超声电源系统的发展概况和趋势

《超声电源系统的发展概况和趋势》由会员分享，可在线阅读，更多相关《超声电源系统的发展概况和趋势（17页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、摘要超声技术在现代的科技和发展中有着举足轻重的地位，超声技术波及的领域广、技术高、以便快捷是一种科技大国必须要掌握的一项科学技术，通过几十年的发展和推广,在超声清洗、超声焊接、超声加工器件等多种领域均有着明显的成就,解决了许多老式设备解决不了的问题,充足的呈现了科技的技术和发展。现如今,诸多高科技机械中一般的电源设备已经无法满足所输出的功率，固而超声电源会逐渐替代这一领域。本课题重要是设计一种正弦超声电源,设计实现一种可调控的输出功率和频率平稳、输出波形是正弦波的功率超声电源。电源输出频率为0Kz5K,输出电压的范畴为300,最大功率为30W，输出频率在一定的范畴内具有自动跟踪和调节的功能。实

2、验表白，本课题中所提出和设计的超声电源性能良好、将来前景广泛。核心词：超声电源 超声波发生器 逆变电源电路 C变换电路目录1绪论1.1 本设计完毕的重要研究工作21.2 超声电源的发展历程1.3 超声发生器的国内外现状：31.3.1 国外发呈现状31.2 国内发呈现状314 电力电子器件技术发呈现状41. 国内单片机的发展51. 现代逆变电源的发呈现状16.1智能化控制7.7超声电源的定义72 模拟与超声电源的基本电路2.1 模拟电路超声波发生器2.11超声波振荡器9 硬件电路构造10.1 功率调节电路103.2 C变换电路13 逆变主电路设计123.4 驱动电路设计与分析13. 滤波电路设计

3、3.6 反馈电路设计44 控制软件设计15 1 绪论.1 本设计完毕的重要研究工作本设计需要实现一种输出功率和频率平稳线性范畴可调,输出波形直接是正弦波的功率超声电源。并且输出频率在一定范畴内具有自动跟踪和调节功能;功率输出上采用比恒功率技术6。重要研究工作一是设计系统原理构造及硬件电路构造，其中超声电源系统重要由整流滤波电路、直流斩波电路、推挽逆变电路、匹配电路、换能器和反馈电路等部分构成。硬件电路由功率调节电路，BUC变换电路17,逆变主电路1821，驱动主电路，滤波电路1和反馈主电路构成22。二是控制软件的设计,整个控制软件重要实现的功能有：SM波控制输出、控制输出电压的PW波23-24

4、、显示屏正常显示功能;键盘值输入拟定、电流最大值的AD采样控制、电压值的D采样控制、相位差值D采样控制;开关量的输入有过热、过流及相位超前或滞后的判断25。1.2 超声电源的发展历程随着科技的日新月异,电力电子器件的发展非常迅速,迄今为止，已经发展处诸多不同原理、不同特性的电力电子器件。一代期间决定一代电力电子技术,超声波发生器的发展离不开电力电子器件的发展，并在一定限度上是随之发展的，根据超声波发生器末级功放管所采用的器件类型,可看出其发展所经历的几种阶段：一、初期的产品是采用电子管,然后发展到可控硅逆变式超声发生器，它们缺陷诸多，都已经被裁减；二、晶体管式超声发生器,不易于采用先的数字方式

5、来解决，仅在小功率(200W如下）应用;三、功率模块超声发生器,通过调节开关管的占空比来控制输出的功率,易于采用数字方式控制1112。1. 超声发生器的国内外现状：1.31 国外发呈现状最早的超声波器件是883年Glto发明的气哨。第一次世界大战期间,Langevin发明的钢-石英-钢构造的夹心压电换能器标志着在低频大功率超声设备上获得重大进展。在20世纪代，WP.Mason发明变幅杆1,它与换能器连接可获得高强度超声波振动，开创功率超声波在固体媒介中的应用。这些功率超声理论的应用有超声清洗、焊接、加工、雾化、乳化等。年代中期，美国在超声加工、焊接等方面已处在生产应用阶段，后来形成原则。德国和

