超聲波用開關電源的設計

超聲波用開關電源的設計,超聲波,開關電源,設計 學生姓名 馬繼輝 班級 電氣064班 指導教師 陳艷鋒 論文（設計）題目 超聲波用開關電源的設計 目前已完成任務 1. 設計方案的確定； 2. PWM控制方式的選擇； 3. IGBT的驅(qū)動和保護； 4. 已完成部分論文撰寫 是否符合任務書要求進度：符合要求 尚需完成的任務 1. 電路圖的改進與完善； 2. 程序編寫與調(diào)試； 3. 控制器的保護； 4. 論文的整理； 能否按期完成論文（設計）：能 存在問題和解決辦法 存 在 問 題 1. 電路抗干擾設計考慮不足，需進行改進； 2. 電路沒有預留擴展接口，需擴展； 擬 采 取 的 辦 法 1.聯(lián)系廠商了解控制方式； 2.找指導老師，向老師詳細請教不明白的地方； 3.平時對理論知識加深理解； 4.與同學互相討論，解決心中疑難； 5.統(tǒng)計優(yōu)缺點進行優(yōu)化電路。 指導教師簽 字 日期 年 月 日 教學院長（系主任）意 見 負責人簽字： 年 月 日 河南科技學院本科畢業(yè)論文（設計）中期進展情況檢查表 河南科技學院本科生畢業(yè)論文（設計）任務書 題目名稱： 超聲波用開關電源的設計 學生姓名 馬繼輝 所學專業(yè) 電氣工程及其自動化 學號 20060344414 指導教師姓名 陳艷鋒 所學專業(yè) 機電技術(shù)教育 職稱 實驗師 完成期限 2009年12月16日至2010年5月29日 一、論文（設計）主要內(nèi)容及主要技術(shù)指標 1.主要內(nèi)容 超聲波電源的發(fā)展經(jīng)歷了不可控、可控的過程，對控制方式的選擇有重要的研究意義。選用IGBT和DSP控制頻率、電壓系統(tǒng)功能強大，但是對系統(tǒng)的保護也要求嚴格。 本設計的多功能超聲波電源應具有以下功能：限流保護、欠壓保護、頻率電壓可調(diào)可顯示功能。 本設計要求：設計出具有上述部分或全部功能的控制電路，各項指標達到設計要求。 2.技術(shù)指標 （1）限流保護：180A； （2）欠壓保護：42V； （3）頻率、電壓可調(diào)，并能顯示； （4）可編程； （5）實現(xiàn)或部分實現(xiàn)過熱、過壓保護。 二、 畢業(yè)論文（設計）的基本要求 1.畢業(yè)設計報告：有200字左右的中英文摘要，正文后有20篇左右的參考文獻，正文 中要引用5篇以上文獻，并注明文獻出處。 2.有不少于2000漢字的與本課題有關的外文翻譯資料。 3.畢業(yè)設計字數(shù)在10000字以上。 4.程序清單和圖紙。 三、畢業(yè)論文（設計）進度安排 1.2009年12月12日-12月16日，下達畢業(yè)設計任務書；寒假期間完成英文資料翻譯 和開題報告。 2. 2010年2月16日-3月8日（第1-3周），指導教師審核開題報告、設計方案和英文資 料翻譯;畢業(yè)設計單元部分設計。 3. 2010年4月6日-4月12日（第8周），畢業(yè)設計中期檢查。 4. 2010年4月13日-5月10日（第9-12周）設計仿真、程序調(diào)試、線路板制作調(diào)試， 整理、撰寫畢業(yè)設計報告。 5. 2010年5月11日-5月29日（第13-16周）上交畢業(yè)設計報告，指導教師、評閱教師審查 評閱設計報告，畢業(yè)設計答辯資格審查。畢業(yè)設計答辯，學生修改整理設計報告。 河南科技學院 2010 屆本科畢業(yè)論文（設計） 論文題目：超聲波用開關電源的設計 學生姓名：馬 繼 輝 所在院系：機 電 學 院 所學專業(yè)：電氣工程及其自動化 指導老師：陳 艷 鋒 完成時間：2010 年 5 月 27 日 摘 要 針對大功率超聲波電源高精度、高功率輸出的特點．對超聲波電源控制策略 進行了改進。本論文以超聲波開關電源為研究目的，詳細地敘述了基于 56F803 型 DSP 的頻率跟蹤與功率 調(diào)節(jié)相結(jié)合的周期分段移相控制策略，研究了基于此 控制方法的超聲波電源。在 論文中簡單介紹了 56F803 型 DSP 的結(jié)構(gòu)以及 IR21lO 型驅(qū)動模塊的應用；超聲波的物理性質(zhì)和超聲波發(fā)生器的原理，以及其在 工業(yè)清洗上的應用；超聲波換能器的匹配設計。 關鍵詞：超聲波電源；頻率跟蹤與功率協(xié)調(diào)控制；56F803 The super voice wave uses the design of switch power supply Abstract Aim at big power a super voice accuracy with high wave power supply, high power output's characteristics.carried on an improvement to super voice the wave power supply control strategy.This thesis with super voice wave switch power supply is study a purpose, in detail described a type DSP frequency to follow the period cent segment which regulates to combine together with power to move to mutually control strategy according to the 56 F803, studied according to this control method of super voice wave power supply.In brief introduced a 56 F803 a type the application which drives a mold piece of DSP structure and the IR21 lO type in the thesis;Super voice the physical property of the wave wave occurrence with super voice the principle of the machine, and it is cleaning industry the last application;The super voice wave changes a match of ability machine a design. Key words: Super voice wave power supply;The frequency follows to moderate a control with power; 56F803 目 錄 1 引言 ............................................................................................................................1 2 設計方案 ....................................................................................................................2 