超声波电源的设计文档格式.docx

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[摘要]几十年来，超声加工技术的发展迅速，在型孔和型腔的加工、切割加工、超声波清洗、超声复合加工、超声波焊接领域均有较广泛的研究和应用，解决了许多关键性的工艺问题，取得了良好的效果。

本文首先介绍了国外在超声波电源方面的发展状况，然后详细分析了超声波设备的组成、关键技术以及设计难点，并以一种200w超声加工电路为方案设计、制作了超声波发生器，应用于超声加工。

通过对模拟与数字超声电源基本电路的介绍，了解超声波电源的频率跟踪、功率控制、稳速、过电压、过电流以及阻抗匹配等关键技术。

接着对所设计电路的各部位电路进行分析和设计。

在此基础上，详细介绍了整流电路、滤波电路、半桥逆变电路、超声波发生器与换能器的匹配设计以及用Protel软件设计PCB图，然后进行电路板的制作和试验。

最后对所设计的电路的特点进行归纳与总结。

[关键词]:

：

超声波发生器；

超声波换能器；

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