基于单片机控制的超声波发生器驱动电源的研究.pdf

1、江南大学硕士学位论文基于单片机控制的超声波发生器驱动电源的研究姓名：张锋申请学位级别：硕士专业：控制工程指导教师：沈锦飞;宗宏森20090601摘要捅黑人的耳朵能感受到的振荡频率在2 0 2 0 0 0 0 H z 范围的声波，超过人耳能感受到的声波频率以上的声波叫超声波。超声波有许多应用，有超声波清洗、超声波钻孔、超声波振动等。超声波振动是近几十年兴起的新事物，随着人们对超声波研究的不断深入，应用也日益广泛。功率超声技术凭其独特的优点在国民经济各部门日益广泛应用。目前超声设备由采用大功率电子管或高频可控硅发展到全控型电子器件。随着新理论、新技术、新器件的不断出现和成熟，超声技术必将充分发挥其

2、优势，在各领域产生更大作用。本文涉及的功率超声系统主要由高频超声波电源和压电振子两部分组成。高频超声波电源为压电振子提供电能，压电振子将电能转为动能。超声波发生器的种类很多，大致可分为两种类型，机械型和电声型。机械型超声波发生器直接用机械方法使物体振动而产生超声波。常见的机械型超声波都是流体动力式的，即利用每秒几万次的频率断续从喷口喷出，撞击放在喷口前的空腔或簧片，引起共振在媒质中产生超声波。电声型超声波发生器是应用的最广泛的。它是利用电磁能量转换成机械波能量。本设计采用频率自动跟踪的方式来使超声波换能器处于谐振，满足超声波电源与超声波换能器工作在最佳状态，使得整机达到最佳工作效率。功率检测电

3、路调节脉冲电压的脉宽来改变超声波发生器的输出功率，以实现功率恒定。压控振荡器选用货源充足、价格低廉的T L 4 9 4，可满足本设计要求。D 类功率放大器就是开关功率放大器，选用高耐压的V M O S 管，组成半桥电路，V M O S 管的驱动采用变压器隔离倒相。由于超声波换能器的特性，超声波清洗机中的匹配电路包含两个：一个是功率匹配，一个是调谐匹配。前者是为了使超声波电源的输出内阻与负载阻抗相一致，采用变压器匹配方法。后者是使换能器呈现纯阻性，采用串联电感的方法。本文对系统的总体设计方案、硬件和软件设计、单元电路及主要单元电路实验进行了详细地介绍。文章最后应用P S P I C E 软件对整

4、个系统进行了仿真分析，对理论设计进行修正。结果表明系统设计可行，性能指标基本可以满足设计要求。关键词：压电振子；超声波发生器；功率检测；频率跟踪 D 5 U。a 0 LA b s t r a c tO s c i l l a t i o nf r e q u e n c yt h a tp e o p l ec a nf e e li sa tt h er a n g eo f2 0 2 0 0 0 0 H z，e x c e e d i n gp e o p l ea c o u s t i cf r e q u e n c yt h ea b o v e m e n t i o n e d

5、i Sc a l l e ds u p e r s o n i c S u p e r s o n i ch a sal o to fa p p l i c a t i o n，t h e r ea r ew a s h i n g，h o l i n g，u l t r a s o n i cv i b r a t i o no fs u p e r s o n i c，e t c U l t r a s o n i cv i b r a t i o ni San e wt h i n gh a v i n gd e v e l o p e di nn e a rd e c a d e s

6、W i t ht h ec o n s t a n td e v e l o p m e n tt h a tp e o p l es t u d ya b o u ts u p e r s o n i cw a v e，i ti se x t e n s i v ed a yb yd a yt oe m p l o y T h ep o w e ru l t r a s o n i ct e c h n o l o g yi si nw i d es p r e a da p p l i c a t i o no fe v e r yd e p a r t m e n to fn a t i

7、 o n a le c o n o m ya c c o r d i n gt oi t sa d v a n t a g e s W i t ht l l ea p p e a r sa n dr i p ec o n s t a n to fn e wt h e o r y,t e c h n o l o g y,d e v i c e，u l t r a s o n i ct e c h n o l o g yw i l lg i v ef u l lp l a yt oi t sa d v a n t a g e I nt h i sp a p e r，t h eu l t r a s