2.1 方案對比選擇 ......................................................................................................2 2.2 控制方式的選擇 ..................................................................................................2 3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 ............................................................................................................3 4 DSP 外圍器件的設計 .................................................................................................4 4.1 整流濾波電路 ......................................................................................................4 4.2 主控制電路 ..........................................................................................................5 4.2.1 56F803 型 DSP ..............................................................................................5 4.2.2 高頻逆變單元 ...............................................................................................7 4.2.3 IGBT 驅(qū)動模塊 ..............................................................................................8 4.3 頻率跟蹤控制單元 ..............................................................................................9 4.4 模擬鍵控制模塊 ................................................................................................10 4.5 保護電路 ............................................................................................................11 4.6 顯示電路 ............................................................................................................12 4.7 PWM 產(chǎn)生單元 ..................................................................................................12 5 軟件設計與分析 ......................................................................................................14 5.1 主程序流程圖 ....................................................................................................14 5.2 模擬控制鍵子程序 ........................................................................................15 5.3 A/D 轉(zhuǎn)換子程序 .............................................................................................15 6 結(jié)束語 ......................................................................................................................16 謝辭 ..............................................................................................................................18 參考文獻 ......................................................................................................................19 附圖 整體電路圖 ........................................................................................................20 河南科技學院本科生畢業(yè)論文（設計）開題報告 題目名稱： 超聲波用開關電源的設計 學生姓名 馬繼輝 專業(yè) 電氣工程及其自動化 學號 20060344414 指導教師姓名 陳艷鋒 所學專業(yè) 機電技術(shù)教育 職稱 實驗師 完成期限 2010年 2月 16日至20010年 2 月 27日 一、 選題的目的意義 超聲波清洗源于二十世紀六十年代，自超聲波技術(shù)問世以來，科學家們發(fā)現(xiàn)：一定頻率范圍內(nèi)的超聲波，作用于液體介質(zhì)里，可以達到清洗的作用。經(jīng)過一段時間的研究和試驗，不僅得到了滿意的效果，而且發(fā)現(xiàn)其清洗效率極高，由此超聲波清洗機被逐漸運用于各行各業(yè)中去。在應用初期，由于電子工業(yè)的限制，超聲波清洗設備電源的體積比較龐大，穩(wěn)定性及使用壽命不太理想，價格昂貴，一般的工礦企業(yè)難以承受，但其出色的清洗效率及效果，仍然讓部分實力雄厚的國有企業(yè)一見傾心。隨著電子工業(yè)的飛速發(fā)展，新一代的電子元器件層出不窮，應用新的電子線路以及新的電子元器件，超聲波電源的穩(wěn)定性及使用壽命進一步的提高，體積減小，價格逐漸降低。二十世紀八十年代末，第三代超聲波電源問世，既逆變電源，應用最新IGBT元件。