超声波电源的设计

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1、-.-.考试资料.集集 美美 大大 学学毕业设计论文毕业设计论文毕业设计题目毕业设计题目超声波电源的超声波电源的设计设计专专业业 机械机械设计制造及其设计制造及其自动化自动化班班级级机机制制 0614姓姓名名陈曦曦陈曦曦学学号号2004710175指导教师指导教师胡胡 玉玉 生生职职称称副教授副教授机械工程学院2010 年6 月 2 日-.-.考试资料.超声波电源的设计摘要几十年来，超声加工技术的发展迅速，在型孔和型腔的加工、切割加工、超声波清洗、超声复合加工、超声波焊接领域均有较广泛的研究和应用，解决了许多关键性的工艺问题，取得了良好的效果。本文首先介绍了国内外在超声波电源方面的发展状况，然

2、后详细分析了超声波设备的组成、关键技术以及设计难点，并以一种 200w 超声加工电路为方案设计、制作了超声波发生器，应用于超声加工。通过对模拟与数字超声电源基本电路的介绍，了解超声波电源的频率跟踪、功率控制、稳速、过电压、过电流以及阻抗匹配等关键技术。接着对所设计电路的各部位电路进行分析和设计。在此基础上，详细介绍了整流电路、滤波电路、半桥逆变电路、超声波发生器与换能器的匹配设计以及用 Protel软件设计 PCB 图，然后进行电路板的制作和试验。最后对所设计的电路的特点进行归纳与总结。关键词:：超声波发生器；超声波换能器；频率跟踪；阻抗匹配；半桥逆变电路-.-.考试资料.The Design

3、 Of Ultrasonic PowerAbstractThe development of ultrasonic machining technology is rapid for decades.Type holes and cavity machining, cutting, ultrasonic cleaning, ultrasonic processing,and ultrasonic welding have a wider field of research and application, solves many keytechnology issues , achieved

4、good resultsThis paper introduces the domestic and international aspects in the developmentof ultrasonic power first. Then a detailed analysis of the composition of ultrasonicequipmentKey technologies and design difficultiesAnd design a 200wultrasonicgenerator which is used in ultrasonic machining .

5、Through the power of analog anddigital ultrasound description of the basic circuit, Learn about the frequency ofultrasonic power tracks, power control, steady speed, overvoltage, overcurrent andimpedance matching key technologies.Then designed circuits to all parts of the circuitanalysis and design.

6、 On this basis ,Details of the rectifier circuit, filter circuit,push-pull inverter circuit, impedance ,Ultrasonic generator and the matching designof transducerand PCB design using Protel software , and then proceed to circuit boardproduction and testing.Finally, the design characteristics of theci

7、rcuit of induction have summed up andsummarized.Keywords:ultrasonicgenerator;ultrasonictransducer;frequencytracking;Impedance matching;half-bridge inverter circuit目录摘要IAbstractII-.-.考试资料.引言11超声加工技术41.1超声波加工的原理41.2超声波加工的特点41.3超声波加工的应用52模拟与数字超声电源的基本电路62.1模拟电路超声波发生器62.1.1超声波振荡器62.1.2超声波放大器62.2数字超声波发生器7

8、2.3频率跟踪82.4功率控制102.4.1 输出功率控制系统102.4.2功率控制系统中 UC3875 的应用112.5 保护电路122.5.1 稳速电路122.5.2过电压、过电流保护电路122.5.3缓冲电路13350W 超声波发生器的电路设计143.1总体方案设计143.2整流、滤波电路的设计143.3 半桥逆变电路设计173.4磁环变压器173.5超声波发生器与换能器的匹配设计183.5.1 阻抗匹配193.5.2调谐匹配203.5.3关于匹配电感的设计213.6系统电路原理图233.6.1 电路的工作原理233.6.2各个元器件的作用24-.-.考试资料.3.6.3元器件的选取24

9、4.1印刷电路板设计254.1.1 设计步骤264.1.2设计电路版时应该注意的问题264.2 印制电路板的制作274.2.1 印制电路板的工具274.2.2 印制电路板的步骤274.3 电路板的焊接304.3电路板的调试31结论32致33参考文献33-.-.考试资料.引言超声波发生器，通常称为超声波电源。它的作用是把我们的市电（220V 或 380V，50或 60Hz）转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号。从放大电路形式，可以采用线性放大电路和开关电源电路， 大功率超声波电源从转换效率方面考虑一般采用开关电源的电路形式。线性电源也有它特有的应用范围，它的优点是可以不严格要求电路匹配，允

10、许工作频率连续快速变化。 从目前超声业界的情况看， 超声波主要分为自激式和它激式电源。超声波发生器采用目前世界领先的他激式震荡线路结构，较以前的自激式震荡线路结构在输出功率增加 10%以上，电气性能符合甲方提供销的技术标准（出厂标准）。发生器发展可以分为三个大的阶段； 第一个阶段是采用电子管放大器； 第二个阶段是采用晶体管模拟放大器；第三个阶段是采用晶体管数字(开关)放大器。1 电子管放大器在早期上世纪 80 年代前，信号的功率放大还采用电子管采用电子管的唯一好处呈它的动态范围较宽这个好处对于音频放大器致关重要，但对超声波发生器没有什么用处，因此一旦功率晶体管出现后即遭淘汰电子管的缺点很多，例

11、如，功耗大。体积大、寿命短，效率低。2 晶体管模拟放大器上世纪 80 年代到 90 年代中旬，功率晶体管发展已非常成熟，各种 OCL 及 OTL 电路均适用于发生器。信号发生器产生一个特定频率的正弦波， 经前置放大器进行信号放大， 推动功率放大器进行功率放大。再经阻抗变换，提供给换能器，其中 VCC，VEE 是通过变压整流、滤波后的直流电源。但模拟功率放大器有几个缺点：(1)功耗较大。由于 OTL，OCL 电路理论效率只有 78左右，实际效率更低，功耗大，导致功率管发热严重，需要较大的散热功率功率管的发热导致工作不太稳定。(2)体积大、重量重。-.-.考试资料.由于功率管输出的功率受到限制，

