超聲電源的研制

1、超聲電源的研制本文采用移相脈寬控制(PSPWM)方式通過改變?nèi)珮蚰孀兤鳂虮勖}沖的移相角來調(diào)節(jié)輸出功率,逆變器承擔(dān)著逆變和調(diào)功兩種功能,并采用軟開關(guān)技術(shù),使功率開關(guān)器件工作在零電壓開通和關(guān)斷狀態(tài),開關(guān)損耗小,可以實(shí)現(xiàn)輸出功率的調(diào)節(jié)。硬開關(guān)PWM可以應(yīng)用于超聲電源,但其開關(guān)損耗大、效率低、EMI大,高頻時(shí)不能實(shí)現(xiàn)調(diào)功;對(duì)PFM方式而言,因負(fù)載系統(tǒng)為超聲換能器,其諧振頻率范圍較窄,不能用來實(shí)現(xiàn)調(diào)功; PDM、PSM屬于有級(jí)調(diào)功,輸出的正弦波幅值不是恒定的,不利于負(fù)載換能器的穩(wěn)定工作,因此PDM、PSM方式不能用來實(shí)現(xiàn)調(diào)功。超聲電源主電路采用全橋逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如圖2所示,Z1Z4為主開關(guān)管IGBT,D

2、1D4為Z1Z4內(nèi)部反并聯(lián)寄生二極管,C1C4為外接并聯(lián)的電容或者功率管的寄生電容,T為高頻脈沖變壓器,L0為串聯(lián)調(diào)諧匹配電感, PZT為超聲換能器。選取的超聲換能器型號(hào)是中國(guó)科學(xué)院上海聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室的DH-6160F-15S-3,其諧振頻率為25kHz,諧振阻抗為15,靜態(tài)電容為27000pF,通過計(jì)算,匹配電感為0. 75mH。電路輸入直流電壓E=120V,根據(jù)PSPWM控制策略,實(shí)際應(yīng)用中可以采用移相控制專用芯片UC3875組成控制系統(tǒng),它能產(chǎn)生4路PWM波形控制全橋逆變器的4個(gè)功率開關(guān)管。芯片設(shè)有死區(qū)時(shí)間保證同一橋臂上下兩管不能直通,同時(shí)相移角可調(diào),實(shí)現(xiàn)輸出功率調(diào)節(jié)。推薦精選（2）采用 D

3、SP 控制DSP（Digital Signal Processing,數(shù)字信號(hào)處理）是近年來迅速崛起的新一代可編程處理器當(dāng)前在超聲換能器的應(yīng)用中，主要選用壓電陶瓷換能器。傳統(tǒng)的超聲波換能器大多采用壓控振蕩和鎖相環(huán)來實(shí)現(xiàn)超聲波發(fā)生，此類設(shè)備只能進(jìn)行窄頻域調(diào)節(jié)，精度低，更不能實(shí)時(shí)控制。波形發(fā)生模塊采用 DDS 芯片，通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)，可實(shí)時(shí)發(fā)生精度為 1Hz 的 50MHz 以下任意頻率。要想驅(qū)動(dòng)換能器正常工作，DDS輸出的超聲波必須經(jīng)過功放模塊放大之后才能驅(qū)動(dòng)換能器正常工作，所以功放模塊必不可少。反饋模塊的設(shè)計(jì)采用相位監(jiān)測(cè)和有效值監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)分析換能器工作狀態(tài)調(diào)整頻率和功率，使換能器處于最佳工作狀態(tài)

4、。本設(shè)計(jì)的微處理器選用采用了ARM920t內(nèi)核的微處理器S3C2440A三星公司推出的 16/32 位 RISC 微處理器 S3C2440A, 為手持設(shè)備和一般類型應(yīng)用提供了低價(jià)格、低功耗、高性能小型微控制器的解決方案。當(dāng)主頻 400MHz 時(shí)工作電壓為 1.3V。這些特性不僅是現(xiàn)階段開發(fā)數(shù)字超聲波發(fā)生器的基礎(chǔ)，而且選用 S3C2440 處理器，基于這款芯片的系統(tǒng)特點(diǎn)：內(nèi)部集成 LCD 控制器(STN&TFT)、路異步串行通信接口、內(nèi)置看門狗定時(shí)電路及實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC) 、對(duì)嵌入式 Linux 良好的支持等，將為以后進(jìn)一步開發(fā)手持功能，發(fā)展成便攜式智能超聲波發(fā)生儀奠定基礎(chǔ)。3.1 電源