新的超聲波電源具有體積小，可靠性高，壽命長等特點，清洗效率得以進一步提高，而價格也降到了大部分企業(yè)可以接受的程度。 二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 超聲波的發(fā)展幾經(jīng)興衰,由于環(huán)境和能源問題又重新興起。目前,世界上許多國家在研究開發(fā)超聲波電源,主要還是功率問題。還有就是控制器的問題，在控制器的選擇上，有多種多樣，以前的模擬控制方式到模擬數(shù)字一體化的方式，可以說各有各的優(yōu)勢，各有各的缺點。隨著科技的不斷進步，人們開始了在DSP上的研究，利用DSP作為控制器來控制PWM的脈沖寬度以達到控制頻率的目的。利用DSP的控制器有很多優(yōu)點，一方面減少了元件的使用量，減少了故障的出現(xiàn)率；另外保護功能的實現(xiàn)主要在程序，為產(chǎn)品的后期開發(fā)提供了方便。由于DSP用的技術(shù)含量較高，所以在價格上比較貴。因此我所要研究的是找到一個功能比較齊全、方便簡單易用、價格比較適中的DSP來控制PWM的脈沖寬度以達到控制輸出的頻率和電壓的目的。 三、主要研究內(nèi)容 1．設計方案的選型； 2．PWM控制方式； 3．DSP的選擇； 4．保護單元的設計； 5．程序流程圖的寫出； 四、畢業(yè)論文（設計）的研究方法或技術(shù)路線 研究方法：查閱各類資料，在師的指導下進行整個系統(tǒng)的設計。 技術(shù)路線： （1）掌握超聲波電源傳統(tǒng)設計方法及存在的問題和改進的方法； （2）熟悉56F803型DSP的功能以便完成電動汽車PWM控制；實現(xiàn)電動汽車的有效制動以及各種保護功能； （4）系統(tǒng)集成調(diào)試； 五、主要參考文獻及資料 ［1］ 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎［M］.北京：高等教育出版社，2000 ［2］ 鄧漢馨,鄧家龍.模擬集成電子技術(shù)教程［M］.北京：高等教育出版社，1994 ［3］ 房小翠,王金鳳.單片機實用系統(tǒng)設計技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1999 ［4］ 康華光.電子技術(shù)基礎模擬部分［M］.北京：高等教育出版社，1999.6 ［5］ 康華光,鄒壽彬.電子技術(shù)基礎數(shù)字部分［M］.北京：高等教育出版社，1999.6 ［6］ 張相軍,陳伯時. PWM調(diào)制方式對換相轉(zhuǎn)矩脈動的影響［J］.電機與控制學報,2003 ［7］ 周明寶,瞿文龍.電力電子技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1997.5 ［8］ 宋春榮.通用集成電路速查手冊．濟南：山東科技大學出版社，1995.9 ［9］ 蘇開才.毛宗源.現(xiàn)代功率電子技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社,1995 六、指導教師審批意見 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　簽名： 年 月 日 河南科技學院新科學院畢業(yè)論文(設計)指導過程記錄表 論文(設計)題目 超聲波用開關電源的設計 學生姓名 馬繼輝 專業(yè) 電氣工程及其自動化 學生學號 20060344414 班級 電氣064 指導教師姓名 陳艷鋒 職稱 實驗師 第1次指導： 指導時間 年 月 日 第2次指導： 指導時間 年 月 日 第3次指導： 指導時間 年 月 日 第4次指導： 指導時間 年 月 日 第5次指導： 指導時間 年 月 日 第6次指導： 指導時間 年 月 日 續(xù)表 第7次指導： 指導時間 年 月 日 第8次指導： 指導時間 年 月 日 第9次指導： 指導時間 年 月 日 第10次指導： 指導時間 年 月 日 第11次指導： 指導時間 年 月 日 第12次指導： 指導時間 年 月 日 說明： 1.此表為指導教師指導學生結(jié)業(yè)論文(設計)的過程記錄表，由指導教師填寫。 2.要求指導教師每周至少指導學生2次。每周集中填寫指導記錄表1次。 3. 論文(設計)完成后，此表由指導教師交院(系)教學秘書處保存。 河南科技學院畢業(yè)論文（設計）課題審核表 院（系）名稱 機電學院 專業(yè)名稱 電氣工程及其自動化 指導教師 姓名及職稱 陳艷鋒 實驗師 課題名稱 超聲波用開關電源的設計 課題來源 同本專業(yè)、學科內(nèi)容相關，結(jié)合實際的給定課題。 立題理由 和所具備 的條件 超聲波電源在工業(yè)清洗上的應用日漸廣泛，對超聲波電源控制方式的研究有很大的實際意義。在控制器的選擇上，有多種多樣，從以前的模擬控制方式到模擬數(shù)字一體化的方式，可以說各有各的優(yōu)勢，各有各的缺點。隨著科技的不斷進步，人們開始了在DSP上的研究，利用DSP作為控制器來控制PWM的脈沖寬度以達到控制頻率和功率的目的。利用DSP的控制器有很多優(yōu)點，一方面減少了元件的使用量且減少了故障的出現(xiàn)率；另外保護功能的實現(xiàn)主要在程序，為產(chǎn)品的后期開發(fā)提供了方便。 機電學院擁有與該課題相關的實驗室。本人在該課題方面進行了積極的探索研究。 教研室 審批意見 教研室主任簽字： 年 月 日 畢業(yè)論文（設 計）工作領導 小組審批意見 組長簽字：： 年 月 日 注：本表經(jīng)教務處復審后存院（系）備查。 0 目錄 1 引言 ............................................................................................................................1 2 設計方案 ....................................................................................................................2 2.1 方案對比選擇 ......................................................................................................2 2.2 控制方式的選擇 ..................................................................................................3 3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 ............................................................................................................4 4 DSP 外圍器件的設計 .................................................................................................5 4.1 整流濾波電路 ......................................................................................................5 4.2 主控制電路 ..........................................................................................................6 4.2.1 56F803 型 DSP ..............................................................................................6 4.2.2 高頻逆變單元 ...............................................................................................7 4.2.3 IGBT 驅(qū)動模塊 ..............................................................................................9 4.3 頻率跟蹤控制單元 ............................................................................................10 4.4 模擬鍵控制模塊 ................................................................................................11 4.5 保護電路 ............................................................................................................11 4.6 顯示電路 ............................................................................................................12 4.7 PWM 產(chǎn)生單元 ..................................................................................................13 5 軟件設計與分析 ......................................................................................................14 5.1 主程序流程圖 ....................................................................................................14 5.2 模擬控制鍵子程序 ........................................................................................15 5.3 A/D 轉(zhuǎn)換子程序 .............................................................................................16 1 6 結(jié)束語 ......................................................................................................................17 謝辭 ..............................................................................................................................18 參考文獻 ......................................................................................................................19 附圖 整體電路圖 ........................................................................................................20 1 引言 隨著科學的發(fā)展和技術(shù)的進步．超聲波在超聲焊接、超聲清洗、干燥、霧化、 導航、測 距、育種等領域的應用日趨廣泛?，F(xiàn)在的大功率超聲波 電源大都采用頻 率跟蹤控制或功率控制。這 種單一控制方法不僅會降低超聲波電源效率，而且會 影響輸出精度和強度。如何使超聲波電源根據(jù)實際負載實時，動態(tài)調(diào)節(jié)輸出諧振 頻率和功率，從而保證超聲波加工等操作的要求具有重要的理論研究和實際應 用價值。 超聲波在工業(yè)清洗中的應用是本文設計的重要背景。超聲波清洗屬物理清洗， 把清洗液放入槽內(nèi)，在槽內(nèi)作用超聲波。由于超聲波與聲波一樣是一種疏密的振 動波，在 傳播過程中，介質(zhì)的壓力作交替變化。在負壓 區(qū)域，液體中產(chǎn)生撕裂的 力，并形成真空的氣泡。當聲壓達到一定值時，氣泡迅速增長，在正壓區(qū)域氣泡 由于受到壓力擠破滅、閉合。此時，液體間相互碰撞 產(chǎn)生強大的沖擊波。雖然位 移、速度都非常小，但加速度卻非常大，局部壓力可達幾千個大氣壓，這就是所 謂的空化效應。 眾所周知，要取得不同大小的顆粒，是把破碎料放在球磨機內(nèi)研磨后，經(jīng)過不 同規(guī)格篩子層層篩分而得的。 篩子長時間使用后， 篩 孔會被堵塞（如金剛石篩）， 用其它方法刷洗會破壞篩子，且效果不理想，經(jīng)過眾多廠家的試驗后，用超聲波 清洗，不僅不損壞篩子，而且篩子上面的堵塞顆粒完全被回收。 超聲波清洗在各行各業(yè)都可用到，以上僅是具有代表性的行業(yè)應用，還有許 2 多新的行業(yè)和領域都可以使用超聲波清洗，期待著廣大使用單位和生產(chǎn)廠家共 同開發(fā)探索。 目前,世界上許多國家在研究超聲波電源上主要是解決功率問題和功耗的問 題，而我的論文主要是研究自 動跟蹤、自 動調(diào)整的問題 。在控制器的 選擇上，有 多種多樣，從以前的模擬控制方式到模擬數(shù)字一體化的方式，可以說各有各的優(yōu) 勢，各有各的缺點。隨著科技的不斷進步，人們開始了在 DSP 上的研究，利用 DSP 作為控制器來控制 PWM 的脈沖寬度以達到控制 頻率和功率的目的。利用 DSP 的控制器有很多優(yōu)點，一方面減少了元件的使用量且減少了故障的出現(xiàn)率； 另外保護功能的實現(xiàn)主要在程序，為產(chǎn)品的后期開發(fā)提供了方便。 因此，本文主要研究的是基于 56F803 型 DSP 的頻 率跟蹤與功率調(diào)節(jié)相結(jié)合 的周期分段移相控制的設計過程。