超声波电源的设计样本.docx

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超声波电源的设计样本

集美大学

毕业设计论文

毕业设计题目超声波电源设计

专业机械设计制造及其自动化班级机制0614

姓名陈曦曦学号710175

指引教师胡玉生职称副专家

机械工程学院

6月2日

超声波电源设计

[摘要]几十年来，超声加工技术发展迅速，在型孔和型腔加工、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研究和应用，解决了许多核心性工艺问题，获得了良好效果。

本文一方面简介了国内外在超声波电源方面发展状况，然后详细分析了超声波设备构成、核心技术以及设计难点，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。

通过对模仿与数字超声电源基本电路简介，理解超声波电源频率跟踪、功率控制、稳速、过电压、过电流以及阻抗匹配等核心技术。

接着对所设计电路各部位电路进行分析和设计。

在此基本上，详细简介了整流电路、滤波电路、半桥逆变电路、超声波发生器与换能器匹配设计以及用Protel软件设计PCB图，然后进行电路板制作和实验。

最后对所设计电路特点进行归纳与总结。

[核心词]:

：

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

TheDesignOfUltrasonicPower

AbstractThedevelopmentofultrasonicmachiningtechnologyisrapidfordecades.Typeholesandcavitymachining，cutting，ultrasoniccleaning，ultrasonicprocessing，andultrasonicweldinghaveawiderfieldofresearchandapplication，solvesmanykeytechnologyissues，achievedgoodresults

Thispaperintroducesthedomesticandinternationalaspectsinthedevelopmentofultrasonicpowerfirst.ThenadetailedanalysisofthecompositionofultrasonicequipmentKeytechnologiesanddesigndifficultiesAnddesigna200wultrasonicgeneratorwhichisusedinultrasonicmachining.Throughthepowerofanaloganddigitalultrasounddescriptionofthebasiccircuit，Learnaboutthefrequencyofultrasonicpowertracks，powercontrol，steadyspeed，overvoltage，overcurrentandimpedancematchingkeytechnologies.Thendesignedcircuitstoallpartsofthecircuitanalysisanddesign.Onthisbasis，Detailsoftherectifiercircuit，filtercircuit，push-pullinvertercircuit，impedance，UltrasonicgeneratorandthematchingdesignoftransducerandPCBdesignusingProtelsoftware，andthenproceedtocircuitboardproductionandtesting.

Finally，thedesigncharacteristicsofthecircuitofinductionhavesummedupandsummarized.

Keywords：

ultrasonicgenerator；ultrasonictransducer；frequencytracking；Impedancematching；half-bridgeinvertercircuit

引言

超声波发生器，普通称为超声波电源。

它作用是把咱们市电（220V或380V，50或60Hz）转换成与超声波换能器相匹配高频交流电信号。

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普通采用开关电源电路形式。

线性电源也有它特有应用范畴，它长处是可以不严格规定电路匹配，容许工作频率持续迅速变化。

从当前超声业界状况看，超声波重要分为自激式和它激式电源。

超声波发生器采用当前世界领先她激式震荡线路构造，较此前自激式震荡线路构造在输出功率增长10%以上，电气性能符合甲方提供销技术原则（出厂原则）。

发生器发展可以分为三个大阶段；第一种阶段是采用电子管放大器；第二个阶段是采用晶体管模仿放大器；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

在初期上世纪80年代前，信号功率放大还采用电子管．采用电子管唯一好处呈它动态范畴较宽．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，因而一旦功率晶体管浮现后即遭裁减．电子管缺陷诸多，例如，功耗大。

体积大、寿命短，效率低。

2晶体管模仿放大器

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电路均合用于发生器。

信号发生器产生一种特定频率正弦波，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，提供应换能器，其中VCC，VEE是通过变压．整流、滤波后直流电源。

但模仿功率放大器有几种缺陷：

（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，需要较大散热功率．功率管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，要输出较大功率需要更多功率管，况且发生器所需求直流电源是通过变压器降压、整流、滤波后得到。