6、英国对功率超声工业应用进行大量研究工作，并积极应用于生产。9年代,新型智能化超声波电源得到迅速发展，并应用于多种领域4。1.3.2 国内发呈现状国内功率超声的研究始于2世纪的50年代初，以研究超声波加工、清洗、焊接等应用为先导15。从20世纪8年代开始,超声波电源使用大功率高频开关管替代电子管或可控硅，电路中设频率跟踪、过压、过流保护电路。195年华南理工大学运用晶体管研制出50W-1k1kHz一32kHz超声波目前国内超声波电源已研制出从十几kH到几MHz，功率从几十W到几百W。随着换能器、电力电子技术和现代控制理论研究和应用的不断发展,超声波电源已经成功地应用在各类超声设备上，如超声清洗、

7、焊接、雾化、研磨、医疗等。现如今,超声系统被广泛的应用于工业生产、环保、卫生保健、超声清洗和超声电源等多种方面的领域,近十年来,国内对超声技术及其应用研究异常活跃，超声电源可以用来给换能器提供声频电信号。按照鼓励方式，超声电源有两种，分别为她激式和自激式。她激式超声波电源是有信号发生器和功率放大器构成，超声能量通过输出变压器耦合加载到换能器上从而实现;而自激式超声波电源是把功率放大器、换能器、信号发生器和输出变压器连成为一体,从而构成了一种闭环回路,闭环回路规定同步满足相位反馈和幅度反馈的条件。超声波电源的发展可以提成为电子管放大器、晶体管模拟放大器和晶体管数字开关放大器这几种阶段。1.4 电

8、力电子器件技术发呈现状 在世纪美国通用电气公司(G)自主研究出来的电力电子器件晶闸管发布以来,有有关电子器件产品的经历分为了四个阶段,以晶闸管为首的第一阶段,又被称做可控硅整流器，此前被简称为可控硅,晶闸管是PNPN四层半导体构造,它有三个极:阳极,阴极和门极; 晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。第二阶段以T、GTR等全控器件为重要发展代表，虽然重要还是靠控制电流模式来实现，但这项器件使高频化得以实现。第三阶段的机器器件发展为功率器件,OFER开关频率高可用于00Hz以上的超声

9、波电源，但其电压消耗过大使其功耗较大,制作费用较高，在超声波电源中的运用不广泛，但是对后来的科技发展打下了基本。第四阶段以高压集成电路，智能功率集成电路为代表,在科技不断的发展下使电力电子技术和微电子技术紧凑的结合在了一起，实现了器件和电路的集成、强电与弱电的集成和功率流与信息流的集成，成为了全新的智能化世代。1 国内单片机的发展国内开始使用单片机是在182 年,短短五年时间里发展极为迅速。19 年在上海召开了全国首届单片机开发与应用交流会,有的地区还成立了单片微型计算机应用协会,那是全国形成的第一次高潮。截止今日,单片机应用技术飞速发展,我们上因特网输入一种“单片机”的搜索，将会看到上万个简

10、介单片机的网站，这还不涉及国外的。与它相应的专业杂志目前也有诸多,例如由单片机界的权威何立民主编的单片机与嵌入式系统应用杂志现以风行电子界，在7月,9st.om（9 猎头网)在上海、广州、北京等大都市所做的一次专业人才需求报告中，单片机人才的需求量位居第一。一块小小的片子，为什么有这样的魔力?我们一方面从它的构成说起：单片机,亦称单片微电脑或单片微型计算机。它是把中央解决器（CPU)、随机存取存储器（RAM)、只读存储器(O）、输入/输出端口（I/0）等重要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。计算机的产生加快了人类改造世界的步伐,但是它毕竟体积大。微计算机（单片机)在这种状况

11、下诞生了，它为我们变化了什么?纵观我们目前生活的各个领域，从导弹的导航装置,到飞机上多种仪表的控制,从计算机的网络通讯与数据传播，到工业自动化过程的实时控制和数据解决,以及我们生活中广泛使用的多种智能IC卡、电子宠物等,这些都离不开单片机。此前没有单片机时，这些东西也能做,但是只能使用复杂的模拟电路,然而这样做出来的产品不仅体积大,并且成本高，并且由于长期使用，元器件不断老化,控制的精度自然也会达不到原则。在单片机产生后,我们就将控制这些东西变为智能化了，我们只需要在单片机外围接一点简朴的接口电路，核心部分只是由人为的写入程序来完毕。这样产品的体积变小了，成本也减少了，长期使用也不会紧张精度达

