基于单片机控制的超声波发生器驱动电源的研究.pdf
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江南大学硕士学位论文基于单片机控制的超声波发生器驱动电源的研究姓名：
张锋申请学位级别：
硕士专业：
控制工程指导教师：
沈锦飞;宗宏森20090601摘要捅黑人的耳朵能感受到的振荡频率在2020000Hz范围的声波，超过人耳能感受到的声波频率以上的声波叫超声波。
超声波有许多应用，有超声波清洗、超声波钻孔、超声波振动等。
超声波振动是近几十年兴起的新事物，随着人们对超声波研究的不断深入，应用也日益广泛。
功率超声技术凭其独特的优点在国民经济各部门日益广泛应用。
目前超声设备由采用大功率电子管或高频可控硅发展到全控型电子器件。
随着新理论、新技术、新器件的不断出现和成熟，超声技术必将充分发挥其优势，在各领域产生更大作用。
本文涉及的功率超声系统主要由高频超声波电源和压电振子两部分组成。
高频超声波电源为压电振子提供电能，压电振子将电能转为动能。
超声波发生器的种类很多，大致可分为两种类型，机械型和电声型。
机械型超声波发生器直接用机械方法使物体振动而产生超声波。
常见的机械型超声波都是流体动力式的，即利用每秒几万次的频率断续从喷口喷出，撞击放在喷口前的空腔或簧片，引起共振在媒质中产生超声波。
电声型超声波发生器是应用的最广泛的。
它是利用电磁能量转换成机械波能量。
本设计采用频率自动跟踪的方式来使超声波换能器处于谐振，满足超声波电源与超声波换能器工作在最佳状态，使得整机达到最佳工作效率。
功率检测电路调节脉冲电压的脉宽来改变超声波发生器的输出功率，以实现功率恒定。
压控振荡器选用货源充足、价格低廉的TL494，可满足本设计要求。
D类功率放大器就是开关功率放大器，选用高耐压的VMOS管，组成半桥电路，VMOS管的驱动采用变压器隔离倒相。
由于超声波换能器的特性，超声波清洗机中的匹配电路包含两个：
一个是功率匹配，一个是调谐匹配。
前者是为了使超声波电源的输出内阻与负载阻抗相一致，采用变压器匹配方法。
后者是使换能器呈现纯阻性，采用串联电感的方法。
本文对系统的总体设计方案、硬件和软件设计、单元电路及主要单元电路实验进行了详细地介绍。
文章最后应用PSPICE软件对整个系统进行了仿真分析，对理论设计进行修正。
结果表明系统设计可行，性能指标基本可以满足设计要求。
关键词：
压电振子；超声波发生器；功率检测；频率跟踪D5U。
a0LAbstractOscillationfrequencythatpeoplecanfeelisattherangeof2020000Hz，exceedingpeopleacousticfrequencytheabovementionediScalledsupersonicSupersonichasalotofapplication，therearewashing，holing，ultrasonicvibrationofsupersonic，etcUltrasonicvibrationiSanewthinghavingdevelopedinneardecadesWiththeconstantdevelopmentthatpeoplestudyaboutsupersonicwave，itisextensivedaybydaytoemployThepowerultrasonictechnologyisinwidespreadapplicationofeverydepartmentofnationaleconomyaccordingtoitsadvantagesWithtlleappearsandripeconstantofnewtheory,technology,device，ultrasonictechnologywillgivefullplaytoitsadvantageInthispaper，theultrasonicweldingsystemismadeupofhigh-frequencyultrasonicpowerandpiezoelectricoscillatormainlyThe11igh-frequencyultrasonicpowerofferstheelectricenergyforpiezoelectricoscillator；thepiezoelectricoscillatortransferstheelectricenergytothekineticenergy,andweldtoweldingthepartml（indoftheultrasonicgeneratoriSnumerous，whichCanroughlybedividedintotWOtypes，tllemachinerytypeandelectricsoundtypeMachinerytypeultrasonicgeneratorenableobjectshakeandsupersonicwaveemergeswithmechanicalmethoddirectlyCommonmechanicalsupersonicwavefluidpowertype，utilizepersecondfrequencyofseveraltenthousandinterrnittenttosquirtfromthespout，strikethecavityorreedputinfrontofthespout，causetheresonancetOproducesupersonicwaveinmediumElectricsoundtypewhomultrasonicgeneratoremploymostextensiveItutilizeselectromagneticenergytochangeintoamechanicalwaveenergyT11isdesignadoptsthefrequencytracingtomakethewholesystemWbrkintheresonance，causingthatthewholesetattainsoptiniumworkeffieieneyBymeansofregulatingthewidthoffluetuationvoltage，thepowerinspectioncircleCancontroltheoutputpower,SOthatthesystemcanmaketheoutputpowerchangelessAsbeingopulentandcheap，TL494ischooseasVCOHighVCEOVMOSischooseintheDgenericPoweramplifiercircleThedriveofVMOSadoptsaparaphrasetransformerSinceultrasonictransducersproperty,thematchingcircuitembodystwoparts：
Oneispowermatching，theotherisattunematchingTheformerisforthesakeofmakingexportimpedanceofpowermatchtheloadTIlisAdoptsthetransformermatchingmeans，ThelatteristOmakethetransducerpresentonlythequalityofresistanceTogetthis，ainductorinseriesmeansisAdoptedTmsthesisintroducesthedesignprject，designofhardwareandsoftware，unitcirclesandexperimentationsofmainunitcirclesindetailFinally,asimulationfortheentffesystemusingPSPICEhasbeenmadeTheresultsfromsimulationsrevealthatthedesignofsystemisfeasibleandtheperformanceoftheconvertercarlmeetthedemandofthedesignKeywords：
Piezoelectricoscillator；Ultrasonicgenerator；Powertracing；Frequeneytracing；II独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。
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二Oo九年六月十四日关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定：
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保密的学位论文在解密后也遵守此规定。
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导师签名：
日期：
二oo九年六月十四El第一章绪论第一章绪论随着现代科学技术飞速发展，各学科之间相互渗透，新兴边缘学科不断出现。
超声工程学作为一门新兴的边缘学科，在工业生产、知识产生、转化研究、卫生保健和疾病的诊疗中扮演着十分重要的角色。
尤其对提高产品质量、降低生产成本、防止环境污染、保障生产安全、设备安全运行和提高生产效率等具有特殊的潜在能力。
因此，我国近十年来，对超声技术的应用研究十分活跃。
超声工程学按其研究内容，可划分为功率超声和检测超声两大领域。
作为超声学的一个重要分支，功率超声主要研究大功率和高强度超声的产生，强超声在媒体中的传播规律，强超声和物质相互作用，以及各种功率超声技术和应用。
功率超声技术是以计算机技术、电子技术、材料科学等学科为基础的现代高新技术，其应用遍及航空、航海、国防、生物工程以及电子等领域。
如今，功率超声技术已成为国际上公认的高科技领域，其有关技术产品涉及到振动与声、电子、机械及材料等新技术。
随着科技的发展，它必将在我国国民经济建设中发挥越来越大的作用。
近几十年来，现代功率半导体技术的发展，新材料的日新月异使大功率超声的产生、基本效应得研究和技术应用取得较大的进展，国内一些传统的加工、焊接、粉碎、乳化方兴未艾，发展较快的新技术及其应用也十分活跃，如超声化学、超声悬浮等【lJ。
11超声波电源的发展概况超声波电源是构建超声波系统的重要组成部分，其发展可以分为电子管放大器、晶体管模拟放大器和晶体管数字开关放大器三个阶段。
在早期，20世纪80年代前，信号功率放大采用电子管。
采用电子管的优点是动态范围较宽。
此优点对于音频放大器很重要，但对超声波电源来说没有什么好处。
因此，当功率晶体管出现后即遭淘汰。
电子管的缺点很多：
功耗大、寿命短、效率低、电源成本高、体积大。
20世纪80年代到90年代中旬，功率晶体管发展己非常成熟，各种OCL及OTL电路大量用于超声波电源。
功率晶体管模拟发生器开始投入使用，电源效率提高、体积和重量下降。
但由于受开关速度的限制和晶体管开关特性的影响，采用晶体管模拟放大器的超声波电源有以下几个缺点lzJ。
（1）功耗较大。