大功率变压器比较重，效率也比较低。

（3）不易使用当代微解决器来解决，由于该电路呈现一种比较典型模仿线路特性，用数字解决比较复杂，涉及到A／D（模仿转数字）和D／A（数字转模仿），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）发展和成熟，使得采用开关式发生器成为也许，事实上开关型发生器发展是开关电源成果之一，下面着重讨论晶体管开关型发生器。

开关型发生器原理是通过调节开关管占空比（或导道与截止时间）采控制输出功率。

由于晶体管在截止和饱和导通时功耗很小，因而这种开关型发生器特点是：

（1）功耗低，效率高：

开关管在开关瞬时功耗较大，但时间很短，在截止或导道时功耗很小。

时间较长，因而总功耗较小，并且基本恒定。

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，使得散热规定较低，并且各个开关管可以推动功率较大，加上直流电源直接变换使用，不需电源变压器降压，因而它体积较小，重量轻，单位功率所占体积和重量值较小。

（3）可靠性好。

与微解决器等配合较容易，电子器件在工作时温升较低，工作就可靠，加上全数字（开关）输出，可用微解决器直接控制。

4．开关型发生器发展几种过程

开关型发生器发展其实与开关型电源发展息息有关，而开关型电源发展又与电力电子开关器件发展紧密相连。

第一种型式是用双极开关晶体管（双极型开关晶体管）作为开关电源开关管，它重要缺陷是由于双极开关管上升、下降时延较大，开关频率不能太高（普通在20KHz如下）．线路成熟，价格低。

在开关电源场合尚有诸多应用，但在超声波发生器中由于开关频率电力电子开关器件发展过程低，没有太大应用。

第二种型式是用VDMOS管（垂直沟道MOS管，或称功率MOS管），VDMOS管也有几代发展，其重要长处是：

开关频率高（可达1MHz），驱动简朴（电压型驱动），抗击穿性妤（没有雪崩效应），缺陷是耐高压器件，导通电阻大．在高压大电流场合功耗较大，因而大功率（1500W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与双极管结合产物，既有MOS管开关频率高，驱动简朴等长处，也有双极管导通压降小，耐压高等长处。

它开关频率日前可以在40—50KHz，功率可以达到5000w，在普通超声波发生器中可以很少运用，它价格较高，保护线路规定复杂。

电力电子器件经历了工频，低频，中频到高频发展历程，与此相相应，电力电子电路控制也从最初以相位控制为手段由分立元件构成控制电路发展到集成控制器．再到如今旨在实现高频开关计算机控制，并向着更高频率，更低损耗和全数字化方向发展。

模仿控制电路存在控制精度低，动态响应慢、参数整定不以便、温度漂移严重。

容易老化等缺陷。

专用模仿集成控制芯片浮现大大简化了电力电子电路控制线路。

提高了控制信号开关频率，只需外接若干阻容元件即可直接构成具备校正环节模仿调节器，提高了电路可靠性。

但是，也正是由于阻容元件存在，模仿控制电路固有缺陷，如元件参数精度和一致性、元件老化等问题依然存在。

此外，模仿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仿控制，可以消除温度漂移等常规模仿调节器难以克服缺陷，有助于参数整定和变参数调节，便于通过程序软件变化以便地调节控制方案和实现各种新型控制方略，同步可减少元器件数目、简化硬件构造，从而提高系统可靠性。

此外．还可以实现运营数据自动储存和故障自动诊断，有助于实现电力电子装置运营智能化。

1超声加工技术

1.1超声波加工原理

超声波加工（ultrasonicmachining，USM）是运用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液加工硬脆材料一种加工办法。