12、不到了。因此,它的魔力不仅是在目前，在将来将会有更多的人来接受它、使用它。据记录，国内的单片机年容量已达1 亿片,且每年以大概1%的速度增长,但相对于世界市场国内的占有率还不到1%。特别是沿海地区的玩具厂等生产产品多数用到单片机,并不断地辐射向内地。因此,学习单片机在国内是有着广阔前景的。1 现代逆变电源的发呈现状逆变电源是一种采用电力电子技术进行电能变换的装置，它从交流或直流输入获得稳压恒频的交流输出。逆变电源技术是一门综合性的专业技术,它横跨电力、电子、微解决器及自动控制等多学科领域,是目前电力电子产业和科研的热点之一。逆变电源广泛应用于航空、航海、电力、铁路交通、邮电通信等诸多领域,其重

13、要发展趋势分为如下几种方面：1. 高频化 PW开关电源按硬开关模式工作时,在开关过程中，功率开关器件的电压和电流波形有交叠，因而开关损耗大。高频化可以缩小感性元件和容 性元件的体积重量,但开关频率越高，开关损耗越大。为此，必须采用措施来提高高开关频率DC/DC转换器的效率。人们研究了在开关过程中开 关器件的电压和电流波形不相交叠的技术，即所谓零电压开关（S)和零电流开关（ZCS）技术，总称为软开关技术（相对于PWM硬开关技术而言）。除了减小开关损耗以外，应用软开关技术还可以大大减少开关的噪声,以及减小了开关电源对外界的电磁干扰。2. 大容量技术 先如今的科技重要追求体积小容量大的方面，电路方面

14、也不例外,在器件中多种的串联和并联目的就是为了提高容量,另一方面也可以将多种电源进行串连并连，其目的也是为了更好的提高容量。超声波技术的不断发展变将逆变电源的大容量化转化成了最为迫不及待解决的问题。 .6.1智能化控制 在有可靠的规定的前提下提高电源的可靠性,逆变电源正在一步一步朝向现代化、智能化发展,下一代的发展目的为具有远程控制、有只能接口的计算机、可以诊断故障的智能电源等等。.7 超声电源的定义超声电源也称为超声波功率源、超声波发生器,超声电源系统的重要部分由整流滤波电路、直流斩波电路、推挽逆变电路、匹配电路、换能器和反馈电路等部分构成，硬件电路涉及功率调节电路、BUCK变换电路、逆变主

15、电路、驱动主电路、滤波电路和反馈主电路等。其中功率调节电路是对输入信号进行调节；UCK变换电路即为降压变换电路,是用于直流的降压变换；逆变电路是指将低电压变为高电压,把直流电变为交流电的电路，它的基本作用是在控制电路的控制下将中间的直流电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源;驱动电路的基本任务是将信息电子电路传来的信号按照其控制目的的规定转换为加在电力电子器件控制端间,可以使其开通或关断信号;滤波电路的作用是尽量减小脉动的直流电压中的交流成分,保存其直流成分，使输出电压纹波系数减少,波形变滑；反馈电路是将放大器输出信号的一部分或全波回收到放大器输入端与输入信号进行比较并用所比较

16、所得的有效输入信号去控制输出 本课题的选题背景意义随着时代的发展和进步,超声技术越来越融入现实中,代表了如今世界领先的技术,在生物治疗,超声洗衣,零件器件加工等多种领域中有强烈的体现和杰出的效率,采用了超声系统的加工技术不仅在环境污染方面和老式的模式有着巨大的改善,并且在加工过程中的速度和效率均有着巨大的提高,还可以完毕一般的科学技术完毕不了的任务,而超声电源在多种领域内均有波及,它是每个机械都不可缺少的部分,电源即为机械的主线,也是器件的头一道工作过程,对研究超声电源越广泛越精湛可以使所有领域的器件有了一种定心丸，因此，本课题所设计的超声电源在工业、农业、电子信息、医疗卫生、环境环保等多种领

17、域具有重要的意义。由于国内研究起步较晚,超声发生器的发展满足不了国内各大领域的顶级器件,所有对超声系列将来的发展可以说是十分广阔、前程无量,因此国内对研究超声技术的人员需求量越来越大,从事这一行业的研究人员也越来越多，大大的推动了国内的超声技术的发展,超声波电源和超声技术正在朝向全现代化、数字化、多面化发展、具有科技领先并有智能接口还可以实现远程控制的超声电源是将来几年国内迈向科技发达大国的发展趋势也同样是必经之路。2 模拟与超声电源的基本电路1 模拟电路超声波发生器超声波发生器采用现如今科技领先的她激式的振荡电路构造，和自激式振荡电路相比较在功率的输出上可以增长百分之十以上,在用超声波发生器