8、 o n i cw e l d i n gs y s t e mi sm a d eu po fh i g h-f r e q u e n c yu l t r a s o n i cp o w e ra n dp i e z o e l e c t r i co s c i l l a t o rm a i n l y T h e1 1 i g h-f r e q u e n c yu l t r a s o n i cp o w e ro f f e r st h ee l e c t r i ce n e r g yf o rp i e z o e l e c t r i co s c

9、i l l a t o r；t h ep i e z o e l e c t r i co s c i l l a t o rt r a n s f e r st h ee l e c t r i ce n e r g yt ot h ek i n e t i ce n e r g y,a n dw e l dt ow e l d i n gt h ep a r t ml(i n do ft h eu l t r a s o n i cg e n e r a t o ri Sn u m e r o u s，w h i c hC a nr o u g h l yb ed i v i d e di

10、 n t ot W Ot y p e s，t l l em a c h i n e r yt y p ea n de l e c t r i cs o u n dt y p e M a c h i n e r yt y p eu l t r a s o n i cg e n e r a t o re n a b l eo b je c ts h a k ea n ds u p e r s o n i cw a v ee m e r g e sw i t hm e c h a n i c a lm e t h o dd i r e c t l y C o m m o nm e c h a n i

11、 c a ls u p e r s o n i cw a v ef l u i dp o w e rt y p e，u t i l i z ep e rs e c o n df r e q u e n c yo fs e v e r a lt e nt h o u s a n di n t e r r n i t t e n tt os q u i r tf r o mt h es p o u t，s t r i k et h ec a v i t yo rr e e dp u ti nf r o n to ft h es p o u t，c a u s et h er e s o n a n

12、 c et Op r o d u c es u p e r s o n i cw a v ei nm e d i u m E l e c t r i cs o u n dt y p ew h o mu l t r a s o n i cg e n e r a t o re m p l o ym o s te x t e n s i v e I tu t i l i z e se l e c t r o m a g n e t i ce n e r g yt oc h a n g ei n t oam e c h a n i c a lw a v ee n e r g y T 1 1 i sd

13、e s i g na d o p t st h ef r e q u e n c yt r a c i n gt om a k et h ew h o l es y s t e mW b r ki nt h er e s o n a n c e，c a u s i n gt h a tt h ew h o l es e ta t t a i n so p t i n i u mw o r ke f f i e i e n e y B ym e a n so fr e g u l a t i n gt h ew i d t ho ff l u e t u a t i o nv o l t a g

14、 e，t h ep o w e ri n s p e c t i o nc i r c l eC a nc o n t r o lt h eo u t p u tp o w e r,S Ot h a tt h es y s t e mc a nm a k et h eo u t p u tp o w e rc h a n g e l e s s A sb e i n go p u l e n ta n dc h e a p，T L 4 9 4i sc h o o s ea sV C O H i g hV C E OV M O Si sc h o o s ei nt h eDg e n e r

15、i cP o w e ra m p l i f i e rc i r c l e T h ed r i v eo fV M O Sa d o p t sap a r a p h r a s et r a n s f o r m e r S i n c eu l t r a s o n i ct r a n s d u c e r s p r o p e r t y,t h em a t c h i n gc i r c u i te m b o d y st w op a r t s：O n ei sp o w e rm a t c h i n g，t h eo t h e ri sa t t

16、 u n em a t c h i n g T h ef o r m e ri sf o rt h es a k eo fm a k i n ge x p o r ti m p e d a n c eo fp o w e rm a t c ht h el o a d T I l i sA d o p t st h et r a n s f o r m e rm a t c h i n gm e a n s，T h el a t t e ri st Om a k et h et r a n s d u c e rp r e s e n to n l yt h eq u a l i t yo fr e s i s t a n c e T og e tt h i s，ai n d u c t o ri ns e r i e sm e a n si sA d o p t e d T m st h e s i si n t r o d u c e st h ed e s i g np r j e c t，d e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a