12、要输出较大的功率需要更多的功率管， 况且发生器所需求的直流电源是通过变压器降压、整流、滤波后得到的。大功率的变压器比较重，效率也比较低。(3) 不易使用现代的微处理器来处理，由于该电路呈现一个比较典型的模拟线路特征，用数字处理比较复杂，涉及到 AD(模拟转数字)和 DA(数字转模拟)，成本比较高，可靠性低。3. 晶体管开关型放大器随着电力电子器件的发展，特别是 VDMOS 管(垂直沟道 MOS 管，也可称功率场效应管)和 IGBT(隔离栅双极晶体管)的发展和成熟，使得采用开关式发生器成为可能，实际上开关型发生器的发展是开关电源的成果之一， 下面着重讨论晶体管开关型发生器。 开关型发生器的原理是

13、通过调节开关管的占空比(或导道与截止时间)采控制输出的功率。 由于晶体管在截止和饱和导通时的功耗很小，因此这种开关型发生器的特点是：(1)功耗低，效率高：开关管在开关瞬时的功耗较大，但时间很短，在截止或导道时的功耗很小。时间较长，因此总的功耗较小，而且基本恒定。最高效率可以达到 90以上。(2)体积小，重量轻：由于效率高，功耗低，使得散热要求较低，而且各个开关管可以推动的功率较大，加上直流电源直接变换使用，不需电源变压器降压，因此它的体积较小，重量轻，单位功率所占的体积和重量值较小。(3) 可靠性好。与微处理器等配合较容易，电子器件在工作时的温升较低，工作就可靠，加上全数字(开关)输出，可用微

14、处理器直接控制。4开关型发生器发展的几个过程开关型发生器的发展其实与开关型电源的发展息息相关， 而开关型电源发展又与电力电子开关器件的发展紧密相连。第一种型式是用双极开关晶体管(双极型开关晶体管)作为开关电源的开关管， 它的主要缺点是由于双极开关管的上升、下降时延较大，开关频率不能太高(一般在 20KHz 以下)线路成熟，价格低。在开关电源场合还有很多应用，但在超声波发生器中由于开关频率电力电子开关器件的发展过程低，没有太大的应用。第二种型式是用 VDMOS 管(垂直沟道 MOS 管，或称功率 MOS 管)，VDMOS 管也有几代的发展，其主要优点是：开关频率高(可达 1MHz)，驱动简单 (

15、电压型驱动)，抗击穿性妤(没有雪崩效应)，缺点是耐高压的器件，导通电阻大在高压大电流场合功耗较大，因-.-.考试资料.此大功率(1 500W 以上)有些困难，但随着 VDMOS 工艺不断改进 输出功率也越来越大。在超声波中可以用于 100kHz 以上的发生器。第三种型式是 IGBT(隔离栅双极管)，是一种 MOS 与双极管结合的产物，既有 MOS 管开关频率高，驱动简单等优点，也有双极管导通压降小，耐压高等优点。它的开关频率日前可以在 4050KHz，功率可以达到 5000w，在一般超声波发生器中可以很少的运用，它的价格较高，保护线路要求复杂。电力电子器件经历了工频，低频，中频到高频的发展历程

16、，与此相对应，电力电子电路的控制也从最初以相位控制为手段的由分立元件组成的控制电路发展到集成控制器 再到如今的旨在实现高频开关的计算机控制， 并向着更高频率， 更低损耗和全数字化的方向发展。模拟控制电路存在控制精度低，动态响应慢、参数整定不方便、温度漂移严重。容易老化等缺点。 专用模拟集成控制芯片的出现大大简化了电力电子电路的控制线路。 提高了控制信号的开关频率，只需外接若干阻容元件即可直接构成具有校正环节的模拟调节器，提高了电路的可靠性。但是，也正是由于阻容元件的存在，模拟控制电路的固有缺陷，如元件参数的精度和一致性、元件老化等问题仍然存在。此外，模拟集成控制芯片还存在功耗较大、集成度低、控

17、制不够灵活，通用性不强等问题。用数字化控制代替模拟控制，可以消除温度漂移等常规模拟调节器难以克服的缺点，有利于参数整定和变参数调节， 便于通过程序软件的改变方便地调整控制方案和实现多种新型控制策略， 同时可减少元器件的数目、 简化硬件结构， 从而提高系统的可靠性。 此外 还可以实现运行数据的自动储存和故障自动诊断， 有助于实现电 力电子装置运行的智能化。-.-.考试资料.1超声加工技术1.1超声波加工的原理超声波加工（ultrasonic machining，USM）是利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液加工硬脆材料的一种加工方法。超声波加工是磨料在超声波振动作用下的机械撞击和抛磨作用与超

18、声波空化作用的综合结果，其中磨料的连续冲击是主要的。图 1-1 超声加工的原理加工时在工具头与工件之间加入液体与磨料混合的悬浮液， 并在工具头振动方向加上一个不大的压力，超声波发生器产生的超声频电振荡通过换能器转变为超声频的机械振动，变幅杆将振幅放大到 0.010.15mm，再传给工具，并驱动工具端面作超声振动，迫使悬浮液中的悬浮磨料在工具头的超声振动下以很大速度不断撞击抛磨被加工表面， 把加工区域的材料粉碎成很细的微粒，从材料上被打击下来。虽然每次打击下来的材料不多，但由于每秒钟打击 16000 次以上，所以仍存在一定的加工速度。与此同时， 悬浮液受工具端部的超声振动作用而产生的液压冲击和空

19、化现象促使液体钻入被加工材料的隙裂处， 加速了破坏作用， 而液压冲击也使悬浮工作液在加工间隙中强迫循环，使变钝的磨料及时得到更新。1.2超声波加工的特点(1)加工范围广a可加工淬硬钢、不锈钢、钛及其合金等传统切削难加工的金属、非金属材料；特别是一些不导电的非金属材料如玻璃、陶瓷、石英、硅、玛瑙、宝石、金刚石及各种半导体等，对导电的硬质金属材料如淬火钢、硬质合金也能加工，但生产率低。b适合深小孔、薄壁件、细长杆、低刚度和形状复杂、要求较高零件的加工；c适合高精度、低表面粗糙度等精密零件的精密加工。(2)切削力小、切削功率消耗低由于超声波加工主要靠瞬时的局部冲击作用， 故工件表面的宏观切削力很小，