18、下的电路采用的是开关电源电路和线性放大电路,两种电路各有长处。会有一种特定的频率信号在超声波发生器中产生,这个信号有诸多种，可以是正弦信号也可以是脉冲信号,这个发出的指定信号是换能器在工作中所产生的频率，一般的超声波频率为2KHz、25z、8KH、33KHz、4KHz、0KH、80Hz、100KHz或者以上未大量使用。超声波发生器又分诸多种，例如可调超声波发生器、100W/30W超声波发生器、小功率超声波发生器、高频超声波发生器、大功率超声波发生器、数字显示超声波发生器。211超声波振荡器 超声波振荡器是频繁的运用高频声波不断的产生震荡,可对做到对溶液搅拌用来清洗器皿,还可以运用超声波振荡器用

19、来融入到洗衣机机里洗衣服，采用全不锈钢构造，耐酸耐碱，且美观实用。超声波振荡器采用分体式构造，用高频线把超声发生器和震板连接起来，让对其保养和使用起来更加以便，安装起来更加灵活，布置简朴。超声波震荡器为一种用于在诸如新成型的线材股等压延金属工件的邻域中产生紊动的超声波振荡器。一种用于使得工件受到紊动液流作用的超声波振荡器，涉及：一种第一槽；配备在所述第一槽中的液体，其中在振荡器操作中,工件浸没在所述液体中;连接到所述第一槽从而与所述液体有机械联系的一种换能器,所述换能器的构造是在所述液体中产生超声波,从而在邻接工件的液体中产生紊流；以及连接到所述换能器用于引起所述换能器以至少10KHZ的频率振

20、荡的一种换能器驱动系统。超声电源系统重要由整流滤波电路、直流斩波电路、推挽逆变电路、匹配电路、换能器和反馈电路等部分构成。超声波电源的原理构造如图所示。图1 超声波电源系统原理构造3 硬件电路构造电源输入为交流市电，在进行了整流滤波后，得到大概00V左右的直流电。超声电源整体电路框架如图2所示。使用降压式变换器用于调压，根据输出电压的规定，可以通过软件编程变化驱动开关管P信号的占空比,以得到不同的输出电压。与财通电路配合，可对输出进行稳压和限流保护。图 超声电源整体电路框图3.1 功率调节电路近年来单级PFC的研究集中于如何简化老式的PF控制电路构造，避免对输入电压采样和使用复杂的模拟乘法器。

21、有关文献中提出的单周期控制（On-CyleCntrol，OCC)的PF电路较好的解决了这个问题。目前已有两种基于单周期控制的PF芯片,它们不仅渐变可靠，并且外围所需元件少。为PFC电路的设计提供了优秀解决方案。本电路采用了英飞凌公司的ICE2PCS01功率调节芯片。它与同款的IR50相比较性能可靠，容易调节(图功率调节电路)。T1是扼流线圈、7是电桥、U2是I2C01。电路参照ICE01应用文档。3.2 UCK变换电路用于调压的降压BUCK变换器电路如图4,它与直流变换器想必，为了减少输出纹波,在输出端接电感、电容滤波电路,为续流二极管。其输出电压平均值，总是不不小于输入电压。通过电感中的电流

22、与否持续，取决于开关频率、滤波电感和电容的数值。当电路工作频率较高,若电感和电容量足够大并未抱负元件，电路进入稳态后,可以觉得输出电压为常数。当晶体管导通时,电感中电流呈线性上升，因此式中tn为晶体管导通时间。当晶体管截至时,电感中电流不能突变，电感上感应电动势使二极管导通，这时式中,toff为晶体管截至时间。在稳态时，iVionif。由于电感滤波保持了直流分量,消除了谐波分量。输出电流平均值为在电路中，主开关光和续流二极管的选择尤为重要。根据实际状况,选用IR460L型的作为电路的主开关管，采用ER106作续流二极管。3 逆变主电路设计功率开关管Q1Q4以及续流二极管D14构成。若采用两电平

23、调制措施,且所需电流方向与图5方向一致，在线圈电流小鱼参照电流时，Q1、Q4导通,线圈电流上升;当线圈电流不小于参照电流时,D2、D3导通,线圈电流减少。这样就可以通过1、D2、Q4的导通和关断，使线圈中的电流达到给定值。若采用三电平调制措施,全桥电路有诸多种驱动方案,但是也都可以归结于三种状态(以所需电流方向与图示i方向相似为例）充电状态1、4导通，电流增长;徐柳状态2、Q4导通,电流缓慢减小；图5全桥电路放点状态，、D3导通，电流迅速减小。34 驱动电路设计与分析基于IR2110的驱动电路(此外一种半桥硬件电路与之完全对称)图6所示。I2110的HIN、SD和LI的控制信号有主控芯片dPI

