超声波发生器关键技术研究.pdf

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1、2009年功率超声论文集超声波发生器关键技术研究李正中周光平梁召峰陈鑫宏(深圳职业技术学院)摘要：本文分析了超声波发生器中功率自动控制、频率发生控制、频率自动跟踪及扫频控制等关键技术的实现原理与方案，分析J，各种方案在实际工程应用的优缺点，介绍了一种采用数字化控制的超声波发生器。超声发生器由整流、振荡、放大、匹配和保护等通用电路外，还包括频率自动跟踪、功率自动控制、扫频控制、振荡器的控制等电路。本文主要研究功率自动控制、频率发生器、扫频控制、频率自动跟踪等关键技术。1．功率自动控制技术目前超声波输出功率的调节方式主要有以下几种模式：可控硅输入电压调节、工作点频率偏移调节、有源功率

2、凶数校正(APFC)、间隙工作调节以及PWM脉宽调节等模式。1．1可控硅输入电压调节技术图1双向可控硅调压电路+图2双向可控硅驱动电路●■l‘．^，malns：：’：：‘：?r＼l一八{一r＼i—Jb!L／VV：：图3可控硅控制输出电雎波形哪由上图可以看出，控制导通角Q的大小就可以控制交流电乐平均值的大小。为了使整流后的直流电压能跟随a大小均匀变化，必须在整流后加上比较大的滤波电感及滤波电窖。可控硅功率调节模式对电网有较大的谐波干扰，同时由于采用大电感及大电弈滤波，增加了系统成本。如果只采用较小的电窖滤波，由于可控硅只能输入控制平均值的大小，其峰峰值仍然很大，超卢输出功率的峰值并

3、没有改变。1．2工作点频率偏移调节功率调节技术国家自然科学基金资助项目(10874123)2009年功率超声论文集采用发生器输出频率偏移换能器谐振频率的方法，一般采用高于换能器谐振频率来调节输出功率。采用该方法具有较好的线性功率调节。但由于发生器工作偏离换能器的rT作点，容易使功率驱动模块发热，引起功率管的损坏。1．3基于有源功率因数校正(AFPC)电路的功率调节技术图4有源功率闪数校正电路拓扑结构有源功率因数校正电路的控制主电路拓扑一般采用升压(boost)变换器，可以输出300～600V的比较稳定的直流电一≤，同时能有效地抑制谐波干扰及提高功率阑数。但其控制电路复杂，而且输出

4、直流电压较高，使得功率管的耐压提高，增加系统成本，降低了可靠性。1．4基于间隙工作方式的功率调节技术对输出以一定频率(1KHz以下)进行通断控制的方法来实现功率的调节，图6为输出电压的包络波形。控制输出导通关断的时间可以实现输出平均功率的的调节，但此种功率调节的方法只是改变平均功率的大小，峰值功率并没有改变。同时由于频繁的通断对功率管有较大的冲击，同时干扰及噪声较大。1．5PIBt方式的功率调节方法通过控制功率管导通脉宽的方法实现功率调节。采用该方法能实现输出功率的线性调节，具有干扰小，控制成本低的优点。但P硼脉宽调节电路复杂、输出匹配不好，容易引起驱动电路产生高压及误通断。l；

5、一；；颤I—I一◆图5间隙工作输出电压包络波形图492009年功率超声论文集图6PWM模式功率调节的输出变压器初级电压电流波形通过上面几种方案分析，如果能够设计解决驱动电路的过压及干扰导通问日，采用PWM脉宽调制的方式具有控制成本低，对电网干扰小，能实现功率的线性调节，是～种比较理想的功率调节模式。2．频率发生电路控制技术目前频率发生器生要有以下几种类型：开关电源控制芯片组成发生器电路、压控锁相环j笛片、采用DSP、DDS、高速单片机数字信号发生器、CPLD／FPGA与单片机配合等发生电路。2．1基于开关模式PWM控制器主要采用开关电源控制用集成电路，常用Ic有TL494、UC3

6、875、UC3879、SG3525等。图7为SG3525的原理图，电路中集成了振荡器．PwM控制．保护、反馈比较等功能，应用比较方便．它的主要缺点频率稳定性比较差，微处理器控制比较困难。2．2基于锁相环芯片的频率发生器锁相环(简称PLL)主要由相位比较器(Pc)、压控振荡器(VCO)、低通滤波器三部分组成，如图8所示。PLL电路是将输入波形与VCO振荡器波形的相位进行比较，使其输入频率与VCO振荡频率同步的电路。VCO输出经分频后的信号与输入波彤的相位进行比较时，图7电源控制芯片SG3525内部结构图2．2基于锁相环芯片的频率发生器锁相环(简称PLL)主要由相位比较器(Pc)、压

7、控振荡器(VCO)、低通滤波器三部分组成，如图8所示。PLL电路是将输入波形与VCO振荡器波形的相位进行比较，使其输入频率与VCO振荡频率同步的兰囔：昙兰2009年功率超声论文集电路。VCO输出经分频后的信号与输入波形的相位进行比较时，输入频率与分频后的频率为同～频率，即VCO的振荡频率与分频后的频率同步。其中，．_五xⅣ，改变分频比N，就可以改变厶。改变锁相环的分频系数N或者改变输入的低频信号的频率，从而达到改变锁相环输出频率的目的。2．3DDS直接频率发生器那图8锁相环电路原