20、 切削应-.-.考试资料.力、切削热更小。(3)工件加工精度高、表面粗糙度低可获得较高的加工精度（尺寸精度可达 0.0050.02mm）和较低的表面粗糙度(Ra值为 0.050.2)，被加工表面无残余应力、烧伤等现象，也适合加工薄壁、窄缝和低刚度零件。（4）易于加工各种复杂形状的型孔、型腔和成型表面等。（5）工具可用较软的材料做成较复杂的形状。（6）超声波加工设备结构一般比较简单，操作维修方便。1.3超声波加工的应用.型孔和型腔的加工超声波目前主要应用在脆硬材料的圆孔、型孔、型腔、套料、微细孔等的加工。.切割加工对于难以用普通加工方法切割的脆硬材料如陶瓷、石英、硅、宝石等用超声波加工具有切片薄

21、、切口窄、精度高、生产率高、经济性好等优点。.超声波清洗其原理主要是基于清洗液在超声波作用下产生空化效应的结果。 空化效应产生的强烈冲击液直接作用到被清洗的部位，使污物遭到破坏，并从被清洗表面脱落。此方法主要用于几何形状复杂、 清洗质量要求高而用其它方法清洗效果差的中小精密零件，特别是工件上的深小孔、微孔、弯孔、盲孔、沟槽、窄缝等部位的精清洗，生产率和净化率都很高。 目前在半导体和集成电路元件、 仪器仪表零件、 电真空器件、 光学零件、医疗器械等的清洗中应用。4超声波焊接超声波焊接就是利用超声振动作用去除工件表面的氧化膜， 使工件露出本体表面， 使两个被焊工件表面在高速振动撞击下摩擦发热并亲和

22、粘在一起。 它可以焊接尼龙、 塑料及表面易生成氧化膜的铝制品，还可以在陶瓷等非金属表面挂锡、挂银，从而改善这些材料的可焊性。5复合加工在超声波加工硬质合金、耐热合金等硬质金属材料时加工速度低，工具损耗大，为了提高加工速度和降低工具损耗， 采用超声波、 电解加工或电火花加工相结合来加工喷油嘴、-.-.考试资料.喷丝板上的孔或窄缝，这样可大大提高生产率和质量。在切削加工中引入超声波振动即超声振动切削 （例如对耐热钢、 不锈钢等硬韧材料进行车削、钻孔、攻螺纹时） ，经过几十年的发展，已经日趋成熟，作为一种精密加工和难切削材料加工中的新技术，可以降低切削力，降低表面粗糙度值、延长刀具使用寿命及提高生产

23、率等。目前， 在国内应用较多的主要有： 超声振动车削、 超声振动磨削、 超声振动加工深孔、小孔和攻丝、铰孔、超声波清洗、超声波焊接等。2模拟与数字超声电源的基本电路2.1模拟电路超声波发生器振荡放大型超声波生生器实际上就是一个带有振荡电路的放大器。 但由于超声波发生器驱动的是换能器这一特殊负载， 所以它在结构上又有自己的特点。 下面逐一介绍超声波发生器的各个部分。2.1.1超声波振荡器超声波振荡器超声波振荡器的作用是产生一个一定频带率的信号， 用以推动后面的放大部分。 它可以是一个独立的振荡器，也可以是一个反馈网络。习惯上，把前一种称为它激式超声波发生器，后一种则称为自激式超声波发生器。它激式

24、产生的超声波振荡频率比较稳定，并且可以在较宽的频带率荡围内调节。 自激式超声波发生器的结构比较简单， 且有利于实现频率的自动跟踪。2.1.2超声波放大器超声波放大器超声波放大器的作用是将振荡信号放大至所需电平。 放大部分可以是单级的， 也可以是多级的，主要看输出功率的需要。早期限的超声波发生器是用电子管做放大器件，现在则普遍采用晶体管（三极管、场效应管和 IGBT 器件） 。近年来越来越多的石家采用功率集成电路做超声波发生器的放大器件。-.-.考试资料.2.2数字超声波发生器采用数字电路超声波发生器，可以消除温度漂移等常规模拟调节器难以克服的缺点，有利于参数整定和变参数调节，便于通过程序软件结

25、构，从而提高系统的可靠性。此外，还可以实现运行数据的自动储存和故障自动诊断，有助于实现超声波发生器的智能化。超声波发生器应用数字化控制技术有以下几种形式(1) 采用单片机控制单片机是一种在一块芯片上集成了 CPURAM ROM、定时器计数器和 IO 接口等单元的微控制芯片， 具有速度快，功能强、效率高、体积小，性能可靠、抗干扰能力强等优点， 在各种控制系统中应用广泛。 单片机的 CPU 经历了由 4、 8， 16、 32 直至 64 位的 发展过程，主要以美国 INTEL 公司生产的 MCS 一 51(8 位)和 MCS96(1 6 位)两大系列为代表， 在超声波发生器中，单片机主要用作数据采

26、集和运 算处理、电压电流调节、PWM信号生成、系统状态监控和故障自我诊断等，一般作为整个电路的主控芯片运行，完成多种综合功能。配合 DA 转换器和 MOSFET 功率模块实现脉宽调制另外，单片机还具有对过流，过热。欠压等情况的中断保护以及监控功能。单片机控制克服了模拟电路的固有缺陷， 通过数字化的控制方法， 得到高精度和高稳定度的控制特性，并可实现灵活多样的控制功能但是，单片机的工作频率与控制精度是一对矛盾， 而且处理速度也很难满足高频电路的要求， 这就使人们不得不转而寻求功能更强的芯 片的帮助 于是 DSP 应运而生。(2)采用 DSP 控制数字信号处理器DSP)是近年来迅速崛起的新一代可编

27、程处理器其内部集成了波特率发生器和 FiFO 缓冲器，提供高速同步串口和标准异步串口，有的片内 还集成了采样保持和 AD 转换电路，并提供 PWM 信号输出与单片机相比，DSP 具有更快的 CPU更高的集成度和更大容量的存储器DSP 属于精简指令系统计算机(Risc)，大多数指令都能在一个周期内完成并可通过并行处理技术，在一个指令周期内完成多条指令同时，DSP 采用改进 的哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，允许同时存储程序和数据内置高速的硬件乘法器，增加了多级流水线使其具有高速的数据运算能力而单片机为复杂 指令系统计算机(CiSC)，多数指令要 2-3 个指令周期才能完成单片机采用诺依曼结构

