基于数字PWM的新型超声波清洗电源的研制
2008-07-15
作者：滕旭东1, 傅友登2, 王
摘 要： 介绍了一种基于CPLD芯片的数字PWM超声波清洗" title="超声波清洗">超声波清洗电源的设计，其中包括数字PWM信号产生电路、单片机控制电路、功率放大电路、保护电路以及超声波电源与换能器" title="换能器">换能器的匹配和频率跟踪" title="频率跟踪">频率跟踪设计，并给出了系统软件设计流程。
关键词： 超声清洗 PWM信号 功率放大 匹配设计 频率跟踪
超声清洗技术在各种化学、物理以及机械的清洗中是最有效的一种手段，其核心是超声波电源。目前它激式超声波电源大多数采用专用集成控制芯片如SG3525、TL494产生PWM脉冲信号，经功率放大、阻抗和调谐匹配后，推动换能器将电信号转换为机械振动，产生超声波。这类电源的主要问题是频率随器件工作温度而偏移、动态响应慢、参数调整复杂且不够精确、实时跟踪换能器谐振频率" title="谐振频率">谐振频率困难，使得换能器难以工作在最佳谐振状态，极大影响了清洗效果及稳定性。因此，研制性能稳定、控制调整简便且成本低的数字化超声波电源尤为关键[1]。本文介绍数字PWM芯片的设计原理以及以该类芯片为核心的新型它激式超声波清洗电源的控制电路、功率驱动电路和频率跟踪电路的设计。
1 数字化超声波电源设计原理
数字超声波电源结构示意图如图1所示。单片机AT89C2051控制数字PWM发生器，产生频率为10kHz～1MHz、死区大小可调、波形互补的两路脉冲信号；功率电路采用半桥放大方式，通过DC/AC变换电路产生的高压信号经输出变压器隔离后去激励由谐振电感和超声换能器构成的串（或并）联谐振回路,使其谐振,将电能转换为机械能，产生超声波，实现超声清洗的目的。
2 数字化超声波电源电路设计
2.1 数字PWM信号发生器
数字PWM信号发生器原理图如图2所示，它以计数器为核心，由周期预置计数器、逻辑延时计数器、协同控制信号以及各种触发标志信号等组成。
在基准时钟信号CLK的作用下，周期预置计数器和减1计数器开始做循环置数减1操作，当减至零值时，产生周期等于T的两路触发脉冲信号去控制两个RS触发器的翻转时刻，并用逻辑延时计数器保证翻转方向，从而形成两路反向的PWM波形。PWM波形发生器输出频率f和频率分辨率Δf由下式计算：
式中，foscillator为晶振频率；Q为对应的N位二进制计数值。显然计数器位数越多，PWM发生器晶振频率越高，频率分辨率就越高，频率可调范围也就越宽。PWM信号发生器的具体实现电路一般采用大规模可编程逻辑器件CPLD或FPGA器件来完成，也可用专用集成电路(ASIC)来实现[2]。
数字PWM发生器控制电路图如3所示。整个电路以单片机AT89C2051为控制核心，用并行输入的方式实现数字PWM发生器的频率、延时时间、脉冲占空比等的设定，并实时处理键盘输入的控制命令和显示输出，实现人机交互。
首先，通过A[0..2]总线向CPLD送入访问地址，译码后D[0..3]上的数据写入选中计数器，实现对PWM波形发生器的设置，按下Start_Key键启动CPLD开始独立工作。在工作过程中，频率跟踪电路将采样反馈信号Feedback送入A/D转换器形成四位二进制数值[PD0..PD3],用该数据调整PWM脉冲信号的死区延时预置计数器计数值即占空比，从而跟踪谐振点的变化，稳定输出功率。如果外部电路出现异常，则用保护信号Protect停止PWM信号的输出。
2.2 半桥功放电路及其驱动电路
PWM发生器产生的两路PWM信号电流小、驱动能力弱，需要通过电流放大后才能驱动功率场效应管MOSFET模块或IGBT模块，为此必须进行脉冲变压器隔离放大。图4为输出功率放大电路，市电经高频滤波电路后进入整流桥，将交流变换成直流再经C3、C4组成的滤波电路滤波得到约300V直流电压U1作为开关功率放大电路电源，C3、C4同时也是桥式电路的两个桥臂，通常它们上面要并联一个33kΩ的均压电阻以保证其中点电压为U1/2(约150V)。功率开关器件V1、V2在双路互补脉冲PWM信号作用下交替导通" title="导通">导通、截止，图5为经过脉冲变压器隔离的实际控制波形图。当V1导通时，V2截止，电压U1经V1、变压器B的初级、电容C4到地形成通路将电能储存在变压器中，而当V1截止时，V2导通，电压U1经C3、变压器B的初级、V2到地构成通路将储存在变压器中的能量释放，随后重复上述工作过程，于是在输出变压器次级得到一个与主振信号同频且电压幅度较高的准方波信号，如图6所示。此过程通常称交－直－交变换（AC-DC-AC变换）。由于功率管在截止和饱和导通时的功耗很小，而开关时间较短，因此总的功耗较小，而且恒定 ，最高效率可以达到90％以上。