由于OTL、OCL电路理论效率只有78左右，其实际效率更低，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。
由于功率管输出功率受到限制，要输出大功率需要更多的功率管，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。
大功率的变压器重、效率低。
（3）不易使用现代微处理器来处理。
由于该电路呈现模拟线路特征，用数字江南大学专业硕士学位论文处理复杂，涉及到AD和DA转换，成本高、可靠性低。
随着电力电子器件的发展，特别是VDMOS管和IGBT的发展与成熟，使采用开关型发生器成为可能。
开关型发生器的原理是通过调节开关管的占空比来控制输出的功率。
由于晶体管在截止和饱和导通时的功耗很小，开关型发生器主要有以下特点。
（1）功耗低、效率高。
开关管在开关瞬时的功耗较大，但由于开关时间短，在截止或导通时的功耗很小，因此总的功耗较小。
最高效率可达到90左右。
（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大：
在直流电源作用下可直接变换使用，不需电源变压器降压，因此体积小，重量轻。
（3）可靠性好。
与微处理器等配合较容易，电子器件在工作时温升较低，工作可靠，加上全数字开关输出，可用微处理器直接控制【3J。
12电力电子器件在超声波电源中的应用开关型超声波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，电力电子开关器件的发展过程如州4叫Ia20世纪50年代，双极型开关晶体管作为开关电源的开关管，线路成熟，价格低。
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左右。
它在开关电源场合有很多应用，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，主要应用于开关频率不高的场合。
20世纪80年代，采用VDMOS管。
主要优点：
开关频率高、驱动简单、抗击穿性好。
主要缺点是导通电阻大，在高压大电流场合功耗较大。
因此，要用于开关频率高、功率小的场合。
20世纪90年代，采用GIBT，它是一种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。
它的开关频率目前可以在4050kHz，功率可以达到5000W。
在一般超声波发器中很少用，因为价格较高，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。
随着电力电器件的迅速发展，电力电子电路的控制也在飞速发展。
控制电路最初以相位制为手段、由分立元件组成，发展到集成控制器，再到实现高频开关的计算控制。
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、元老化等问题仍然存在。
此2第一章绪论外，模拟集成控制芯片还存在功耗较大、集成度低、控制不够灵活，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、简化硬结构，提高系统可靠性。
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。
超声波发生器应用数字化控制技术一般有三种形式【7一。
1采用单片机控制单片机是一种在一块芯片上集成了CPU、RAMfROM、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。
单片机主要以美国INTEL公司生产的MCS51和MCS96两大系列为代表。
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，通过数字化控制方法，得到高精度、高稳定度的控制特性，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，处理速度也很难满足高频电路的要求，这就使人们寻求功能更强芯片的帮助，于是DSP应运而生。
2采用DSP控制DSP是近年来迅速崛起的新一代可编程处理器。
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，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，多数指令要23个指令周期才能完成。
单片机采用诺依曼结构，程序和数据在同空间存储，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，乘法需要由软件来实现，需要占用较多的指令周期，速度比较慢。
DSP与16位单片机相比，执行单指令的时间快810倍，一次乘法运算时间快1630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，如主电路控江南大学专业硕士学位论文制、系统实时监控及保护、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FPGA属于可重构器件，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）、条件操作少时，FPGA更有优势。
13本文的研究背景及主要工作131本文研究背景20世纪60年代初，我国开始研制各种功率的超声波电源。
到目前为止，超声电源经历了电子管、晶闸管、晶体管、VMOS和GIBT的
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