28、，程序和数据在同一空间存储，同一时刻只能单独访问指令或数据 单片机的 ALU 只能做加法，而乘法则需 要由软件来实现，因而需要占用较多的指令周期，速度比较慢。与 16 位单片机相比DSP 执行单指令-.-.考试资料.的时间快 810 倍，一次乘法运算时间快 16-30 倍在超声波发生器中。DSP 可以完成除功率变换以外的所有功能，如主电路控制、系统实日十监控及保护系统通信等虽然 DSP 有着许多优点，但是它也存在一 些局限性，如采样频率的选择、PWM 信号频率及其精度、采样延时、运算时间及精度等这些因素会或多或少地影响电路的控制性能。3)采用 FPGA 控制现场可编程门阵列(FPGA)属于可重

29、构器件，其内部逻辑功能可以根据需要任意设定，具有集成度高、处理速度快效率高等优点。其结构主要分为三部分：可 编程逻辑块、可编程 IO 模块、可编程内部连线由于 FPGA 的集成度非常大，一片 FPGA 少则几千个等效门，多则几万或几十万千等效门所以一片 FPGA 就可以实现非常复杂的逻辑替代多块集成电路和分立元件组成的电路。它借助于硬件描述语言(VHDL)来对系统进行设计，采用三个层次(行为描 述、PJL 描述、门级描述)的硬件描述和自上至下(从系统功能描述开始)的设计风格，能对三个层次的描述进行混合仿真，从而可以方便地进行数字电路设计， 在可靠性、体积、成本上具有相当优势比较而言，DSP 适

30、合取样速率低和软件复杂程度高的场合使用；而当系统取样速率高(MHz 级)，数据率高 (20MBs 以上)、条件操作少、任务比较固定时，FPGA 更有优势。2.3频率跟踪实现频率跟踪的构思是这样的： 从换能器的电端或声端取得一个反映换能器谐振特性的信号，用这个信号控制发生器的振荡频率，或者直接用此信号激振。这样，便可使发生器的工作频带频率自动跟踪锁相环频率自动跟踪超声加工过程中， 负载换能器的参数会有一定的变化， 于是电路固有谐振频率发生相应的改变， 这样超声波电源输出电信号频带率与换能器谐振频带率就存在差异， 使得电路效率降低。对高频逆变器而言，为了解决频率漂移问题，保证逆变器件可靠换流和电源

31、工作在较高的功率因素， 以获得最佳的电声效率， 逆变输出频率需要随着负载频率的变化而变化， 使逆变器输出频率总是等于负载频率,也就是说控制电路必须具有频率跟踪的功能。实现频率跟踪的方法很多，最简单的是人工调节。这种方法在早期他激式超声波清洗中得到了广泛的应用。但是，它的缺点非常的明显，即它的频率不能实现实时跟踪，而且频率的调节需要人工干预。 为了适应超声技术的各种实际应用， 人们设计了自激式超声-.-.考试资料.波发生器。自激式超声波发生器有有种跟踪方案，即声跟踪和电跟踪。它们都是采用反馈的方式来实现频率跟踪， 反馈强度常常随换能器参数发生变化， 反馈信号的强度很难控制。当反馈信号过强时， 会

32、使系统的工作频率偏离设计值， 而当反馈信号处于临界或临界值以下时，又会容易使系统停振。因此，这两类自激式方案只适用于换能器或者换能器阵列总频带较宽， 并且在工作中参数变化不大的超声波发生器。 随着锁相技术的发展与广泛应用,人们又发展了采用锁相环技术来实现频率跟踪的方法29。锁相环 （PLL） 即是一种反馈控制系统， 又是一种闭环跟踪系统。 它是使输出信号（由振荡器产生）与参考信号（即输入信号）在相位与频率上同步的一种电路。同步状态称为锁定， 在此状态下振荡器的输出信号与参考信号之间的相位误差总是零或者非常小。 如果存在相位差，通过控制电路作用与振荡器方式使相位误差再次降为最小值。PLL 由鉴相

33、吕（PD） 、环路滤波器(LPF)和压控振荡器(VCO)三个基本部分组成，如图 2-1 所示图 2-1锁相环 PLL 组成方框图鉴相器是相位比较装置， 它把输入信号和压控振荡器的输出信号的相位进行比较， 产生对应于相们差的误差电压。鉴相器之后为环路滤波器，它的作用是滤除鉴相器的输出信号中的高频分量和噪声，以保证环路所需要的性能，增加系统的稳定性。压控振荡器受滤波器输出的电压控制，使得压控振荡器的频率向输入信号的频率靠拢，也就是使差拍频率越来越低，直至消除频率差而锁定。锁相环在开始工作时， 通常输入信号的频率与压控振荡器示加控制电压时的振荡频率是不同的。由于两信号之间存在固有的频率差，它们之间的

34、相位差势必不断的变化，并超过 2,而鉴相器的特性是以相位差 2为周期的，结果鉴相器输出的误差电压就在一定范围内摆动。在这种误差电压控制之下，压控振荡器的频率也在相信的范围之内变化。若压控振荡器的频率能够变化到与输入信号频率相等,便有可能在这个频率上稳定下来。达到稳定之后，输入信号与压控振荡器输出信号之间的频差为零，相位不再随时间变化，误差电压为一固定值，这时环路就进入锁定状态。目前， 锁相式频率自动跟踪系统的锁相环路有许多专用集成电路， 集成锁相式频率自动跟踺系统具有如下特点：由于锁相环是一个极好的带通滤波器， 因此， 不会产生系统误并到非谐振的其它频率之上；-.-.考试资料.频率自动跟踪系统

35、的控制信号与取样的电压、电流波形的好坏，关系并不大；输出功率相对比较稳定，不会因为负载的变化而发生显著的变化；由于控制系统工作在小信号状态下，所以能长时间连续地工作。超声波电源中锁相式频率自动跟踪系统电路框如图 2-2 所示图 2-2超声波电源频率跟踪电路结构框图由上图可知，超声波电源中锁相式频率自动跟踪系统由相位器、电压比较器、低通滤波器、压控振荡器、激励放大器、功率放大器、电流取样及电压取样等组成，是一个闭环系统，它利用了末级换能器上的电压和电流之间的相位差，经相位比较后，获得相位误差信号，再经低通滤波之后，去控制压控振荡器的输出信号的频率，使之保持与振动系统机械谐谐振频率一致。此外还有差