24、C30F0A提供，这个款单片机/输出高电平为5V。高压侧的负偏压由C26，D24，R67产生,67的平均电流应不不不小于1mA。低压侧由+1V，R65，C30，D22产生。两路负偏置约为-4.V。如图6半桥驱动电路3.5 滤波电路设计滤波器是开关放大器电路中的重要辅助部件。为了从PWM开关信号中答复出所需要的正弦波信号,一般采用低通滤波器。由于所要输出的电压级别高,平率在18kH以上，采用有源滤波会导致电路复杂，成本增大，而采用电路简朴的无源滤波器就可以达到滤掉高次谐波的目的,因此本论文选择无源滤波器。软件设计上采用软开关技术，在高频下减小损耗，提高效率，以达到大功率正弦输出目的。使用异步调制

25、方式，单极性混合HPWM控制方式,功率变换技术才有Z零电压软开关技术。3.6 反馈电路设计超声电源及时跟踪超声系统谐振频率至关重要，即超声电源应具有频率自动跟踪能力。本文设计的控制系统需要从下面两个方面入手：1、取样和信号调理电路。对电源输出电压取样采用的是电阻取样方式(图7电压取样电路图）,电流取样采用的是霍尔元件A7取样方式（图电流取样电路）。取样信号放大,转换为0-直流信号，供单片机A/采样。单片机重要完毕测量值的/D转换，一句控制算法，进行电源频率的数字量的计算。4 控制软件设计本文中整个控制软件重要实现的功能有:SW波控制输出、控制输出电压的PWM波、显示屏正常显示功能；键盘值输入拟

26、定、电流最大值的A采样控制、电压值的D采样控制、相位差值A采样控制;开关量的输入有过热、过流及相位超前或滞后的判断。重要模块有：）M控制生成模块重要对dPC601单片机的点击控制PM的各寄存器的配备涉及有:PWM时基控制寄存器配备、PW时基周期寄存器配备、W占空比寄存器、PW控制寄存器1配备、死区时间控制寄存器1配备、死区时间控制寄存器2。2)频率自动跟踪软件模块涉及两部分全程固有频率搜索模块和频率自动跟踪;电源启动后,在超声加工开始前，电源要对超声系统的固有频率进行确认。主程序调用全程固有频率搜索模块,在kHz35z（范畴可调)搜寻系统具有最大电流点的固有频率，然后电源将它设定为工作频率，开

27、始超声加工。为了迅速完毕这种大范畴的额搜索，考虑到超声系统的多峰值性和一般的谐振电流大小,这里设定了一种电流门槛值Curent。例如,一般谐振电流2左右，可以设定urren1A。当电流不不小于这个门槛时,以大步长搜索,而在门槛之内时,换一小步长搜索,这样可以大大加快搜索晋城,而不失精确度。执行完这个模块，电源就基本上工作在系统谐振频率附近了。频率自动跟踪程序模块重要解决超声加工过程中的缓慢频率漂移和并不太大的频率瞬间突变状况。它置于采样控制周期的中断程序里，采样和控制周期为0.s(可调)。该模块每个周期都会被无条件执行一次。为了迅速跟踪谐振频率的突变,程序模块也采用了变步长方略。实验表白,超声

28、谐振点左右的振幅并不堆成，高频侧频带宽某些,因此程序尽量将工作频率位于谐振点偏高频一侧，进一步提高控制系统的稳定性。3)比功率恒定控制系统模块是指超声加工过程中，机械负载常常变动,如不加以控制,机械振幅也将随之变化，直接影响到加工质量和工艺过程的稳定。超声电源和换能器容易损坏。这就是规定超声电源具有输出功率调节能力，使单位机械负载小号功率恒定,称为比功率恒定控制。3 结束语 论文为了提出一套以便实用的超声波电源设计方案,对电路中的功率放大器的选择,开关功率放大器输出波形的特点、控制器件及控制方式的选择进行了分析比较。随着功率超声研究应用领域的不断进一步和团战,越来越需要稳定、高效、可靠的新一代智能化功率超声电源。