【導讀】隨著現(xiàn)代科學技術飛速發(fā)展。各學科之間相互滲透，新興邊緣學科不斷出現(xiàn)，領域中扮演著十分重要的角色。我國近十年來，對超聲技術的應用研究十分活躍，超聲工程學按其研究內(nèi)容，可劃分為功率超聲和檢測超聲兩大領域。聲波電源的研究，是功率超聲技術的一個重要應用部分。體管數(shù)字開關放大器三個階段。短、效率低、電源成本高、體積大。由于OTL、OCL電路理論效率只有78％左右，實際效率更低、不易使用微處理器來處理。由于該電路呈現(xiàn)模擬線路特征，用數(shù)字化處理復。關型超聲波發(fā)生器成為可能。由于晶體管在截止和飽和導通時的功耗很小，開關型超聲波發(fā)。與微處理器等配合較容易，電子器件在工作時溫升較低，工作可?？浚由先珨?shù)字開關輸出，可用微處理器直接控制。目前，向著更高頻率，更低損耗。專用模擬集成控制芯片的出現(xiàn)大大簡化了電力電子電路的。在超聲波發(fā)生器中，單片機主要用作。況的中斷保護以及監(jiān)控功能。

　　

【正文】 圖 移相控制全橋電路的控制波形 30 5 調(diào)功控制系統(tǒng)設計 超聲波電源工作時，必須在有效工作時間內(nèi)使逆變器提供的有功功率保持恒定。因為當負載變化或電網(wǎng)電壓變化時，超聲波電源的輸出功率就會發(fā)生變化，反映在換能器上就是機械振動忽大忽小，為了使換能器工作穩(wěn)定，在設計超聲波電源時，必須設計功率調(diào)節(jié)電路，使超聲波電源系統(tǒng)工作穩(wěn)定。 5． 1 功率控制問題 設串聯(lián)諧振超聲波電源中逆變器的輸入直流 電壓為 `dU ，由電路分析可知逆變器輸出電壓 HU 近似為交變的方波，那么 HU 的基波幅值為： .1 4 dmH UU ?? ? 5. 1 輸出電壓基波有效值為： 39。1 22 dH UU ?? 5. 2 由于逆變器工作頻率接近負載電路的固有頻率，負載對高次諧波電流呈現(xiàn)高阻抗，而對基波電流阻抗很小，基波電流占據(jù)主要地位，因此，逆變器輸出功率近似為基波功率，可近似認為： ?co s11 ??? HHH IUP 5. 3 ? ?c os22 1HdH IUP ? 5. 4 由式 4． 4 可知，改變玩和礦角都可以調(diào)節(jié)輸出功率。從第二章內(nèi)容可以看出，我們采用不控整流加斬波器的方式，通過調(diào)節(jié) Buck 變換器的驅(qū)動脈沖的占空比來調(diào)節(jié)配，從而調(diào)節(jié)電源輸出功率。 5． 2 電流電壓雙閉環(huán)調(diào)功系統(tǒng) 電流電壓雙閉環(huán)調(diào)功系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖“所示。系統(tǒng)由兩個閉環(huán)組成。一個閉 環(huán)在里面，被稱為副環(huán)，在控制過程中起著“粗調(diào)’’作用；一個閉環(huán)在外面，被稱為主環(huán)，用來完成“細調(diào) 任務，以最終保證被控量滿足性能要求。主環(huán)和副環(huán)都有各自的控制對象、控制變量和控制器。主控制器的輸出作為副控制器的設定值，而副控制器的輸出信號則是送到執(zhí)行機構(gòu)去控制生產(chǎn)過程。 如圖“所示，采用直流電壓調(diào)節(jié)為內(nèi)環(huán)，電流調(diào)節(jié)為外環(huán)的雙閉環(huán) PI 調(diào)節(jié) 31 器，利用了外環(huán)的飽和非線性達到截壓的目的，克服了輸出功率受電網(wǎng)電壓波動及負載變化影響，保證了輸出功率恒定。另外從自動控制理論角度來說，采用什么物理量作為反饋就能自動穩(wěn)定該物 理量，因此雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器對實現(xiàn)穩(wěn)壓、穩(wěn)流功能是一真正準確有效的方法。 