超聲波用開關(guān)電源的設(shè)計(jì)畢業(yè)論文.doc

0目錄1引言.12設(shè)計(jì)方案.22.1方案對(duì)比選擇.22.2控制方式的選擇.23系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖.34DSP外圍器件的設(shè)計(jì).44.1整流濾波電路.44.2主控制電路.54.2.156F803型DSP.54.2.2高頻逆變單元.74.2.3IGBT驅(qū)動(dòng)模塊.84.3頻率跟蹤控制單元.94.4模擬鍵控制模塊.104.5保護(hù)電路.114.6顯示電路.124.7PWM產(chǎn)生單元.125軟件設(shè)計(jì)與分析.145.1主程序流程圖.145.2模擬控制鍵子程序.155.3A/D轉(zhuǎn)換子程序.166結(jié)束語.16謝辭.18參考文獻(xiàn).19附圖整體電路圖.2011引言隨著科學(xué)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步超聲波在超聲焊接、超聲清洗、干燥、霧化、導(dǎo)航、測距、育種等領(lǐng)域的應(yīng)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(huì)降低超聲波電源效率，而且會(huì)影響輸出精度和強(qiáng)度。如何使超聲波電源根據(jù)實(shí)際負(fù)載實(shí)時(shí)，動(dòng)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(shí)際應(yīng)用價(jià)值。超聲波在工業(yè)清洗中的應(yīng)用是本文設(shè)計(jì)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(dòng)波，在傳播過程中，介質(zhì)的壓力作交替變化。在負(fù)壓區(qū)域，液體中產(chǎn)生撕裂的力，并形成真空的氣泡。當(dāng)聲壓達(dá)到一定值時(shí)，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(shí)，液體間相互碰撞產(chǎn)生強(qiáng)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(dá)幾千個(gè)大氣壓，這就是所謂的空化效應(yīng)。眾所周知，要取得不同大小的顆粒，是把破碎料放在球磨機(jī)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(shí)間使用后，篩孔會(huì)被堵塞（如金剛石篩），用其它方法刷洗會(huì)破壞篩子，且效果不理想，經(jīng)過眾多廠家的試驗(yàn)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(yīng)用，還有許多新的行業(yè)和領(lǐng)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(dòng)跟蹤、自動(dòng)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(diǎn)。隨著科技的不斷進(jìn)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(dá)到控制頻率和功率的目的。利用DSP的控制器有很多優(yōu)點(diǎn)，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(hù)功能的實(shí)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(shè)計(jì)過程。在本論文中詳細(xì)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(yīng)用；另外，本論文中對(duì)電路的一些保護(hù)功能如限流保護(hù)、過壓壓保護(hù)、短路保護(hù)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(shè)計(jì)了系統(tǒng)的軟件流程，包括主程序流程設(shè)計(jì)和PWM產(chǎn)生子程序流程設(shè)計(jì)。22設(shè)計(jì)方案2.1方案對(duì)比選擇方案（1）：以單片機(jī)為中心。采用單片機(jī)智能控制系統(tǒng)的大功率超聲波電源，可實(shí)現(xiàn)電源頻率和輸出電壓的人工設(shè)定。單片機(jī)模擬輸出的HPWM（混合脈寬調(diào)制信號(hào)）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(shí)運(yùn)用了HPWM控制方式與ZVS（零電壓開關(guān)）諧振軟開關(guān)技術(shù)，降低了開關(guān)管的損耗，抑制了高次諧波，減小了換能器的損耗。實(shí)驗(yàn)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(DigitalSignnalProcessing)即數(shù)字信號(hào)處理,隨著信號(hào)和微電子技術(shù)的進(jìn)一步得到了越來越廣泛的應(yīng)用。其運(yùn)算精度和動(dòng)態(tài)范圍都比單片機(jī)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(yīng)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(yùn)行速度，可以實(shí)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(biāo)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(jí)，具有欠壓保護(hù)和外部封鎖功能，能方便地實(shí)現(xiàn)過壓、過流保護(hù)，能輸出兩路波形一致、相位差為180的PWM信號(hào)。方案（2）：采用通用的AT89S51單片機(jī)作為控制器，單片機(jī)通過模擬的PWM，經(jīng)處理后通過功率放大器驅(qū)動(dòng)電機(jī)。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2KBSRAM，315KBFLASH，同時(shí)，其40MHz的CPU時(shí)鐘頻率比其他單片機(jī)具有更強(qiáng)的處理能力。6路PWM信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)高頻逆變電路開關(guān)管MOSFET的移相控制。12位AD轉(zhuǎn)換器采集可以實(shí)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(shí)器的捕獲功能可以精確計(jì)算相位差大小，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的頻率跟蹤控制。串行外設(shè)接口SPI與MCl4489配合使用可以實(shí)現(xiàn)對(duì)5位半數(shù)碼管的控制從而實(shí)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(shí)現(xiàn)在線調(diào)試經(jīng)過討論和老師的指導(dǎo)，我們采用了方案（3）作為我的設(shè)計(jì)。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(kuò)展一種功能就要增加相應(yīng)的硬件電路，使控制器成本增加很多；采用方案（2）能滿足設(shè)計(jì)基3本要求，而且價(jià)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(diǎn)，還彌補(bǔ)了它們存在的缺陷；而且處理速度快，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，符合工業(yè)清洗和除塵的嚴(yán)格要求。自動(dòng)控制復(fù)雜，換能器需要一定的邏輯輸出才能可靠運(yùn)行。而這類DSP都有豐富的片上資源，比較強(qiáng)大的處理能力，一般都不需要外擴(kuò)其他器件就可以構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)。片上系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于減小了布線的麻煩，提高了系統(tǒng)的整體性能。2.3PWM調(diào)制方式脈寬調(diào)制（PWM）控制方式就是對(duì)逆變電路開關(guān)器件的通斷進(jìn)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(gè)周期中產(chǎn)生多個(gè)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(duì)各脈沖的寬度進(jìn)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(gè)周期內(nèi)，每個(gè)功率開關(guān)器件導(dǎo)通120度電角度，每隔60度有兩個(gè)開關(guān)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(gè)60度區(qū)間，只有上橋臂或下橋臂開關(guān)進(jìn)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(guān)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(guān)參與斬波調(diào)制。方式(5)又稱為全橋調(diào)制方式，即在任意一個(gè)60度區(qū)間內(nèi)，上、下橋臂的功率開關(guān)同時(shí)進(jìn)行斬波調(diào)制。在全橋調(diào)制方式中，功率開關(guān)的動(dòng)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(guān)的動(dòng)態(tài)功耗，在PWM調(diào)制方式上應(yīng)選擇半橋調(diào)制方式。同時(shí)，在半橋調(diào)制方式中，雙管調(diào)制方式不增加功率開關(guān)的動(dòng)態(tài)損耗，并解決了由單管調(diào)制所造成的功率開關(guān)散熱不均，提高了系統(tǒng)的可靠性，但是