在本論文中詳細介紹了 56F803 型 DSP 的結(jié)構(gòu) 以及高頻逆變模塊和滯環(huán)采樣電路的應用；另外，本論文中對電路的一些保護功 能如限流保護、過壓壓保護 、短路保 護都是通過 DSP 編寫程序?qū)崿F(xiàn)的，這樣使電 路簡單，成本較低并且效果 優(yōu)秀。 除此之外， 還設計 了系統(tǒng)的軟件流程，包括主 程序流程設計和 PWM 產(chǎn)生子程序流程設計。 2 設計方案 2.1 方案對比選擇 方案（1）：以單片機為中心。采用單片機智能控制系統(tǒng)的大功率超聲波電源， 可實現(xiàn)電源頻率和輸出電壓的人工設定。單片機模擬輸出的 HPWM（混合脈寬調(diào) 制信號）可簡化硬件電路，大大提高系統(tǒng)的功率因數(shù)和效率；同時運用了 HPWM 控制方式與 ZVS（零 電 壓 開 關 ）諧振軟開關技術(shù)，降低了開關管的損耗，抑制了 高次諧波，減小了換能器的 損耗。 實驗表明，所提出的電源性能優(yōu)良，調(diào)節(jié)方便， 可靠性高。 方案（2）：以 DSP 為中心。DSP(Digital Signnal Processing)即數(shù)字信號處理,隨 著信號和微電子技術(shù)的進一步得到了越來越廣泛的應用。其運算精度和動態(tài)范 圍都比單片機有著很大的優(yōu)勢，并且其在功耗上也大大降低，在工業(yè)中得到了更 好的應用。 DSP 多處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特別適合 FIR 和 IIR 濾波器，有著很高的運 行速度，可以實現(xiàn)現(xiàn)在工業(yè)規(guī) 格的要求。 經(jīng)過以上兩種方案的分析比較，考慮到頻率和電壓可調(diào)的目標以及功耗、簡 易性的要求，選擇第二種方案。 2.2 控制方式的選擇 方案（1）：選用 PWM 專用集成芯片作為主控芯片。如 PWM 芯片 SG3525 具 有很高的溫度穩(wěn)定性和較低的的噪聲等級，具有欠壓保護和外部封鎖功能，能方 3 便地實現(xiàn)過壓、過流保護，能輸出兩路波形一致、相位差為 180°的 PWM 信號。 方案（2）：采用通用的 AT89S51 單片機作為控制器，單片機通過模擬的 PWM，經(jīng)處理后通過功率放大器驅(qū)動電機。 方案（3）：采用 56F803 型 DSP 作為控制器。目前 DSP 已非常普遍，采用 56F803 型 DSP 作為控制電路的核心處理器．它內(nèi)置 2 KB SRAM，31．5 KB FLASH，同 時 ，其 40 MHz 的 CPU 時鐘頻率比其他 單片機具有更強的處理能力。 6 路 PWM 信號可以實現(xiàn)高頻逆變電路開關管 MOSFET 的移相控制。12 位 A／D 轉(zhuǎn)換器采集可以實現(xiàn)電壓和電流采樣并滿足采樣數(shù)據(jù)精度的要求。利用 56F803 型 DSP 中定時器的捕獲功能可以精確計算相位差大小，實現(xiàn)系統(tǒng)的頻率 跟蹤控制。串行外設接口 SPI 與 MCl4489 配合使用可以 實現(xiàn)對 5 位半數(shù)碼管的 控制．從而實現(xiàn)系統(tǒng)頻率和功率的顯示。另外，56F803 還支持 C 語言與匯編語言 混合編程的 SDK 軟件開發(fā)包．可以實現(xiàn)在線調(diào)試 經(jīng)過討論和老師的指導，我們采用了方案（3）作為我的設計。采用方案（1）能 夠滿足基本要求，但是這種方案可控性不好、功能單 一，每 擴展一種功能就要增 加相應的硬件電路，使控制器成本增加很多；采用方案（2）能滿足設計基本要求， 而且價格便宜，購買方便，但是現(xiàn)場編譯不太方便；而方案（3）集中了前兩種方案 中的優(yōu)點， 還彌補了它們存在的缺陷；而且處理速度快，運行穩(wěn)定可靠， 符合工業(yè) 清洗和除塵的嚴格要求。自 動控制復雜， 換能器需要一定的邏輯輸出才能可靠運 行。而這類 DSP 都有豐富的片上資源，比較強大的處理能力，一般都不需要外擴 其他器件就可以構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)。片上系統(tǒng)的優(yōu)點在于減小了布線的麻煩， 提高了系統(tǒng)的整體性能。 2.3 PWM 調(diào)制方式 脈寬調(diào)制（PWM）控制方式就是對逆變電路開關器件的通斷 進行控制，使輸 出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形。也 就是在輸出波形的半個周期中產(chǎn)生多個脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波形， 所獲得的輸出平滑且低次斜波諧波少。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調(diào)制， 即可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。 在一個周期內(nèi)，每個功率開關器件導通 120 度電角度，每隔 60 度有兩個開 關器件切換。因此，PWM 調(diào)制方式可以有以下五種：(1)on_pwm 型、(2)pwm_on 型、(3)H_pwm-L_on 型、 (4)H_on-L_pwm 型和(5)H_pwm-L_pwm 型。 前四種方式又稱為半橋臂調(diào)制方式，即在任意一個 60 度區(qū)間，只有上橋臂 或下橋臂開關進行斬波調(diào)制。其中，方式(1) 和(2)為雙管調(diào)制方式，即在調(diào)制過程 中上橋臂和下橋臂的功率開關都參與斬波調(diào)制。方式(3)和(4)又稱為單管調(diào)制方 式，即在調(diào)制過程中只有上 橋臂或下橋臂的功率開關參與斬波調(diào)制。方式(5)又稱 4 為全橋調(diào)制方式，即在任意一個 60 度區(qū)間內(nèi)，上、下 橋臂的功率開關同時進行斬 波調(diào)制。 在全橋調(diào)制方式中，功率開關的動態(tài)功耗是半橋調(diào)制方式中的兩倍。與半橋 調(diào)制方式相比，全橋調(diào)制方式降低了系統(tǒng)效率， 給散 熱帶來困難。因此，考 慮到 功率開關的動態(tài)功耗，在 PWM 調(diào)制方式上應選擇半橋調(diào)制方式。同時，在半橋 調(diào)制方式中，雙管調(diào)制方式不增加功率開關的動態(tài)損耗，并解決了由單管調(diào)制所 造成的功率開關散熱不均，提高了系統(tǒng)的可靠性，但是實現(xiàn)起來較復雜。 因此本設計采用本系統(tǒng)的開關采用占空比為 50％的 PWM 信號移相控制。 傳統(tǒng)移相控制方法有二種：一種是采用 UC3875 產(chǎn) 生移相控制波形．但電路復雜， 不便于調(diào)試。精度低：另一種是采用單片機， 這種方法大部分采用正弦表產(chǎn)生移 相波形，程序冗長、復雜、可 讀性差。本系統(tǒng)采用周期分段控制方法實現(xiàn)移相控 制波形，避免了以上缺陷。 3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 超聲波電源系統(tǒng)主要由 220V 電源、整流 濾波、高 頻逆變單元、匹配網(wǎng)絡、檢 測電路、 PWM 產(chǎn)生電路和 驅(qū)動電路組成，系統(tǒng)整體硬件方框如圖 1 所示。 