36、动变量器电桥法,电流反馈法等。2.4功率控制在下面我们主要介绍 UC3875 在超声电源功率控制系统中的应用。利用超声波电源切割复合材料时, 为了保证换能器的输出振幅恒定, 要求超声波发生器具有功率自调节功能; 同时,为了切割不同的纤维材料, 还要求振幅具有可调功能;这些都要求超声波发生器带有功率输出控制系统,在这个系统中,需控制的参量一般是换能器的电流值,而换能器电流值的恒定,则要通过控制换能器两端的电压来实现。 本文通过全桥移相的移相角来改变正弦波的幅值, 从而改变换能器两端的电压以达到控制换能器电流的目的。2.4.1 输出功率控制系统输出功率控制系统图 2-3 所示是一个超声电源功率控制

37、系统的结构框图。 其中的移相脉冲产生电路在用全桥式逆变电路作主回路时, 需要产生如图 2-4 所示的电压波形来驱动 IGBT。为了防止桥臂直通, 要求同一桥臂的上下两个开关管( T1 , T2 和 T3 , T4) 应具有延时互锁导通功能。一般延时互锁导通时间 td 是固定的(大约一两个微秒) ,同时不同桥臂的上下两个开关管的导通应具有可以改变的延时(即移相角) , 此外还要求控制电路的波形能够满足 t移相控制专用芯片 UC3875 完全能够完成上述功能。-.-.考试资料.图2-3功率控制系统结构图2-4控制电路输出波形图2.4.2 功率控制系统中功率控制系统中 UC3875 的应用的应用UC

38、3875 是美国 Unitrode 公司针对移相控制方案推出的专用芯片。当 UC3875 同步端的时钟频率高于其固有频率时,UC3875 的工作频率等于外加到同步端的时钟频率;当UC3875 同步端的时钟频率低于其固有频率 UC3875 的工作频率是其本身的固有频率。 因此, 本设计利用这一特点将压控振荡器的输出加到 UC3875 的同步端 17 脚上;图 4 所示是 UC3875 在功率控制系统中的应用路。图2-5UC3875 作为控制芯片的应用电路在死区设置脚与信号地之间并联一个电阻RAB和一个电容CAB 可设置死区时间。为了能方便控制输出, 在 UC3875 与驱动电路 EXB841 之

39、间可加一级与非门, 由于EXB841 的输入一般是 10mA , 因此, 与非门的输出能力已足够满足系统要求。当输出控制为 0 时, 输出被锁死, 当输出为 1 时, 输出被打开。EXB841 的保护信号通常加到UC3875 的过流保护端, 当EXB841 没有保护输出时, 加到UC3875 过流保护端的电压为零; 当有保护输出时, 加到UC3875 过流保护端的电压为15V, 此电压应高出UC3875 的2. 5V 过流保护电压。如在软启动功能脚与信号地之间接一电容CS , 那么, 当软启动正常工作时, 芯片将用一个9A 电流给CS 充电,最后达到4. 8V。 这一特性决定了输出移相角将从零

40、逐渐增加,直到最后稳定工作。而在电流故障情况下, 软启动端将降为0V。电容CS 的值通常设计为0. 1F。为了减小系统的稳态误差和增加系统稳定性, 本系统采用比例积分调节器,其电路如图 5 所示, 该电路的电源电压可用 UC3875 的基准电压 5V 经可变电阻分压所得, 而将输出控制电压直接加到 UC3875 的第 4 脚。-.-.考试资料.2.5 保护电路在超声波逆变电源系统中， 保护电路的优秀与否是一个逆变电源系统的功能是否完善的重要指标之一。它不仅可以提高系统的可靠性，而且也使得系统的可维护性大大增强，从而提高整个系统的使用时间。2.5.1 稳速电路稳速电路当超声加工系统稳定重载工作时

41、,主电路电流为一稳定值且应达到最大输出功率。这时如果变为空载,换能器的阻抗变小,电路电流突然增大,不但浪费能源而且换能器容易被烧坏。同时,当工件变化时,如果功率不变,则机械振幅发生变化,造成加工质量不稳定。所以可设计一电路,取主电路电流为信号,利用双向可控硅加一负反馈电路,可以使系统电流为一稳定值,从而机械振幅稳定。稳速电路如下图所示。图2-6稳速电路当主回路电流增大时,光电耦合器的导通程度增大,三极管 T1 的基极电位升高,导致R 的电位升高,由于 T2 的基极电位不变,其集电极的输出电压升高,PNP 三极管的导通程度减小,电容 C 的充电时间加长,使得单结晶管的张驰振荡频率降低,双向可控硅

42、的导通角变小,功放供电电压降低,系统功率下降;反之, T2 的输出降低,单结晶管的张驰振荡频率升高,双向可控硅的导通角加大,功放供电电压升高,系统功率上升。这样,组回路电流就可以稳定为一固定值,从而换能器的机械振幅稳定,加工质量稳定。同样,电路中主回路的电压采样采用光电耦合器件,减少主回路对稳速电路的影响,使得系统可以稳定工作。2.5.2过电压、过电流保护电路过电压、过电流保护电路(1)造成过流的原因主要有： 负载短路和逆变桥臂直通。 如果出于故障或误操作使得同一桥臂上的开关管同时导通，即会产生桥臂短路现象，此时短路电流的上升率和浪涌冲击电流均很大，有可能致使开关管烧毁。如果负载短接，则滤波电

43、容 C 的放电电流增大，有可能导致开关管过流损坏。(2)设计过流保护电路的几点要求：在器件失效之前完成开关管的关断， 对于开关管所经功的所有工作状态都应成立； 由于开关器件和杂散电感相互作用，开关电路产生噪声，以及电路中其它的电磁干扰，故障-.-.考试资料.检测法应有一定的抗干扰能力； 应足以适用于电路中的各种过流情况； 不应影响开关管的开关特性。(3)短路保护的几种常用检测方法：第一种：电阻传感。此方法最简单，在负载电流通咱放一分流电阻，以产生检测电压，通过此电压进行保护。使用传感器电阻的优点是：精确的电流测量对过电流和短路检测都适用，信号也可以用于模拟反馈。使用传感电阻的缺点是需要体积大、

