基于56F803型DSP的大功率超聲波電源的設(shè)計(jì)

針對(duì)大功率超聲波電源高精度、高功率輸出的特點(diǎn)．對(duì)超聲波電源控制策略進(jìn)行了改進(jìn)。提出一種基于56F803型DSP的頻率跟蹤與功率調(diào)節(jié)相結(jié)合的周期分段移相控制策略．研究了基于此控制方法的超聲波電源。

關(guān)鍵詞：超聲波電源;頻率跟蹤與功率協(xié)調(diào)控制;超聲波發(fā)生器;數(shù)字信號(hào)處理器;56F803

1 引言

隨著科學(xué)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步．超聲波在超聲焊接、超聲清洗、干燥、霧化、導(dǎo)航、測(cè)距、育種等領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛。現(xiàn)在的大功率超聲波電源大都采用頻率跟蹤控制或功率控制。這種單一控制方法不僅會(huì)降低超聲波電源效率,而且會(huì)影響輸出精度和強(qiáng)度。如何使超聲波電源根據(jù)實(shí)際負(fù)載實(shí)時(shí),動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)輸出諧振頻率和功率,從而保證超聲波加工等操作的要求具有重要的理論研究和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2 超聲波電源系統(tǒng)的組成

超聲波電源系統(tǒng)主要由220V電源、整流濾波、高頻逆變單元、匹配網(wǎng)絡(luò)、檢測(cè)電路、PWM產(chǎn)生電路和驅(qū)動(dòng)電路組成,如圖1所示。

220V單相交流電經(jīng)過二極管不可控整流電路得到直流電壓,然后經(jīng)過由MOSFET組成的高頻逆變電路得到滿足換能器要求的高頻電壓。為減少高頻工作條件下MOSFET的開關(guān)損耗,高頻逆變電路采用帶輔助網(wǎng)絡(luò)的全橋結(jié)構(gòu),如圖2所示。此電路結(jié)構(gòu)解決了傳統(tǒng)零電壓開關(guān)(ZVS)PWM電路變壓器漏感小且滯后橋臂難于實(shí)現(xiàn)ZVS的問題。同時(shí),根據(jù)電流增強(qiáng)原理,此電路結(jié)構(gòu)可在任意負(fù)載和輸入電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān),大大減少了占空比丟失。超聲波電源與換能器匹配的好壞將決定整個(gè)電路的控制效果。因此,應(yīng)該對(duì)匹配網(wǎng)絡(luò)每個(gè)參量(高頻變壓器匝比K,輸出匹配電感Lf)進(jìn)行嚴(yán)格的計(jì)算。匹配主要指為使發(fā)生器輸出額定電功率,進(jìn)行阻抗變換匹配。以及為使發(fā)生器輸出最高效率進(jìn)行調(diào)諧匹配。

采用56F803型DSP作為控制電路的核心處理器．它內(nèi)置2 KB SRAM,31．5 KB FLASH,同時(shí),其40 MHz的CPU時(shí)鐘頻率比其他單片機(jī)具有更強(qiáng)的處理能力。6路PWM信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)高頻逆變電路開關(guān)管MOSFET的移相控制。12位A／D轉(zhuǎn)換器采集可以實(shí)現(xiàn)電壓和電流采樣并滿足采樣數(shù)據(jù)精度的要求。利用56F803型DSP中定時(shí)器的捕獲功能可以精確計(jì)算相位差大小,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的頻率跟蹤控制。串行外設(shè)接口SPI與MCl4489配合使用可以實(shí)現(xiàn)對(duì)5位半數(shù)碼管的控制．從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)頻率和功率的顯示。另外,56F803還支持C語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言混合編程的SDK軟件開發(fā)包．可以實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試。

驅(qū)動(dòng)電路采用IR21lO型驅(qū)動(dòng)模塊．它具有集成度高,響應(yīng)速度快(tar/taff=120 ns／94 ns）,偏值電壓高(600 V),驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng),成本低和易于調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)。IR2110是基于自舉驅(qū)動(dòng)原理的功率MOSFET驅(qū)動(dòng)電路．驅(qū)動(dòng)信號(hào)延時(shí)為納秒級(jí),開關(guān)頻率可以從數(shù)十赫茲到數(shù)百千赫茲。同時(shí),IR2110還具有比較完善的保護(hù)功能(如欠壓檢測(cè)、抗干擾、外部保護(hù)閉鎖等)。一個(gè)IR2110可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)單橋臂的上下二個(gè)MOSFET,因此,使用少量分立元件和一路控制電源就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)橋臂MOSFET 的驅(qū)動(dòng)控制,這樣大大減小了驅(qū)動(dòng)電路的體積和成本。

3 系統(tǒng)的控制策略

超聲波電源系統(tǒng)采用頻率跟蹤和功率調(diào)節(jié)相結(jié)合的控制策略,從而使發(fā)生器在輸出最大功率時(shí)可達(dá)到最高效率。此種控制策略主要通過控制PWM的周期(也就是控制開關(guān)頻率)和PWM控制波形的移相角來實(shí)現(xiàn)。