超声波加工是磨料在超声波振动作用下机械撞击和抛磨作用与超声波空化作用综合成果，其中磨料持续冲击是重要。

图1-1超声加工原理

加工时在工具头与工件之间加入液体与磨料混合悬浮液，并在工具头振动方向加上一种不大压力，超声波发生器产生超声频电振荡通过换能器转变为超声频机械振动，变幅杆将振幅放大到0.01～0.15mm，再传给工具，并驱动工具端面作超声振动，迫使悬浮液中悬浮磨料在工具头超声振动下以很大速度不断撞击抛磨被加工表面，把加工区域材料粉碎成很细微粒，从材料上被打击下来。

虽然每次打击下来材料不多，但由于每秒钟打击16000次以上，因此仍存在一定加工速度。

与此同步，悬浮液受工具端部超声振动作用而产生液压冲击和空化现象促使液体钻入被加工材料隙裂处，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逼迫循环，使变钝磨料及时得到更新。

1.2超声波加工特点

（1）加工范畴广

a．可加工淬硬钢、不锈钢、钛及其合金等老式切削难加工金属、非金属材料；特别是某些不导电非金属材料如玻璃、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、规定较高零件加工；

c．适合高精度、低表面粗糙度等精密零件精密加工。

（2）切削力小、切削功率消耗低

由于超声波加工重要靠瞬时局部冲击作用，故工件表面宏观切削力很小，切削应力、切削热更小。

（3）工件加工精度高、表面粗糙度低

可获得较高加工精度（尺寸精度可达0.005～0.02mm）和较低表面粗糙度（Ra值为0.05～0.2），被加工表面无残存应力、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型孔、型腔和成型表面等。

（5）工具可用较软材料做成较复杂形状。

（6）超声波加工设备构造普通比较简朴，操作维修以便。

1.3超声波加工应用

１.型孔和型腔加工

超声波当前重要应用在脆硬材料圆孔、型孔、型腔、套料、微细孔等加工。

２.切割加工

对于难以用普通加工办法切割脆硬材料如陶瓷、石英、硅、宝石等用超声波加工具备切片薄、切口窄、精度高、生产率高、经济性好等长处。

３.超声波清洗

其原理重要是基于清洗液在超声波作用下产生空化效应成果。

空化效应产生强烈冲击液直接作用到被清洗部位，使污物遭到破坏，并从被清洗表面脱落。

此办法重要用于几何形状复杂、清洗质量规定高而用其他办法清洗效果差中小精密零件，特别是工件上深小孔、微孔、弯孔、盲孔、沟槽、窄缝等部位精清洗，生产率和净化率都很高。

当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、医疗器械等清洗中应用。

4．超声波焊接

超声波焊接就是运用超声振动作用去除工件表面氧化膜，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粘在一起。

它可以焊接尼龙、塑料及表面易生成氧化膜铝制品，还可以在陶瓷等非金属表面挂锡、挂银，从而改进这些材料可焊性。

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减少工具损耗，采用超声波、电解加工或电火花加工相结合来加工喷油嘴、喷丝板上孔或窄缝，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），通过几十年发展，已经日趋成熟，作为一种精密加工和难切削材料加工中新技术，可以减少切削力，减少表面粗糙度值、延长刀具使用寿命及提高生产率等。

当前，在国内应用较多重要有：

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模仿与数字超声电源基本电路

2.1模仿电路超声波发生器

振荡放大型超声波生生器事实上就是一种带有振荡电路放大器。

但由于超声波发生器驱动是换能器这一特殊负载，因此它在构造上又有自己特点。

下面逐个简介超声波发生器各个某些。

2.1.1超声波振荡器

超声波振荡器作用是产生一种一定频带率信号，用以推动背面放大某些。

它可以是一种独立振荡器，也可以是一种反馈网络。

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。

它激式产生超声波振荡频率比较稳定，并且可以在较宽频带率荡围内调节。

自激式超声波发生器构造比较简朴，且有助于实现频率自动跟踪。

2.1.2超声波放大器

超声波放大器作用是将振荡信号放大至所需电平。

放大某些可以是单级，也可以是多级，重要看输出功率需要。

初期限超声波发生器是用电子管做放大器件，当前则普遍采用晶体管（三极管、场效应管和IGBT器件）。

近年来越来越多石家采用功率集成电路做超声波发生器放大器件。

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仿调节器难以克服缺陷，有助于参数整定和变参数调节，便于通过程序软件构造，从而提高系统可靠性。