5、模塊設(shè)計(jì)供電電源采用 AC-DC 模塊開關(guān)電源 AJC-15D,該電源可以直接安裝到 PCB板并且效率高、噪聲低，理論上可以提供 ±15V的直流電壓，實(shí)測(cè)最大能提供±1 4.8V的直流電壓，最大輸出電流 1.3A。1.2.1 超聲清洗的原理超聲波主要具有機(jī)械效應(yīng)（如傳聲媒質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)位移、速度、加速度、聲壓等力學(xué)量）、熱效應(yīng)（聲波在傳播過程中其部分能量被媒質(zhì)吸收變成熱能）和空化效應(yīng)。其中空化效應(yīng)是聲化學(xué)應(yīng)用的理論基礎(chǔ)，也最為重要。超聲清洗，是指在清洗工件的液體中加上超聲波，使液體產(chǎn)生空化效應(yīng)以用來清洗工件的一種技術(shù)?？栈?yīng)由成核、微氣泡增長(zhǎng)、空腔塌陷三步組成。在反應(yīng)體系中，液

6、體中存在張力弱區(qū)，即液體內(nèi)溶有氣體或在塵埃的液固界面上存在氣體。超聲波在清洗液中疏密相間地向前輻射，使液體流動(dòng)而產(chǎn)生數(shù)以萬(wàn)計(jì)的微氣泡（空化核），這些微氣泡被周圍的液體蒸汽或氣體充滿。微氣泡在聲場(chǎng)的作用下振動(dòng)，當(dāng)聲壓達(dá)到一定值時(shí)，微氣泡在受到負(fù)壓時(shí)迅速增長(zhǎng)產(chǎn)生氣泡，氣泡在受到正壓時(shí)由于內(nèi)外壓力懸殊使空腔塌陷、破裂，即氣泡被壓碎，從而把集中的聲場(chǎng)能量在極短的時(shí)間和極小的空間內(nèi)釋放出來，使液體介質(zhì)局部形成幾百到幾千 K的高溫，并在周圍產(chǎn)生高達(dá)數(shù)百至數(shù)千個(gè)大氣壓的高壓環(huán)境，同時(shí)產(chǎn)生很大的沖擊力，雖然位移、速度都非常小，但加速度卻非常大，起到激烈攪拌的作用，推薦精選這就是空化效應(yīng)?？栈?yīng)非常容易在固體

7、與液體的交界處產(chǎn)生，從而破壞了不溶性污物而使它們分散于清洗液中，當(dāng)固體粒子被油污裹著而粘附在清洗件表面時(shí)，油被乳化，固體粒子即脫離，從而達(dá)到清洗件表面凈化的目的。而在激烈攪拌的同時(shí)還生成大量微氣泡，它們又作為新的空化核，使上述過程不斷地在進(jìn)行。由于空化核數(shù)量極多且無處不在，因此對(duì)浸入液體中的工件的清洗可以非常徹底，具有超乎尋常的清洗作用。由于超聲波具有很強(qiáng)的穿透固體的作用，即使是形狀復(fù)雜的工件內(nèi)部，只要能夠接觸到溶液，就可以得到徹底的清洗，因此，對(duì)浸入液體中的工件的內(nèi)外表面如管件等均可以清洗得十分徹底。這是超聲波優(yōu)于其它清洗手段的重要原因。又因?yàn)槊總€(gè)氣泡的體積非常微小，因此，雖然它們的破裂能量