44、 昂贵的低感传感电阻； 由于传感电阻的自身电感及连线电感，瞬态响应差；传感电阻的电压与主电路不隔离，这就意味着采用保护电路与主逻辑隔离，或者使故障检测信号通过一个隔离级，增加了系统的复杂性。第二种：VCE 传感。这种方案又称为“非饱和检测” ，短路时器件两闻风而动的电压会上升很多，由于它的发生， 开关管被拉出低通态电压方式。 当开关管导通时其两端的电压会远远高于正常导通时两端的电压，通过检测导通时其两端电压进行保护。优点：电路中不需要有耗电的电流传感元件；由于它用简单的无源元件，电路廉价，容易实现。缺点：电路不能与功率级隔离。第三种：电流传感器。这是检测故障电流的常用方法。优点： 传感器提供了

45、主电路与保护电路间的隔离； 保护电路为电流驱动且能提供较大抗噪声度的高电平信号。缺点：由于适当的电流变压器必须工作在一个宽频带，因此设计比较困难，为响应快速上升的故障电流， 它必须至少能工作系统的最小频率； 电流传感器检测出的电流信号需要转换成电压信号进行保护。2.5.3缓冲电路缓冲电路缓冲电路又叫吸收电路，在开关电源中有着重要的应用。开关晶体管导通时，晶体管中流过很大的电流；截止时，晶体管又承受很大的冲击，有可能超过哭件的安全工作区而导致哭件损坏。设计缓冲电路，不公可以降低浪涌电压，而且还可以减速少器件的开关损耗、避免器件二次击穿以及抑制电磁干扰,提高电路的可靠性。-.-.考试资料.缓冲早路

46、之所以能够减速小开关的损耗， 是因为把开关损耗由哭件本身转移到缓冲电路中。缓冲吸收电路主要有 RC 缓冲电路、充放电型 RCD 缓冲电路和放电阻止型 RCD 缓冲电路三种。350W 超声波发生器的电路设计50W 超声波发生器成本低廉，结构简单，广泛用于小型超声波清洗设备、抛光设备及打孔设备等。本文详细阐述了 50W 超声波发生器的设计过程，并制作了相应电路板进行了实验。3.1总体方案设计功率超声加工是一种利用超声能量进行加工的高新技术。 通常来说超声波加工系统由超声波发生器、换能器、变幅杆和超硬磨料工具等组成。本设计主要对超声波发生器进行了设计，为了简化设计和便于实验研究，本文中未采用变幅杆，

47、直接采用超声波晶片进行试验，超声波晶片常用于超声清洗、超声雾化等。超声电源的作用是为超声加工系统提供一定频率、 一定功率的振荡信号。 超声波发生器通电后，将 50Hz 的交流电转化为超声频的电振荡，换能器将超声频的电振荡转化为超声频的机械振动。作为原理性研究，本文设计的超声电源是一个开环控制系统，未加入频率跟踪、振幅控制、保护电路及控制电路。基本方案如图 3.1 所示，电路工作过程为：220V 市电经整流滤波后变成 310V 的直流，经逆变电路斩波成 40KHz 的方波， 方波电压经过电感电容整形成正弦波送给压电换能器驱动机械部分工作，电感电容同时具有阻抗匹配的功能。图 3.150W 超声电源

48、基本方案3.2整流、滤波电路的设计整流电路分为半波整流、全波整流和桥式整流。这三种整流电路的特点如下：单相半波整流电路的特点：(1) 电路简单，使用器件少；(2) 无滤波电路时，整流电压的直流分量较小，Vo=0.45Vin，其中 Vo 为整流输出电-.-.考试资料.压，Vin为整流电路输入电压；(3)整流电压的脉动较大。(4)变压器的利用率低。单相全波整流电路的特点：(1)使用的整流器件较半波整流时多一倍；(2)整流电压脉动较小，比半波整流小一半，无滤波电路时的输出电压 Vo=0.9V2。(3)变压器的利用率比半波整流时高。(4)变压器二次绕组需中心抽头。(5)整流器件所承受的反向电压较高。单

49、相桥式整流电路的特点：(1)使用的整流器件较全波整流时多一倍。(2)整流电压脉动与全波整流相同。半波整流电路简单，元件少，但输出电压直流成分小（只有半个波） ，脉动程度大，整流效率低，仅适用于输出电流小、允许脉动程度大、要求较低的场合。考虑到本设计中对电压脉动性要求不高，负载功率较小，故采用半波整流。交流电经过二极管整流之后，方向单一了，但是大小（电流强度）还是处在不断地变化之中。 这种脉动直流一般是不能直接用来给后续电路供电的。 要把脉动直流变成波形平滑的直流，还需要再做一番“填平取齐”的工作，这便是滤波。换句话说，滤波的任务，就是把整流器输出电压中的波动成分尽可能地减小，改造成接近恒稳的直

50、流电。滤波可分为电容滤波、电感滤波和复式滤波。电容滤波：电容滤波：电容器是一个储存电能的仓库。在电路中，当有电压加到电容器两端的时候，便对电容器充电，把电能储存在电容器中；当外加电压失去（或降低）之后，电容器将把储存的电能再放出来。充电的时候，电容器两端的电压逐渐升高，直到接近充电电压；放电的时候，电容器两端的电压逐渐降低，直到完全消失。电容器的容量越大，负载电阻值越大，充电和放电所需要的时间越长。这种电容带两端电压不能突变的特性，正好可以用来承担滤波的任务。电感滤波：电感滤波：电感滤波后，不但负载电流及电压的脉动减小，波形变得平滑，而且整流二极管的导通角增大。L 愈大，滤波效果愈好。另外，由

51、于滤波电感电动势的作用，可以使二极管的导通角接近，减小了二极管的冲击电流，平滑了流过二极管的电流，从而延长了整流二极管的寿命-.-.考试资料.复式滤波：复式滤波：把电容按在负载并联支路，把电感或电阻接在串联支路，可以组成复式滤波器，达到更佳的滤波效果，这种电路的形状很象字母，所以又叫型滤波器。当单独使用电容或电感进行滤波时，效果仍不理想时，可采用复式滤波电路。电容滤波适用于小电流负载、电感负载适用于大电流负载、复式滤波适应性较强。复式滤波虽然滤波效果好，但电路较复杂、成本高，因本文中换能器是小电流负载，故采用电容滤波即可。综合以上因素，最后选定半波整流电容滤波方式。图 3.2 所示是单相半波整

