智能大功率超声波清洗电源的研制

1 前言

鉴于超声波清洗效果好、效率高、成本低等优点，超声波清洗机被广泛应用于电子、机械、钟表、光学、医疗、化纤、电镀等行业[1]。在超声波清洗设备中，超声波电源是其重要组成部分之一。现有的超声波电源大多数采用专用集成控制芯片（如SG3525、TL494） 或单片机产生PWM 脉冲信号, 经功率放大、阻抗和调谐匹配后, 推动换能器将电信号转换为机械振动, 产生超声波。这两种电源都存在着各自的局限性，前一种控制方法动态响应慢，参数调整不方便且温度漂移严重[2]，而采用单片机直接产生PWM信号，虽然能够得到高精度和高稳定度的控制特性，实现灵活多样的控制功能，但是由于受其工作频率的限制，输出的PWM信号频率分辨率较低，难以满足频率的微调。针对以上超声波电源存在的诸多问题，本文基于PWM技术，应用单片机结合模拟集成电路组成智能控制系统，研制了一种性能稳定、控制调整简便且成本低的数字化超声波电源。

2 超声波电源的组成及原理框图

超声波电源主要由主电路和控制电路两部分组成，其结构示意图如图1所示。主电路采用交直交结构，单相交流电经过整流和滤波，形成直流电，经全桥逆变器实现直流电压转变为频率与换能器谐振频率一致的交变电压，逆变输出交变电流，再通过匹配网络，送至负载换能器。控制电路主要为逆变主电路提供开关脉冲信号，驱动逆变主电路工作，并借助反馈回路和给定电路来实现对逆变器的闭环控制。

图1 超声波电源结构示意图

3 超声波电源电路设计

3.1 PWM信号发生器

PWM信号发生器原理图如图2所示，它采用单片机与模拟电路相结合的方式产生PWM信号。首先通过Rt设定压控振荡器的输出频率，并将该输出送入单片机作为定时/计数器1（T/C1）的时钟源。将单片机的T/C1置于相位和频率可调PWM工作模式，此时，计数器的上限值决定PWM的频率，而比较匹配寄存器的值决定了占空比的大小。PWM频率的计算公式为：

PWM频率=压控振荡器输出频率/（1+计数器上限值） （1）

图中单片机选用AVR系列的ATmega128单片机。在T/C1的控制下，单片机由PB5和PB6可以输出两路互补的PWM波形，用来驱动全桥逆变电路。

图2 PWM信号发生电路

该信号发生器在扫频控制，保护信号的处理以及自动频率跟踪等方面具有很大的优势，采用模拟电路与单片机控制相结合的方法，提高了扫描信号的频率精度，同时实现了对扫频信号频率和幅度的数字化控制。在保护信号的处理方面，当外部电路出现异常时，可以用保护信号OV_I快速关断与门，停止PWM信号的输出，同时通过指示灯给出相应的报警信号。另外，单片机通过检测反馈回来的换能器两端电压信号和电流信号的相位差，可以实时调整PWM信号的输出频率，实现频率自动跟踪。

3.2 全桥功放电路及其驱动

单片机输出的PWM信号电流小，驱动能力弱。需经MOSFET栅极驱动芯片IR21844驱动后才能控制MOSFET模块。驱动电路如图3所示。单片机产生的PWM信号经高速光耦HCPL-2631隔离并由三极管放大后送入IR21844。

IR21844输出端HO和LO的波形分别与IN端输入波形逻辑相同和相反，幅值有一定的放大(10V～20V)，其输入/输出时序图如图4所示。SD端接高电平时，HO和LO正常输出，接低电平时，2个输出端被封锁。DT为死区时间调整端，通过调整图3中电阻R7和R9的阻值可以调节死区时间，防止全桥电路出现直通。

图4 IR21844的输入输出时序图

图5所示为系统的全桥功率放大电路。其工作原理如下：交流电经整流滤波变成平滑的直流电压V+。该电压加在MOSFET功率管Q3、Q4、Q5、Q6组成的逆变桥上。当PW1为高电平，PW2为低电平时，HO1和LO2为高电平，HO2和LO1为低电平（见图3），此时Q3、Q6导通，Q4、Q5截止，变压器T初级两端的电压U=V+，流经变压器初级线圈的电流方向由上至下；当PW1为低电平，PW2为高电平时，Q4、Q5导通，Q3、Q6截止，变压器T初级两端的电压U= -V+，变压器初级线圈的电流方向为由下至上。重复上述工作过程，就可以在输出变压器次级得到一个与主振信号同频且电压幅度较高的准方波信号。由于功放管工作在伏安特性曲线的饱和区或截止区，集电极功耗降到最低限度，从而提高了放大器的能量转换效率，使之可达90%以上[3] 。

图5 全桥功率放大及匹配电路

3.3 匹配电路

在功率超声设备中，超声波电源与换能器的匹配设计非常重要，在很大程度上决定了超声设备能否正常、高效地工作。超声波电源与换能器的匹配包括阻抗匹配和调谐匹配两个方面。匹配电路如图5虚线框中所示。

阻抗匹配是指变换负载的阻值，使之与超声波电源的最佳负载值相等，以确保负载获得最大的电功率，而调谐匹配的目的是使换能器尽量接近纯阻状态，减少无功分量。压电式超声换能器在其谐振频率附近工作时，由于静态电容的影响一般呈容性。如果直接将信号源接到换能器上，将会产生一部分无功分量，致使换能器有功功率相对减小[4]。因此需要在超声波电源的输出端通过匹配相反的感抗，使其负载为纯电阻。

目前，最常用的匹配电路就是如图5虚线框中所示的串联电感匹配法，通过合理选取电感的值，可以使换能器在超声波电源驱动下达到谐振。

4 超声波电源软件设计

软件设计主要是对单片机进行编程，实现频率的设置和调整、液晶显示和键盘输入等控制，同时监控各种反馈信号，调整占空比改变输出功率，完成扫频、定时、软启动功能等。程序流程图如图6所示。

5 实验结果

图6 软件流

采用设计的超声波电源进行实验，调整电感使调谐电路工作频率为66.53kHz，测得输出变压器初级电压电流波形如图7所示。从图中可见，电流波形基本上是正弦波，并且电流与电压相位保持一致，较好地实现了频率跟踪功能。电源在长时间大功率连续工作中稳定可靠，开关管和吸收电路、散热器均不发热。

图7 输出变压器初级电压电流波形

6 结束语

设计的超声波清洗电源，采用模拟电路与单片机控制相结合的方式产生PWM信号，克服了模拟电路的固有缺陷，实现了灵活多样的控制功能，同时又解决了单片机工作频率不够高的难题，提高了输出PWM的频率分辨率。该系统具有过流、过热、过压保护功能，可靠性高，并能够实时跟踪换能器谐振频率的变化，输出功率稳定。目前，该超声清洗电源已成功运用于深圳某公司，取得了良好的使用效果。■