電源 220VAC 整流 濾波 高頻 逆變 網(wǎng)絡 匹配 換能器 負載 電流檢測實現(xiàn)功 率控制 驅(qū)動模塊 PWM 軟開關控制 CAPCOM DSP A/D 轉(zhuǎn)換 電壓和電流檢測 實現(xiàn)鑒相控制 顯示電壓 電流、頻率 鍵盤控制 圖 1 系統(tǒng)整體硬件電路方框圖 220V 單相交流電經(jīng)過二極管不可控整流電路得到直流 電壓，然后 經(jīng)過由 MOSFET 組成的高頻逆變電 路得到滿足換能器要求的高頻電壓。為減少高頻工 作條件下 MOSFET 的開關 損耗，高 頻逆變電路采用 帶輔助網(wǎng)絡的全橋結(jié)構(gòu)。超 5 11 22 220V D1 D3 D2 D4 C1 C2 聲波電源與換能器匹配的好壞將決定整個電路的控制效果。匹配主要指為使發(fā) 生器輸出額定電功率，進行阻抗變換匹配。以及 為使發(fā)生器輸出最高效率進行調(diào) 諧匹配。通過檢測整流濾波后的電流， 經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換送到 DSP 進行控制對比。在 鍵盤控制下實現(xiàn)人機交流，通過程序設置然后輸出信號，在驅(qū)動電路下實現(xiàn)高頻 逆變電路開關管 MOSFET 的移相控制， 調(diào)節(jié)電壓、頻率。對換能器電壓、電流的 檢測實現(xiàn)鑒相控制。顯示單元實時對電壓、 電流、頻 率進行顯示。程序設計中的 保護模塊對整個系統(tǒng)的過壓、過流進行保護。 4 DSP 外圍器件的設計 4.1 整流濾波電路 常用整流電路有半波、全波、橋式、倍壓整流等形式。本文采用橋式整流電 路，采用不可控方式，利用二極管單向?qū)щ娦赃@一特性可以組成整流電路，將交 流電變?yōu)槊}動的直流電流，整流時四個二極管兩兩輪流導通，無論是正半周還是 負半周流過 1 端口的電流的方向是一致的，所以它的電壓：U34=0.9U12; 電流 I34=0.9×(U12/RL)。一般的直流電路都需要較理想的一條直線似的的直流電壓， 這就要平滑脈動的電壓使其達到,這種措施就是濾波。濾波器一般由電感或電容 以及電阻等元件組成。利用 電容兩端電壓不能突變只能充放電的特性來達到平 滑脈沖的電壓的目的。D1 、D2、D3、D4 四個大功率二極管 進行橋式整流， C1、C2 兩個電 容分別用于 濾除整流后的高低頻成分， U34 為輸出電壓，后面接高 頻逆變單元。電路如圖 2 所示。 圖 2 整流濾波電路路原理圖 4.2 主控制電路 由設計方案可以確定單片機主控制電路選用 56F803 型 DSP，現(xiàn)在詳細介紹 該 DSP 的特點和連接方式。 4.2.1 56F803 型 DSP 3 4 6 采用 56F803 型 DSP 作為控制電路的核心處理器．它內(nèi)置 2 KB SRAM，31 ．5 KB FLASH，同時，其 40 MHz 的 CPU 時鐘頻 率比其他單片機具有更強的處 理能力。6 路 PWM 信號可以 實現(xiàn)高頻逆變電路開關管 MOSFET 的移相控制。12 位 A／D 轉(zhuǎn)換器采集可以實現(xiàn)電壓和電流采樣并滿足采樣數(shù)據(jù)精度的要求。利 用 56F803 型 DSP 中定時器的捕獲功能可以精確計 算相位差大小， 實現(xiàn)系統(tǒng)的頻 率跟蹤控制。串行外設接口 SPI 與 MCl4489 配合使用可以 實現(xiàn)對 5 位半數(shù)碼管 的控制．從而實現(xiàn)系統(tǒng)頻率和功率的顯示。另外，56F803 還支持 C 語言與匯編語 言混合編程的 SDK 軟件開發(fā)包．可以 實現(xiàn)在線調(diào)試 。TMS320C5000 平臺，是一 種高性能、低功耗、16 位定點 DSP。運行速度 為 40~6000MIPS，價格較低，是 TI 公司 DSP 的主流產(chǎn)品。主要特點有：根據(jù)數(shù)字信號處理的要求，DSP 芯片一般具 有如下的一些主要特點： （1） 在一個指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法。 （2） 程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時訪問指令和數(shù)據(jù)。 （3） 片內(nèi)具有快速 RAM，通?？赏?過獨立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時訪 問。 （4） 具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持。 （5） 快速的中斷處理和硬件 I/O 支持。 （6） 具有在單周期內(nèi)操作的多個硬件地址產(chǎn)生器。 （7） 可以并行執(zhí)行多個操作。 （8）支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)。 它的組成方框圖如圖 3。 7 圖 3 56F803 型 DSP 的內(nèi)部組成框圖 此系列 DSP 采用先進的修正哈弗結(jié)構(gòu)和 8 總線結(jié)構(gòu)，使處理器的性能大大 提高。其獨立的程序和數(shù)據(jù)總線，允 許同時訪問程序存 儲器和數(shù)據(jù)存儲器， 實現(xiàn) 高度并行操作。片內(nèi)存儲器以及外圍電路的主要性能如下： （1）存儲空間 多總線結(jié)構(gòu)。片內(nèi)有 3 條 16 位數(shù)據(jù)總線（CB 、DB 和 EB）、1 條 16 位 的程序總線（PB），以及 4 條對應的地址總線。地址線 20 根，可尋址程 序空間 1M 字，數(shù)據(jù)和 I/O 空間空間各 64K。片內(nèi) ROM 容量為 4Kx16 位。片內(nèi)雙尋址 RAM 容量 為 16x16 位。 （2）在片內(nèi)外圍電路 軟件可編程等待狀態(tài)發(fā)生器和可編程分區(qū)與邏輯電路。帶有內(nèi)部振蕩 器或用外部始終源的片內(nèi)鎖相環(huán)時鐘發(fā)生器。2 個高速、全雙工多通道 緩沖口。增強型 8 位并行主機接口。2 個 16 位定時器。 6 通道 DMA 控 制器。具有符合 IEEE1149.1 標準的在片仿真接口 JTAG。 （3）電源、時鐘與封裝 單周期定點指令的執(zhí)行周期為 10ms。I/O 電源電壓為 3.3V，內(nèi)核 1.8V?？捎?IDKE1、IDLE2 和 IDLE3 指令控制芯片功耗以工作在省電 方式。時鐘輸出信號可以被關斷。144 腳的薄型四角引腳扁平封裝或 144 腳的球柵陣列封住。 4.2.2 高頻逆變單元 高頻逆變單元包括高頻逆變和網(wǎng)絡匹配兩個環(huán)節(jié)。經(jīng)過二極管不可控整流 電路得到直流電壓，然后經(jīng)過 由 MOSFET 組成的高 頻逆變電路得到滿足換能器 要求的高頻電壓。