8、很高，但對(duì)于工件和液體來說，不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械破壞和明顯的溫升。當(dāng)然并不是液體中所有的空化核都能產(chǎn)生空化效應(yīng)。只有當(dāng)外加的超聲波頻率與空化核的固有頻率相同時(shí)，空化效應(yīng)才能發(fā)生。同時(shí)也受到其它一些因素的影響，如聲波的強(qiáng)度、液體介質(zhì)的溫度以及介質(zhì)的蒸汽壓等等。因此，歸納起來，影響清洗效果的因素主要有如下幾個(gè)：1、與頻率有關(guān)：誘導(dǎo)產(chǎn)生空化效應(yīng)的超聲波頻率以 20kHz80kHz 最為適當(dāng)。過高的頻率不易產(chǎn)生空化效應(yīng)，即使產(chǎn)生也需要大量的能量，而且其中大部分能量被轉(zhuǎn)化為熱能，使介質(zhì)溫度明顯提高，且頻率越高，空化效果越差，但噪音相對(duì)較低，適用于微孔、盲孔較多的物體及電子晶體等；一般頻率越低空化效果越明顯，但噪

9、音相對(duì)較高，適用于表面相對(duì)平正的物體。2、與聲強(qiáng)有關(guān)：根據(jù)頻率不同，聲強(qiáng)一般選在 12W/cm2 左右。低強(qiáng)度超聲波的應(yīng)用不會(huì)引起介質(zhì)的任何狀態(tài)變化，只有高強(qiáng)度超聲波的應(yīng)用才可能對(duì)介質(zhì)有強(qiáng)烈的影響，引發(fā)空化效應(yīng)。3、與溫度有關(guān)：一般 3050的介質(zhì)溫度清洗效果最好。4、與清洗液有關(guān)：一般來說，清洗液的粘度越低，含氣量越高，清洗效果越好。5、與清洗液的深度及被清洗物體的位置有關(guān)。數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）是近年來迅速崛起的新一代可編程處理器，與單片機(jī)相比，DSP 具有工作頻率更高的 CPU，更大的存儲(chǔ)器容量。在超聲波電源中，DSP 可以完成除功率變換以外的所有功能，如 PWM 信號(hào)的輸出、電路參數(shù)

10、的顯示、系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控及保護(hù)等等。TMS320LF2407是TI公司推出的一種用于自動(dòng)控制的DSP芯片。它內(nèi)部集成了許多外圍設(shè)備，功能十分強(qiáng)大。基于 DSP 的大功率超聲電源具有以下特點(diǎn):(1)采用高性能DSP 芯片 TMS320F2812 作為控制核心器件,利用其強(qiáng)大、快速的數(shù)據(jù)處理能力,豐富的事件管理器資源, 實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電源的輸出頻率和功率,使電源能夠穩(wěn)定高效的工作。(2)采用集成化的 DDS 芯片 AD9833 作為頻率信號(hào)發(fā)生器,提高了超聲換能器諧振頻率跟蹤的精度, 可達(dá)到 1Hz。(3)采用 PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的振幅控制, 能夠使其振幅輸出穩(wěn)定并易于調(diào)整。(4)功率開關(guān)器件選用絕緣柵雙

11、極晶體管 IGBT,能夠?qū)崿F(xiàn)大功率輸出。大部分 DSP 芯片內(nèi)還集成有采樣/保持和 A/D 轉(zhuǎn)換電路，并提供 PWM 信號(hào)輸出。與單片機(jī)相比，DSP 的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度高，實(shí)時(shí)性好、指令周期短（大部分指令為單周期指令）、PWM 分辨率高，采樣周期短。因此，適合于高精度，高頻率的控制場(chǎng)合。推薦精選FPGA 作為專用集成電路（application-specific integrated circuit，ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路，既克服了定制電路硬件電路不可更改的不足，同時(shí)又克服了原有可編程器件（PAL、GAL、EPLD 等）門電路數(shù)量有限的缺點(diǎn)。由于它內(nèi)部電路的邏輯功能