52、流滤波电路原理图，图 3.2(a)是电路原理图，图 3.2(b)是整流波形图。由于整流器具有单向通导的特性，所以输入电压 U1经整流器 VD 整流后就变成了单向脉动波 Uo，而输入图 3.2 单相半波整流滤波电路原理图的负半周被隔离掉。由于二极管的单向导电作用,使流过负载电阻的电流为脉动电流，电压也为一单向脉动电压，其电压的平均值（输出直流分量）为=(3-1)流过负载的平均电流为(3-2)流过二极管 D 的平均电流（即正向电流）为(3-3)加在二极管两端的最高反向电压为(3-4)选择整流二极管时，应以这两个参数为极限参数。根据负载功率 50W，负载电流小于 1A，最高电压310，故二极管选用

53、1N1004 或1N4007。电容 C 电容量的选择通常根据充放电时间常数确定。一般要求在放电结束时的那一点上，电容上电压下降不超过 5%。表 3.1 是滤波电容与工作电流的关系，可作为滤波电容选用的经验法则。本文中工作电流小于 500mA，理论上应选用 500uF-1000uF 的电容，-.-.考试资料.但采用电容滤波的整流电路， 输出电压随输出电流变化较大， 这对于变化负载来说是很不利的，而超声波换能器工作条件恶劣，负载变化快，故应选用小电容，本文选用 105 的薄膜电容。表 3-1滤波电容与工作电流的关系输出电流2A 左右1A 左右0.5-1A 左右0.1-0.5A100-50mA50m

54、A 以下滤波电容4000u2000u1000u500u200u-500u200u3.3 半桥逆变电路设计逆变电路有半桥逆变、全桥逆变等，逆变器件有 IGBT、场效应管、双极性晶体管等。本文选用双极性三极管。 在这里我们采用两个三极管构成半桥推挽逆变电路。 推挽电路是两不同极性晶体管输出电路无输出变压器 （有 OTL、 OCL 等） 。 是两个参数相同的功率 BJT管或 MOSFET 管，以推挽方式存在于电路中，各负责正负半周的波形放大任务，电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小效率高。推挽输出既可以向负载灌电流，也可以从负载抽取电流。如果输出级的有两个三极管，始终处于

55、一个导通、一个截止的状态，也就是两个三级管推挽相连，这样的电路结构称为推拉式电路或图腾柱（Totem-pole）输出电路。当输出低电平时，也就是下级负载门输入低电平时，输出端的电流将是下级门灌入 T4；当输出高电平时，也就是下级负载门输入高电平时，输出端的电流将是下级门从本级电源经T3、D1 拉出。这样一来，输出高低电平时，T3 一路和 T4 一路将交替工作，从而减低了功耗，提高了每个管的承受能力。又由于不论走哪一路，管子导通电阻都很小，使 RC常数很小， 转变速度很快。 因此， 推拉式输出级既提高电路的负载能力， 又提高开关速度。推挽结构一般是指两个三极管分别受两互补信号的控制， 总是在一个

56、三极管导通的时候另一个截止。要实现线与需要用 OC（open collector）门电路。 推挽电路适用于低电压大电流的场合，广泛应用于功放电路和开关电源中。在这里我们采用两个三极管构成推挽逆变电路。 对于两个开关三极管是如何实现推挽逆变的，在前面的电路的工作原理有提到。3.4磁环变压器磁环变压器是半桥逆变电路的一个关键元件， 它决定了逆变后的工作频率。 磁环变压是根据电磁感应的原理。在在闭合的铁芯柱上面绕有两个绕组，一个原绕组,和一个副绕-.-.考试资料.组.当原绕组假上交流电源电压时.原饶组流有交变电流，而建立磁势，在磁势的作用下铁芯中便产生交变主磁通，主磁通在铁芯中同时穿过,交链一、二次

57、绕组而闭合由于电磁感应作用分别在一、二次绕组产生感应电动势。在电路设计中我们采用的是三个绕组的，道理也是同样的。它是如何实现变压的呢?那就需要用楞次定律来解释了.感应电流产生的磁通， 总阻碍圆磁通的变化,当原磁通增加时感应电流的产生的磁通与与原磁通相反,， 就是说二次绕组所产生 的感应磁通与原绕组所产生的主磁通相反，所以二次绕组就出现了低等级的交变电压。在电路设计中我们采用的是三个绕组的，道理也是同样的。3.5超声波发生器与换能器的匹配设计在设计的电路我采用的换能器是压电陶瓷换能器。 换能器中央部分的陶瓷晶堆由若干片压电陶瓷圆环组成,压电陶瓷晶堆中各晶片之间采用机械串联而电路并联的方式连接。相

58、邻两片晶片的极化方面相反,俣得各个晶片的纵向振动能够同相叠加,以保证压电陶瓷晶堆能够协调一致地振动。晶片的数目一般是偶数,以便换能器的前后盖板与同一极性的电极相连,否则,换能器的前后盖板与晶片之间要加一绝缘片。通常为了安全,换能器的前后盖板都与电源的负极相连。对于处于轻负载工作奖态的压电陶瓷复合换能器,如超声加工期超声钻孔以有超声金属和塑料焊接等技术,由于换能器的负载较轻,因此换能器的振动位移较大,而电压不是太高,因此,对于轻负载换能器,换能器的机械损耗占主导地位,而换能器的介电损则小。在这种情况下,当换能器的压电陶瓷晶堆偏离位移节点时,可以减速少换能器的机械损耗,以避免陶瓷晶堆所受的应力过大

59、而导致损坏及损耗增大。 对于处于重负载工作奖态下的压电陶瓷换能器,如超声清洗等,由于换能器的负载较重,因此换能器的振动位移较小,但需要的换能器驱动电压较高。根据压电陶瓷材料的性能和种类,在其振动方向上单位长度上所加的电压是不同的,在理想的情况下,压电陶瓷的外场激励电压可达到 4-8kV/cm。然而在实际设计过程中,为了保证换能器的安全可靠工作,一般都取 2kV/cm 左右,甚至更低。压电陶瓷换能器得到了最为广泛的应用。 与超声检测以及医学超声等其他应用中的超声换能器不同，功率超声换能器大部分工作在低频超声范围，对换能器的功率，效率以及振动位移的要求较高，而对于其他性能参数，如灵敏度，指向性以及