功率場效 應管是一種單極型的電壓控制器件，不但有自關斷能 MAC ALU 17x17 位乘法器 40 位 ALU 40 位加法器 比較、選擇和存儲 舍入、飽和電路 指數(shù)編碼器 移位寄存器 累加器 40 位桶形移位寄存器 40 位累加器 A （-16,31） 40 位累加器 A 尋址單元 8 個輔助寄存器 2 個尋址單元 電源管理單元 緩沖串行口 多通道緩沖串行 口 定時器 鎖相環(huán)時鐘發(fā)生 器 主機接口 軟件等待狀態(tài)發(fā) 生器 通用 I/O JTAG 測試仿真 控制 外 圍 總 線 DMA Ch0 Ch1 Ch2 Ch3 Ch4 Ch5 程序/數(shù)據(jù)總線 程序/數(shù)據(jù) ROM 程序/數(shù)據(jù) RAM A（15~0 ） B（15~0 ） 8 力,而且有驅(qū)動功率小,開關速度高、無二次擊穿、安全工作區(qū)寬等特點。由于其易 于驅(qū)動和開關頻率可高達 500kHz，特別適于高頻化電力電子裝置。 為減少高頻工作條件下 MOSFET 的開關損耗，高 頻逆變電路采用帶輔助網(wǎng) 絡的全橋結(jié)構(gòu)。此電路結(jié)構(gòu)解決了傳統(tǒng)零電壓開關(ZVS)PWM 電路變壓器漏感 小且滯后橋臂難于實現(xiàn) ZVS 問題。同 時，根據(jù)電流增強原理，此電路結(jié)構(gòu)可在任 意負載和輸入電壓范圍內(nèi)實現(xiàn)零電壓開關，大大減少了占空比丟失，以及為使發(fā) 生器輸出最高效率進行調(diào)諧匹配。在射頻電路傳輸系統(tǒng)中，設計阻抗匹配網(wǎng)絡是 一項重要環(huán)節(jié)。如果能設計 一個很符合實際需要的阻抗匹配網(wǎng)絡，使傳輸系統(tǒng)獲 得阻抗匹配，不但能得到最大有效輸出功率， 還具有 濾波和選擇頻帶的性能。超 聲波電源與換能器匹配的好壞將決定整個電路的控制效果。因此，應該對匹配網(wǎng) 絡每個參量(高 頻變壓器匝比 K，輸出匹配電感 Lf)進行嚴格的計算。其實高頻中 的阻抗匹配并不是很容易達到，這里主要講一下輸出匹配網(wǎng)絡的任務： （1） 使負載阻抗與放大器所需要的最佳阻抗相匹配，以保 證放大器傳輸 到負載的功率最大。它起著匹配網(wǎng)絡的作用。 （2） 抑制工作頻率范圍以外的不需要頻率，即應該有良好的濾波作用。 （3） 在有幾個電子器件同時輸出功率的情況下，保證它們都能有效地傳送 功率到負載，但同時又應該 盡可能地使這幾個電子器件彼此隔離，互相不影響。 匹配主要指為使發(fā)生器輸出額定電功率，進行阻抗變換匹配。圖中 Q1、Q2、Q3、Q4 是 MOSFET，型號 IRLML2402 N，進行高頻逆變；L1 、L2、Lf 實 現(xiàn)網(wǎng)絡匹配功能。MOSFET 基極接驅(qū)動，換能器功率 為 80W。高頻逆變單元電路 圖如圖 4 所示。 圖 4 高頻逆變單元示電路圖 4.2.3 IGBT 驅(qū)動模塊 作為功率開關器件，IGBT 的工作狀態(tài)直接關系到整機的性能，所以選擇或 設計合理的驅(qū)動電路顯得尤為重要。采用一個性能良好的驅(qū)動電路，可使 IGBT Q1 Q2 Q8 Q7D5 D12D10 D11 D6 D9 C4 C5C3 C8C6 C7 R1 L2 L1 A L3 3 4 VTIG1 VTIG2 VTIG3 VTIG4 9 工作在比較理想的開關狀態(tài)，縮短開關時間，減小開關損耗， 對提高整個裝置的 運行效率，可靠性和安全性都有重要的意義。 驅(qū)動電路必須具備兩個功能：一是實現(xiàn)控制電路與被驅(qū)動 IGBT 柵極的電隔 離;二是提供合適的柵極驅(qū)動脈沖。對驅(qū)動電路的要求，可歸納如下： （1） IGBT 和 MOSFET 都是電壓驅(qū)動，都具有一個 2.5～5V 值電壓，有一個 容性輸入阻抗，因此 IGBT 對柵極電荷非常敏感，故驅(qū)動電路必須很可靠，要保 證有一條低阻抗值的放電回路，即驅(qū)動電路與 IGBT 的連線要盡量短。 （2） 用內(nèi)阻小的驅(qū)動源對柵極電容充放電，以保證柵極控制電壓 Uge,有足 夠陡的前后沿，使 IGBT 的開關損耗盡量小。另外， IGBT 開通后， 柵極驅(qū)動源應 能提供足夠的功率，使 IGBT 不退出飽和而損壞。 （3） 驅(qū)動電路要能傳遞幾十 kHz 的脈沖信號。 （4） 在大電感負載下，IGBT 的開關時間不能太短，以限制出 di/dt 形成的尖 峰電壓，確保 IGBT 的安全。 （5） IGBT 的 柵極驅(qū)動電 路應盡可能簡單實用，最好自身帶有對 IGBT 的保 護功能，有較強的抗干擾能力。 本文驅(qū)動電路采用 IR2110 型驅(qū)動模塊。美國 IR 公司生產(chǎn)的 IR2110 驅(qū)動器 。它兼有光耦隔離（體積?。┖?電磁隔離（速度快）的優(yōu)點，是中小功率變換裝置中 驅(qū)動器件的首選品種。R2110 采用 HVIC 和閂鎖抗干擾 CMOS 制造工藝，DIP14 腳封裝。具有獨立的低端和高端輸入通道；懸浮電源采用自舉電路，其高端工作 電壓可達 500V，dv/dt=±50V/ns，15V 下靜態(tài)功耗僅 116mW；輸出的電源端（腳 3, 即功率器件的柵極驅(qū)動電壓）電壓范圍 10～20V；邏輯電 源電壓范圍（腳 9）5～15 V，可方便地與 TTL，CMOS 電平相匹配，而且邏輯電源地和功率地之間允許有 ±5V 的偏移量；工作頻率高，可達 500kHz；開通、關斷延遲小，分別為 120ns 和 9 4ns；圖騰 柱輸出峰值電流為 2A。它的內(nèi)部功能原理圖，如圖 5。 圖 5 IR2110 的內(nèi)部功能原理圖 10 IR2110 是基于自舉驅(qū)動原理的功率 MOSFET 驅(qū)動電路。R2110 還具有比較 完善的保護功能( 如欠壓檢測、抗干擾、外部保 護閉鎖 等)。一個 IR2110 可以同時 驅(qū)動單橋臂的上下二個 MOSFET,因此,使用少量分立元件和一路控制電源就可 以實現(xiàn)一個橋臂 MOSFET 的驅(qū)動控制， 這樣大大減小了驅(qū)動電路的體積和成本。 VTG 接口接高頻逆變單元 MOSFET 的基極，驅(qū)動芯片 IR2110 用于驅(qū)動電路如 圖 6 所示。 圖 6 驅(qū)動單元電路 4.3 頻率跟蹤控制單元 超聲波電源系統(tǒng)采用頻率跟蹤和功率調(diào)節(jié)相結(jié)合的控制策略，從而使發(fā)生 器在輸出最大功率時可達到最高效率。此種控制策略主要通過控制 PWM 的周期 (也就是控制開關頻率) 和 PWM 控制波形的移相角來 實現(xiàn)。 系統(tǒng)的控制策略的實現(xiàn)。采用鎖相法實現(xiàn)頻率跟蹤控制。使用 KT20A/P 型 電流傳感器和 KV20A／P 型電壓傳感器分別檢測換能器二端的電壓和電流，經(jīng) 過滯環(huán)控制得到電壓和電流的方波信號。 KV20A/P 型磁平衡式電壓傳感器,利用霍爾效應，采用磁補償原理,原邊電路 與付邊電路絕緣，在測量電壓時被測電壓通過電阻 R 與傳感器連接，輸出電流與 被測電壓成正比,也可以測直流,交流,脈動電壓。KT20A/P 型電流傳感器同 KV 20A/P 型電壓傳 感器結(jié)構(gòu)原理 類似，其可測直流、交流、脈動電流頻率范圍 0～100KHz，輸出電流正比于被測電流。 該滯環(huán)的回差為 Lv。然后，對二路方波信號經(jīng)過異或門和 D 觸發(fā)器得到相 位差波形和相位差符號。