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，超聲波清洗機被廣泛應用于電子、機械、鐘表、光學、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?，F(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） 或單片機產(chǎn)生PWM 脈沖信號, 經(jīng)功率放大、阻抗和調(diào)諧匹配后, 推動換能器將電信號轉(zhuǎn)換為機械振動, 產(chǎn)生超聲波。這兩種電源都存在著各自的局限性，前一種控制方法動態(tài)響應慢，參數(shù)調(diào)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(wěn)定度的控制特性，實現(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信號頻率分辨率較低，難以滿足頻率的微調(diào)。針對以上超聲波電源存在的諸多問題，本文基于PWM技術(shù)，應用單片機結(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，送至負載換能器?？刂齐娐分饕獮槟孀冎麟娐诽峁╅_關(guān)脈沖信號，驅(qū)動逆變主電路工作，并借助反饋回路和給定電路來實現(xiàn)對逆變器的閉環(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

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(jié)合的方式產(chǎn)生PWM信號。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作為定時/計數(shù)器1（T/C1）的時鐘源。將單片機的T/C1置于相位和頻率可調(diào)PWM工作模式，此時，計數(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頻率的計算公式為：

PWM頻率=壓控振蕩器輸出頻率/（1+計數(shù)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，用來驅(qū)動全橋逆變電路。

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(jié)合的方法，提高了掃描信號的頻率精度，同時實現(xiàn)了對掃頻信號頻率和幅度的數(shù)字化控制。在保護信號的處理方面，當外部電路出現(xiàn)異常時，可以用保護信號OV_I快速關(guān)斷與門，停止PWM信號的輸出，同時通過指示燈給出相應的報警信號。另外，單片機通過檢測反饋回來的換能器兩端電壓信號和電流信號的相位差，可以實時調(diào)整PWM信號的輸出頻率，實現(xiàn)頻率自動跟蹤。

3.2 全橋功放電路及其驅(qū)動

單片機輸出的PWM信號電流小，驅(qū)動能力弱。需經(jīng)MOSFET柵極驅(qū)動芯片IR21844驅(qū)動后才能控制MOSFET模塊。驅(qū)動電路如圖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/輸出時序圖如圖4所示。SD端接高電平時，HO和LO正常輸出，接低電平時，2個輸出端被封鎖。DT為死區(qū)時間調(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)時間，防止全橋電路出現(xiàn)直通。

圖4 IR21844的輸入輸出時序圖

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PW1為高電平，PW2為低電平時，HO1和LO2為高電平，HO2和LO1為低電平（見圖3），此時Q3、Q6導通，Q4、Q5截止，變壓器T初級兩端的電壓U=V+，流經(jīng)變壓器初級線圈的電流方向由上至下；當PW1為低電平，PW2為高電平時，Q4、Q5導通，Q3、Q6截止，變壓器T初級兩端的電壓U= -V+，變壓器初級線圈的電流方向為由下至上。重復上述工作過程，就可以在輸出變壓器次級得到一個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)諧匹配兩個方面。匹配電路如圖5虛線框中所示。

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(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，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，將會產(chǎn)生一部分無功分量，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)動下達到諧振。

4 超聲波電源軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要是對單片機進行編程，實現(xiàn)頻率的設(shè)置和調(diào)整、液晶顯示和鍵盤輸入等控制，同時監(jiān)控各種反饋信號，調(diào)整占空比改變輸出功率，完成掃頻、定時、軟啟動功能等。程序流程圖如圖6所示。

5 實驗結(jié)果

圖6 軟件流

采用設(shè)計的超聲波電源進行實驗，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，較好地實現(xiàn)了頻率跟蹤功能。電源在長時間大功率連續(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 輸出變壓器初級電壓電流波形

6 結(jié)束語

設(shè)計的超聲波清洗電源，采用模擬電路與單片機控制相結(jié)合的方式產(chǎn)生PWM信號，克服了模擬電路的固有缺陷，實現(xiàn)了靈活多樣的控制功能，同時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(tǒng)具有過流、過熱、過壓保護功能，可靠性高，并能夠?qū)崟r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用于深圳某公司，取得了良好的使用效果。■