此外，还可以实现运营数据自动储存和故障自动诊断，有助于实现超声波发生器智能化。

超声波发生器应用数字化控制技术有如下几种形式

（1）采用单片机控制

单片机是一种在一块芯片上集成了CPU．RAM／ROM、定期器／计数器和I／O接口等单元微控制芯片，具备速度快，功能强、效率高、体积小，性能可靠、抗干扰能力强等长处，在各种控制系统中应用广泛。

单片机CPU经历了由4、8，16、32直至64位发展过程，重要以美国INTEL公司生产MCS一51（8位）和MCS—96（16位）两大系列为代表，在超声波发生器中，单片机重要用作数据采集和运算解决、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，普通作为整个电路主控芯片运营，完毕各种综合功能。

配合D／A转换器和MOSFET功率模块实现脉宽调制．此外，单片机还具备对过流，过热。

欠压等状况中断保护以及监控功能。

单片机控制克服了模仿电路固有缺陷，通过数字化控制办法，得到高精度和高稳定度控制特性，并可实现灵活多样控制功能．但是，单片机工作频率与控制精度是一对矛盾，并且解决速度也很难满足高频电路规定，这就使人们不得不转而谋求功能更强芯片协助于是DSP应运而生。

（2）采用DSP控制

数字信号解决器{DSP）是近年来迅速崛起新一代可编程解决器．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原则异步串口，有片内还集成了采样／保持和A／D转换电路，并提供PWM信号输出．与单片机相比，DSP具备更快CPU．更高集成度和更大容量存储器．

DSP属于精简指令系记录算机（Risc），大多数指令都能在一种周期内完毕并可通过并行解决技术，在一种指令周期内完毕多条指令．同步，DSP采用改进哈佛构造，具备独立程序和数据空间，容许同步存储程序和数据．内置高速硬件乘法器，增长了多级流水线．使其具备高速数据运算能力．而单片机为复杂指令系记录算机（CiSC），多数指令要2-3个指令周期才干完毕．单片机采用诺依曼构造，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，因而需要占用较多指令周期，速度比较慢。

与16位单片机相比．DSP执行单指令时间快8—10倍，一次乘法运算时间快16-30倍．

在超声波发生器中。

DSP可以完毕除功率变换以外所有功能，如主电路控制、系统实日十监控及保护．系统通信等．虽然DSP有着许多长处，但是它也存在一些局限性，如采样频率选取、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控制性能。

{3）采用FPGA控制

现场可编程门阵列（FPGA）属于可重构器件，其内部逻辑功能可以依照需要任意设定，具备集成度高、解决速度快．效率高等长处。

其构造重要分为三某些：

可编程逻辑块、可编程I／O模块、可编程内部连线．由于FPGA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．因此一片FPGA就可以实现非常复杂逻辑．代替多块集成电路和分立元件构成电路。

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）硬件描述和自上至下（从系统功能描述开始）设计风格，能对三个层次描述进行混合仿真，从而可以以便地进行数字电路设计，在可靠性、体积、成本上具备相称优势．比较而言，DSP适合取样速率低和软件复杂限度高场合使用；而当系统取样速率高（MHz级），数据率高（20MB／s以上）、条件操作少、任务比较固定期，FPGA更有优势。

2.3频率跟踪

实现频率跟踪构思是这样：

从换能器电端或声端获得一种反映换能器谐振特性信号，用这个信号控制发生器振荡频率，或者直接用此信号激振。

这样，便可使发生器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，负载换能器参数会有一定变化，于是电路固有谐振频率发生相应变化，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别，使得电路效率减少。