相位差波形送入 DSP 的捕獲口,計算出相位差大小 T， 相位差符號送入 GPIOA7 口．獲得符號標志量 flag。當 T≠O，flag=0 時，表示電壓 超前電流。此時，應該減小開關管的頻率 f；當 T≠O，flag=l 時，表示電壓滯后電 流，此時 ，應該 增加開關管的頻率 f,然后把頻率量轉(zhuǎn) 化成時間量附給 DSP 模值寄 存器,從而改變輸出 PWM 信號的周期。檢測接口接電流傳感器 KT20A/P 和電壓 傳感器 KV20A／P 的輸出，滯 環(huán)采樣電路如圖 7。 18 29 310 411 512 613 714 IR2110 LO US RO UDD SD USS COM UB HIN LIN UCC GND VCC D13 C9 R250K R310K VTIG GND C10 VCC R450K R550K VTIGD8 11 圖 7 滯環(huán)采樣電路電路 4.4 模擬鍵控制模塊 電路如圖 8 所示。 圖 8 模擬鍵控制電路 為了使模擬鍵控制符合人的日常習慣，考慮到成本，采用獨立開關模擬超聲 波電源的啟動、停止、增頻的控制。當按下按 鈕時， 該端口被 DSP 控制中心認定 為高電平， 調(diào)用相應的控制程序執(zhí)行相應的功能。 4.5 保護電路 當 IGBT 驅(qū)動模塊檢測到欠壓、過壓、短路信號后，IR2110 模塊 11 腳 LIN 迅速響應，送給主控器 56F803 型 DSP 的 D8 端， 這 個 I/O 口此刻被認為低電平， 內(nèi)部程序執(zhí)行 JDQI 為低電平，KM1 線圈通電， 繼電器動作，關斷 IGBT 驅(qū)動模 塊電源，停止 PWM 輸出，同時故障指示 D16 燈亮，如圖 9 所示。 R131K R141K R151K VCC R121K D1 D2 D3 D4 VCC R1650K D17 D16 1 1 2 2A KIM1 1 1 2 2 3 3 B KIA Q58550 DIN AYU AN JDQ1 VCC R1110K R610K R7 4.7K R8 40K R910K R10 40K D14 D15 3.3V 12V D10 8 4 U4 LM393 12 圖 9 欠壓、 過壓、短路保 護電 路 在大功率直流開關電源中應該設過熱保護電路。本文采用溫度繼電器來檢 測電源裝置內(nèi)部的溫度，當 電源裝置內(nèi)部產(chǎn)生過熱時，溫度繼電器就動作，使整 機告警電路處于告警狀態(tài)， 實現(xiàn)對電源的過熱保護。如圖 10 在保護電路中將 P 型控制感熱晶閘管放置在功率開關三極管附近，根據(jù) TT102 的特性(由 Rr 值確 定該器件的導通溫度，Rr 越大， 導通溫度越低)，當功率管的管殼溫度或者裝置內(nèi) 部的溫度超過允許值時，感 熱晶閘管就導通，使 發(fā)光二極管發(fā)亮告警。配合光 電 耦合器，就可使整機告警電 路動作，通 過 DSP 的 D12 動作 JDQ1 為高電平保護開 關電源。 過熱保護電路圖如 圖 10 所示。 圖 10 過熱保護電路 4.6 顯示電路 MCl4489 是美國 MOTOROLA 公司生產(chǎn)的串行接口 LED 顯示驅(qū)動管理芯 片。其輸 入端與系統(tǒng)主 CPU 之間只有 3 條 I/0 口線相聯(lián)，用來接收待顯示的串行 數(shù)據(jù)。輸 出端既可以直接驅(qū)動 七段 LED 顯示器，也可以驅(qū)動指示燈。 MCl4489 內(nèi)部集成了數(shù)據(jù)接收、譯碼 、掃描輸出、驅(qū)動顯示所需的全部 電路，僅需要外接 一具電流設定電阻就可以對 LED 的顯示高亮度進 行控制。每個 MC14489 芯片 它的引腳圖如圖 11 所示。 R201K Q8 TT102 Rr 40KC17 VCC U5 R271k D12 13 圖 11 MC14489 引腳圖 可以用以下任意一種顯示方式進行顯示：5 位 LED 數(shù)字加小數(shù)點顯示； 4 位 半數(shù)字加小數(shù)點帶符號顯示；25 支指示燈顯示；5 位半數(shù)字顯示。該芯片內(nèi)含的 譯碼器電路可輸出七段格式的數(shù)字 0～9，16 進制的字母 A～F 以及 15 個字母和 符號。顯 示電路如圖 12 所示。 圖 12 顯示電路 由圖可知，用 MC14489 構(gòu)成顯示電路既不用加任何限流電阻，也不用附加 反相或驅(qū)動電路，電路設計 非常簡捷。 MC14489 芯片采用特殊的設計技術(shù)，使 其電源引腳在大電流工作的情況下仍具有最低的尖峰和較小的 EMI（電磁交互干 擾）。本 設計顯示輸出頻率。 4.7 PWM 產(chǎn)生單元 前面已經(jīng)說明本設計采用占空比為 50％的 PWM 信號移相控制 ，PWM 控制 的核心是控制波形的周期。 在每個 PWM 周期中把開關管的控制波形分為 4 段．每段波形中 DSP 模值 寄存器 PWMCM 的值等于 計數(shù)器 PWMVAL 的值。變量 Count 代表輸出的是第 幾段波形,當 Count=l 或 Count=3 時．把波形 I 或Ⅲ的模值 MODUL01(I 和Ⅲ的模 值相同) 賦給模 值寄存器。當 Count=l 時,PWM 模塊的 0 通道和 3 通道分別輸出 高電平和低電平。當 Count=3 時．PWM 模塊的 0 通道和 2 通道分別輸出低電平 和高電平；當 Count=2 或 Count=4 時．把波形 Ⅱ或 IV 的模值 MODULO 2(Ⅱ和 IV 的模 值相同 )賦給模值寄存器．當 Count=2 時， PWM 模塊的 O 通道和 3 通道都 輸出高電平。當 Count=4 時． PWM 模塊的 0 通道和 2 通道都輸出低電平。然后， 按照上述方式循環(huán)輸出波形。 PWM 重載中斷框圖如圖 13。 VccVss D13D14 D15 56F803 VccVss DATAINCLOCK ENABLE bank1bank2 bank3bank4 bank5 hg fe dc ba MC14489 a bf cgde DPY12 34 56 7 ab cd ef g8 dp dp 1 a bf cgde DPY12 34 56 7 ab cd ef g8 dp dp 2 a bf cgde DPY12 34 56 7 ab cd ef g8 dp dp 3 a bf cgde DPY12 34 56 7 ab cd ef g8 dp dp 4 a bf cgde DPY12 34 56 7 ab cd ef g8 dp dp 5 R171K 14 圖 13 PWM 重載中斷圖 5 軟件設計與分析 軟件是整個控制系統(tǒng)的靈魂，其設計結(jié)構(gòu)的合理性與片內(nèi)資源的優(yōu)化分配 恰當，會給程序的運行帶來 較高的執(zhí)行效率，其功能完善則可以節(jié)約硬件電路成 本，根據(jù)本系統(tǒng)的控制要求，各功能子程序 則要相互 聯(lián)系而又獨立的完成相應功 能。 5.1 主程序流程圖 主程序流程圖如圖 14 所示。 初始化設置 T=0 ？ 步長=100 flag=0 A/D 采樣 PI 調(diào)節(jié) 計算 MODUL01 MODUL02 PWM 重載中斷 ff-=m ff+=m 10

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