超声波电源的设计Word文档格式.docx
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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，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。
由于功率管输出的功率受到限制，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A／D（模拟转数字）和D／A（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（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，因此大功率（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40—50KHz，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，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。
1超声加工技术
1.1超声波加工的原理
超声波加工（ultrasonicmachining，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0.01～0.15mm，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，切削应力、切削热更小。
（3）工件加工精度高、表面粗糙度低
可获得较高的加工精度（尺寸精度可达0.005～0.02mm）和较低的表面粗糙度（Ra值为0.05～0.2），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
１.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。
２.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、切口窄、精度高、生产率高、经济性好等优点。
３.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、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。
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CPU．RAM／ROM、定时器／计数器和I／O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MCS—96（16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D／A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A／D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，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执行单指令的时间快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I／O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（20MB／s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，它们之间的相位差势必不断的变化，并超过2π,而鉴相器的特性是以相位差2π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；
频率自动跟踪系统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
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