对高频逆变器而言，为理解决频率漂移问题，保证逆变器件可靠换流和电源工作在较高功率因素，以获得最佳电声效率，逆变输出频率需要随着负载频率变化而变化，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要具备频率跟踪功能。

实现频率跟踪办法诸多，最简朴是人工调节。

这种办法在初期她激式超声波清洗中得到了广泛应用。

但是，它缺陷非常明显，即它频率不能实现实时跟踪，并且频率调节需要人工干预。

为了适应超声技术各种实际应用，人们设计了自激式超声波发生器。

自激式超声波发生器有有种跟踪方案，即声跟踪和电跟踪。

它们都是采用反馈方式来实现频率跟踪，反馈强度经常随换能器参数发生变化，反馈信号强度很难控制。

当反馈信号过强时，会使系统工作频率偏离设计值，而当反馈信号处在临界或临界值如下时，又会容易使系统停振。

因而，这两类自激式方案只合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超声波发生器。

随着锁相技术发展与广泛应用,人们又发展了采用锁相环技术来实现频率跟踪办法[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）与参照信号（即输入信号）在相位与频率上同步一种电路。

同步状态称为锁定，在此状态下振荡器输出信号与参照信号之间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由鉴相吕（PD）、环路滤波器（LPF）和压控振荡器（VCO）三个基本某些构成，如图2-1所示

图2-1锁相环PLL构成方框图

鉴相器是相位比较装置，它把输入信号和压控振荡器输出信号相位进行比较，产生相应于相们差误差电压。

鉴相器之后为环路滤波器，它作用是滤除鉴相器输出信号中高频分量和噪声，以保证环路所需要性能，增长系统稳定性。

压控振荡器受滤波器输出电压控制，使得压控振荡器频率向输入信号频率靠拢，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，普通输入信号频率与压控振荡器示加控制电压时振荡频率是不同。

由于两信号之间存在固有频率差，它们之间相位差势必不断变化，并超过2π,而鉴相器特性是以相位差2π为周期，成果鉴相器输出误差电压就在一定范畴内摆动。

在这种误差电压控制之下，压控振荡器频率也在相信范畴之内变化。

若压控振荡器频率可以变化到与输入信号频率相等,便有也许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。

当前，锁相式频率自动跟踪系统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备如下特点：

由于锁相环是一种极好带通滤波器，因而，不会产生系统误并到非谐振其他频率之上；

频率自动跟踪系统控制信号与取样电压、电流波形好坏，关系并不大；

输出功率相对比较稳定，不会由于负载变化而发生明显变化；

由于控制系统工作在小信号状态下，因此能长时间持续地工作。

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构造框图

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、勉励放大器、功率放大器、电流取样及电压取样等构成，是一种闭环系统，它运用了末级换能器上电压和电流之间相位差，经相位比较后，获得相位误差信号，再经低通滤波之后，去控制压控振荡器输出信号频率，使之保持与振动系统机械谐谐振频率一致。

此外尚有差动变量器电桥法,电流反馈法等。

2.4功率控制

在下面咱们重要简介UC3875在超声电源功率控制系统中应用。

运用超声波电源切割复合材料时，为了保证换能器输出振幅恒定，规定超声波发生器具备功率自调节功能；同步，为了切割不同纤维材料，还规定振幅具备可调功能；这些都规定超声波发生器带有功率输出控制系统,在这个系统中,需控制参量普通是换能器电流值,而换能器电流值恒定,则要通过控制换能器两端电压来实现。

本文通过全桥移相移相角来变化正弦波幅值，从而变化换能器两端电压以达到控制换能器电流目。

2.4.1输出功率控制系统

图2-3所示是一种超声电源功率控制系统构造框图。

其中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所示电压波形来驱动IGBT。

为了防止桥臂直通，规定同一桥臂上下两个开关