60、分辨率等参数则要求-.-.考试资料.不是很严格。超声波发生器与换能器匹配包括两个方面，一是通过匹配使发生器向换能器输出额定的电功率， 这是由于发生器需要一个最佳的负载才能输出额定功率所致， 把换能器的阻抗变换成最佳负载，也即阻抗变换作用。二是通过匹配使发生器输出效率最高，这是由于换能器有静电抗的原因，造成工作频率上的输出电压和电流有一定相位差， 从而使输出功率得不到期望的最大输出， 使发生器输出效率降低， 因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗， 使发生器负载为纯电阻，也即调谐作用。由此可见匹配的好坏直接影响着功率超声源的产生和效率。3.5.1 阻抗匹配阻抗匹配为了使功率放大器输出额定功率最

61、大；在电源电压给定条件下主要取决于负载阻抗。一般在 D 类开关型功放中其发生器变压器初级等效负载的输出功率表达式为：（3-5）式中，为等效负载上的基波幅度；（3-6）为电源电压；为功放管饱和压降，故（3-7）为了保证系统有一定功率余量(因输出变压器， 末级匹配回路及晶体管损耗电阻都有损耗，需要乘上一个约等于 1.4-1.5 的系数。即输出功率为 1.5。从上式可知，在电源电压给定之后，输出功率的大小取决于等效负载 RL。目前大多数功率超声发生器的负载为压电型换能器， 其阻抗约为几十欧姆至几百欧姆间， 为了要达到要求的额定功率，因此需要对换能器负载 RL 进行阻抗变换。由高阻抗变换为低阻抗。一般

62、常用的方法， 通过输出变压器的初次级线圈的匝数比进行变换。 变压器次初级匝数比为 nm，则输出功率 Po 时的初级电阻，（3-8）输出变压器是超声波发生器阻抗匹配、 传输功率的重要部件， 它的设计与绕制工艺对发生器的工作安全是十分重要的。它不仅会以漏感、励磁电流等方式影响电路的工作，其-.-.考试资料.漏感还是形成输出电压尖峰的主要原因。为此，在设计时，应选取具有高磁通密度 B，高导磁率，高电阻率和低矫顽力的高饱和材料作铁芯。一般在防止高频变压器的瞬态饱和时，在设计时要注意如下几点：1工作磁通密度 B 的选取铁芯材料的磁感应增量B 愈大，所需线圈匝数愈少，直流电阻 R 也愈小，从而线圈的铜损

63、Pm 也愈小。B 取得高时，传输的脉冲前沿就愈陡。因此，在设计变压器时，选取高磁通密度的材料作铁芯，这对降低变压器的损耗、减小体积和重量都是很有利的。为了避免在稳态或过渡过程中发生饱和，一般选取工作磁通密度 BBs3 为宜，这里 Bs为磁芯的最大和磁通密度。2.要保证初级电感量足够大一般要求变压器初级阻抗应满足下式关系：15，其中为次级负载所算到初级边的等效电阻值，为初级电感感抗，若初级电感量太小，励磁电流将比较大，励磁电流过大，变压器的损耗将增加，温升随之增高，从而降低 Bs，使变压器进入饱和的可能性增大。3要考虑“集肤效应”的影响在高频工作时，流过导线的电流会产生“集肤效应” 。这相当于减

64、少了导线有效截面积，增加了导线的电阻，从而引起导线的压降增大，导致变压器温度升高，结果增大了变压器进入饱和的危险性，建议采用小直径的多股导线并绕的方法。3.5.2调谐匹配调谐匹配由于压电换能器有静电容 Co，磁致伸缩换能器有静电感，在换能器谐振状态时，换能器上的电压 VRL 与电流 IRL 间存在着一相位角，其输出功率。由于的存在，输出功率达不到最大值。只有当=0 时，输出功率达最大值。因此为了使换能器上电压 VRL 与电流 IRL 同相(=0)，则必须在换能器上，并上或串上一个相抵消的抗。对于压电换能器而言，即并上或串上一个电感 L0 即可，而磁致伸缩换能器应并上或串上一个电容 C0。压电换

65、能器的阻抗或导纳等效电路如下所示。在等效电路图中（3-9）（3-10）-.-.考试资料.式中 R(f)，X(f)为串联电阻和电抗；R(f)，G(f)，B(f)为并联电阻、电导和电纳。它们都是频率的函数。并联调谐和串联调谐电感量由下式确定：（3-11）（3-12）压电换能器的阻抗（串联）和导纳（并联）如下图。图 3-3压电换能器的阻抗（串联）和导纳（并联）1. 由于换能器的串联电抗比并联电抗小，故有 L 串10kHz 时由邻近效应引起的交流电阻 R约为其直流电阻 Rd 的 210 倍，铜耗 Pr 也要比直流铜耗 Pro 增大同样倍数。令增大倍数为 k，则：（3-20）因此，为维持电感线圈的正常升

66、温，电流密度必须按照常规允许值的 1k-1来选择。关于集肤效应，常用高频电流的穿透深度 B 来表示：（3-21）式中，为导线磁导率，r 为导线电导率。为减少集肤效应的影响， 所选导线直径 D 必须小于两倍穿透深度 B， 否则采用扁平线或者高频线。在功率超声中其频率为 15-40 千赫的匹配电感导线可以采用多股塑胶线， 一般问题不大。匹配电感连续工作 8 小时如果温升正常，则表明设计是成功的。21_rf82104 . 0LSlcg-.-.考试资料.3.6系统电路原理图根据以上分析设计出的电路原理图如图 3-4 所示。图 3-4一种 50w 超声波电源电路3.6.1 电路的工作原理电路的工作原理电路起振导通电流直接进入 Q1 的基极，驱动 Q1 导通，Q1 导通后，电流的流经路径为：VC正极Q1R1L3C4YL4VC 负极（地） 。Q1 导通，Q2 截止流过 L3 的电流使 L3 产生一个阻止此电流增加的感应电动势，极性为同名端为正，L3 耦合到 L1，L2，L1，L2 的同名端感应电动势为正。L2 上的感应电动势减小 Q2 的基极电压，使 Q2 保持截止。L2 上的感应电动势使 Q1 的