2.3 匹配电路
超声波电源匹配电路包括输出变压器、电感和换能器。该电路将功率放大后的高压信号用输出变压器隔离后，去激励由谐振电感和超声换能器构成的串（并）联谐振回路,使其谐振,将电能最有效地转换为机械能，实现超声清洗的目的。虽然结构简单（通常只有一个匹配电感），却具有重要作用。匹配调得好的清洗效果好；匹配调得差的则清洗效果差。匹配电路包括阻抗匹配和调谐匹配两个方面。
阻抗匹配是指变换负载的阻值，使之与PWM波形发生器的最佳负载值相等，即起阻抗变换的作用，应根据换能器的激励电压、等效阻抗以及开关电路的输出阻抗进行精心设计。
压电换能器在谐振频率附近的等效电路如图7所示。图中，C0为静态电容，是一个真实的电学量。L1、C1和R1分别是动态电感、动态电容和动态电阻，它们不是真正的电学量，而是从换能器的质量、机械特性和损耗分别折算过来的等效参数。当换能器处于机械谐振状态时,谐振频率近似为：
由式（2）和式（3）可知，谐振时整个网络等效于纯电阻性，电压和电流的相位差近似为零，因此需要动态调整电感L，保证谐振频率f0与PWM发生器所产生信号的频率相匹配。
2.4 频率跟踪设计
换能器的谐振频率会由于发热、负载变化、老化等原因发生改变，引起换能器谐振频率的漂移，因此要求PWM发生器能自动调节频率，即自动跟踪频率。理论上换能器谐振时，在换能器两端的电压信号和电流信号（除去静态电容的电流分量）相位差为零，故可用相位差作为反馈信号调整频率的变化。然而这种方法在工程中使用较少。(1)由于动态电容和静态电容，存在一个电流分量，实际上换能器谐振时电压和电流的相位差不为零。(2)当换能器处于偏谐振状态时，电流取样波形不再是正弦波形，波形复杂不易进行相位比较，而且鉴相器检测出来的相位差变化范围很小，线性差，也不易作为反馈控制信号。
考虑在谐振状况下，换能器阻抗最小，回路电流最大，因此采用单片机搜索谐振频率附近的工作电流最大值，便可使换能器处于最佳工作状态。如果换能器的谐振频率发生漂移，电流i将因系统失谐而减小，反馈给智能控制系统，将单片机的采样电流值与谐振频率时的最大电流imax比较，若不等则单片机发出指令，以一定的步长Δf改变PWM发生器的工作频率，如频率改变电流减小，单片机会使频率朝相反方向改变，直到最大电流值出现，于是系统又回到了V和I同相的谐振状态。采样电流通常检测功放级的直流电流，也可以检测流过换能器的超声波电流。
2.5 保护电路设计
超声波清洗机电源是一种大功率设备,常因种种原因致使设备过流、过热以及负载短路而损坏驱动源。为此,超声波清洗机电源设置了过流、过热及输出短路保护电路,以确保驱动源稳定可靠工作[3]。图8和图9分别为过流保护电路和过压保护电路。图10是过热保护信号产生电路，当温度低于65°C时，68L065长闭型热继电闭合，P为低电平，电路处于正常工作状态；而当温度高于65°C时，热继电器断开，P为高电平，通过保护信号合成电路产生过热保护信号，控制振荡电路停振，并经故障指示板发出过热指示信号。
3 数字化超声波电源软件设计
软件设计主要对PWM发生器进行编程，实现频率设置和调整、键盘输入和LED显示等控制，同时监控频率跟踪电路的反馈信号，调整占空比改变输出功率，完成扫频和软启动功能等，程序流程图如图11所示。
本文设计的超声波清洗电源采用数字PWM发生器，产生的频率稳定性好，且连续可调。为了提高驻波场的均匀性，增强清洗效果，还设计了扫频功能。本系统用大功率的VDMOS管和变压器输出，转换效率高,达90%以上，不但输出功率大，而且具有软启动功能，避免开关电源启动时的冲击，使启动时功率由小变大，从而提高了系统的可靠性。该系统还具有过流、过热、过压保护功能，可靠性高，并能够跟踪换能器谐振频率的漂移及时调整数字PWM发生器的输出频率，输出功率稳定。
参考文献
[1] 马伯志，吴敏生. 基于DDS技术的智能超声波功率源的研究. 电子技术应用, 2004，30(8).
[2] 徐 涛. 超声波发生器电源技术的发展[J]. 洗净技术，2003,(7).
[3] 傅友登. CDXX-2002系列超声波清洗机电源说明书.四川大学新星技术研究所, 2002.