12、可以通過硬件描述語(yǔ)言自行設(shè)置，且集成度非常高，因此，一塊 FPGA 芯片往往可以替代多塊集成邏輯芯片5，在純數(shù)字領(lǐng)域具有非常大的發(fā)展前途，但是在電源系統(tǒng)中，由于需要實(shí)時(shí)采樣電源的工作電壓電流，AD 轉(zhuǎn)換是必須的，而 FPGA 很難在其內(nèi)部生成高精度 AD 電路，除此之外，用 FPGA 實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的電源電路控制算法也比較困難。為了降低芯片功耗，TMS320F2812 芯片采用低電壓供電，并采用內(nèi)核電壓和 I/O 口電壓相互分開的供電方式。本次設(shè)計(jì)的輔助電源可提供+5V 的直流電源，因此，可使用一片低壓降的電壓調(diào)節(jié)器 TPS767D318 作為 5V/3.3V 和 5V/1.8V 的轉(zhuǎn)換芯片，從而為

13、DSP 芯片提供 3.3V 的 I/O 口電壓和 1.8V 的內(nèi)核電壓，DSP 能完成超聲信號(hào)源中除了功率變換外的其他所有功能，如控制電路，保護(hù)電路，信號(hào)監(jiān)測(cè)電路等。雖然 DSP 有很多優(yōu)點(diǎn)，但是應(yīng)用在超聲信號(hào)源中還是存在一些不足之處的。如采樣頻率、PWM 信號(hào)的精度等問題。FPGA 基本可以實(shí)現(xiàn)目前所有的數(shù)字器件，大到 CPU，小到簡(jiǎn)單的 74 電路。用 FPGA 開發(fā)數(shù)字電路，可以大大的縮短設(shè)計(jì)周期，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí) FPGA 還具有速度快和靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。推薦精選Cyclone/Cyclone II 系列器件是 Altera 公司的一款低成本、高性價(jià)比的 FPGA， 本文利用高速T

14、MS320LF2407A型DSP控制芯片設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的控制電路,聲化學(xué)常用的聲波的頻率為15kHz10MHz。超聲波清洗一般采用的頻率范圍是2040kHz。(2)設(shè)計(jì)了以DDS技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)為核心的超聲電源，其信號(hào)發(fā)生器能產(chǎn)生寬頻帶(09MH z)、穩(wěn)定的電信號(hào)。選用基于LPC2104的嵌入式系統(tǒng)為控制單元。AD9833輸出的信號(hào)很小，電壓值一般為38650mV。因此需經(jīng)功率放大器進(jìn)行功率放大后才能驅(qū)動(dòng)換能器。頻率合成器采用了直接數(shù)字頻率合成技術(shù)，所選用的芯片為ADI公司的AD9833。頻率合成器在本超聲電源中負(fù)責(zé)輸出15Hkz9MHz的正弦波信號(hào)。五、模數(shù)轉(zhuǎn)換模擬的電壓信號(hào)不能被微處理器直接

15、讀取，需將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，所選用的芯片為MAX187。因此課題選擇了微處理器LPC2104。LPC2104是Philips公司生產(chǎn)的ARM7TDMI核的嵌入式微處理器，具有多種串行通信接口，多達(dá)9個(gè)外部中斷、CPU的操作頻率最大可達(dá)60MHz。它的各項(xiàng)性能指標(biāo)都勝于普通單片機(jī)，能夠滿足課題的需要。LPC2104往AD9833寫入頻率字以產(chǎn)生相應(yīng)頻率的正弦波信號(hào)。并可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互及與上位機(jī)進(jìn)行通信。推薦精選課題選用ADI公司生產(chǎn)的頻率合成器AD9833。AD9833是一款完整的、低功耗的、可編程的波形產(chǎn)生器，可產(chǎn)生正弦波、三角波及方波。其輸出頻率和相位可通過軟件編程方便調(diào)整，時(shí)鐘頻率為25MHz時(shí)，輸出頻率的精度可達(dá)0.1Hz。4.1.2 常用 DDS 芯片及選型AD 公司作為全世界高性能信號(hào)處理集成電路領(lǐng)先制造商，提供了眾多 DDS集成芯片，目前已經(jīng)成為主流DDS 芯片市場(chǎng)的最大制造商和供應(yīng)商。AD 公司的 DDS 產(chǎn)品主要分為三大系列：AD983X 系列、AD985X 系列和AD995X 系列。電路的控制芯片采用 T