜?fù)上述工作過程，就可以在輸出變壓器次級(jí)得到一個(gè)與主振信號(hào)同頻且電壓幅度較高的準(zhǔn)方波信號(hào)。由于功放管工作在伏安特性曲線的飽和區(qū)或截止區(qū)，集電極功耗降到最低限度，從而提高了放大器的能量轉(zhuǎn)換效率，使之可達(dá)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(shè)備中，超聲波電源與換能器的匹配設(shè)計(jì)非常重要，在很大程度上決定了超聲設(shè)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(diào)諧匹配兩個(gè)方面。匹配電路如圖5虛線框中所示。

阻抗匹配是指變換負(fù)載的阻值，使之與超聲波電源的最佳負(fù)載值相等，以確保負(fù)載獲得最大的電功率，而調(diào)諧匹配的目的是使換能器盡量接近純阻狀態(tài)，減少無功分量。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(hào)源接到換能器上，將會(huì)產(chǎn)生一部分無功分量，致使換能器有功功率相對(duì)減小[4]。因此需要在超聲波電源的輸出端通過匹配相反的感抗，使其負(fù)載為純電阻。

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

4 超聲波電源軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要是對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)頻率的設(shè)置和調(diào)整、液晶顯示和鍵盤輸入等控制，同時(shí)監(jiān)控各種反饋信號(hào)，調(diào)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(yàn)結(jié)果

圖6 軟件流

采用設(shè)計(jì)的超聲波電源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，調(diào)整電感使調(diào)諧電路工作頻率為66.53kHz，測得輸出變壓器初級(jí)電壓電流波形如圖7所示。從圖中可見，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(xiàn)了頻率跟蹤功能。電源在長時(shí)間大功率連續(xù)工作中穩(wěn)定可靠，開關(guān)管和吸收電路、散熱器均不發(fā)熱。

圖7 輸出變壓器初級(jí)電壓電流波形

6 結(jié)束語

設(shè)計(jì)的超聲波清洗電源，采用模擬電路與單片機(jī)控制相結(jié)合的方式產(chǎn)生PWM信號(hào)，克服了模擬電路的固有缺陷，實(shí)現(xiàn)了靈活多樣的控制功能，同時(shí)又解決了單片機(jī)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(tǒng)具有過流、過熱、過壓保護(hù)功能，可靠性高，并能夠?qū)崟r(shí)跟蹤換能器諧振頻率的變化，輸出功率穩(wěn)定。目前，該超聲清洗電源已成功運(yùn)用于深圳某公司，取得了良好的使用效果。■