圖 壓電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng) 在電壓閉環(huán)和電流閉環(huán)中如果都采用 PI 調(diào)節(jié)器，那么外環(huán)根據(jù)用戶給定的設定電流和反饋的負載電流進行 PI 調(diào)節(jié)后，設定給定電壓值，內(nèi)環(huán)根據(jù)該給定值和直流電壓反饋值經(jīng)過 PI 調(diào)節(jié)后通過調(diào)節(jié)斬波器占空比來控制高頻電源的輸出功率。當調(diào)節(jié)輸入信號或負載變化時，電流調(diào)節(jié)會迅速做出響應。例如：當負載加重而電壓下降時，電流調(diào)節(jié)器的輸出會立刻增大，電壓調(diào)節(jié)器的給定值立刻增大，其輸出會使電 壓迅速增大，從而維持原來的電流即穩(wěn)流作用。比例調(diào)節(jié) P成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用以減少偏差，較大的比例系數(shù)可以使系統(tǒng)很快達到設定值，但是也增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性；積分調(diào)節(jié) I用于消除靜態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無差度。 經(jīng)過比較分析上面 4 種 BUCK 調(diào)功系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，文中電源系統(tǒng)采用電壓電流雙閉環(huán)控制方式來進行直流調(diào)功 。 32 6 超聲波電源匹配電路 在超聲波清洗、超聲波加工和超聲波焊接等大功率超聲應用場合，始終會遇到超聲波換能器與發(fā)生 器之間的阻抗匹配問題。超聲波電源與換能器負載匹配包括兩個方面，通過匹配使電源向換能器輸出額定的電功率，將換能器的阻抗變換成最佳負載，即阻抗變換作用；通過匹配使電源負載為純電阻，使電源輸出效率最大，即調(diào)諧作用。匹配在很大程度上決定了超聲波清洗機能否高效且安全工作，直接影響著超聲波源信號的產(chǎn)生和效率，因而是一個非常重要的技術環(huán)節(jié)。 6． 1 超聲波換能器動態(tài)調(diào)諧匹配 由于靜電抗的原因，壓電換能器有靜電容 Co 存在，造成其在一定工作頻率下，換能器上的電壓 U 與電流，間存在著一個相位角緲，從而使超聲波換能器得不到 期望的最大輸出聲功率，使超聲波電源輸出效率降低。為了減小電壓與電流的相位差伊，需要在換能器負載端并聯(lián)或串聯(lián)一個相反的抗，使超聲波電源的負載為純阻性，這種匹配叫做調(diào)諧作用。匹配調(diào)諧電路的目的是用來改善電發(fā)生器與超聲波換能器之間的耦合過程，以便使電發(fā)生器輸出的功率高效率地傳輸給換能器。 在調(diào)諧匹配的時候，通常采用的匹配方法有串聯(lián)和并聯(lián)兩種，對于現(xiàn)在己經(jīng)普遍流行的開關型超聲電源來說，串聯(lián)匹配能有效的濾除其輸出電壓方波信號中的諧波成分因而更具實用價值。串聯(lián)匹配的原理可用圖 6． 1 來說明。 圖 換能器串聯(lián)匹配示意圖 在圖 6． 1(a)所示的壓電陶瓷換能器等效電路中， 111 , LCRCR oo 分別是壓電陶瓷換能器的介電損耗電阻、靜態(tài)電容、動態(tài)電阻、動態(tài)電容和動態(tài)電感。靜態(tài)電阻器的串聯(lián)支路。換能器的串聯(lián)支路的諧振頻率為：1121 CLfs ?? 。當勵信號的頻率等于串聯(lián)支路的諧振頻率時，串聯(lián)支路諧振，等效電路就成為圖 6． 1(b)所示。再對壓電換能器進行串 并聯(lián)電路之間的等效變換，即可得到 圖 6． 1(c)中的 ,oC 和 ,1R 組成的串聯(lián)部分。 L 為匹配網(wǎng)絡中的匹配電感，如果取匹配電感 33 L=,21osC?等，則由壓電換能器和匹配 電感 L組成的系統(tǒng)在石上諧振 對外呈現(xiàn)純阻性，此時的等效電路為圖 5． 1(d)。這時 ,電感 L 組成的系統(tǒng)在石上諧振，對外呈現(xiàn)純阻性，此時的等效電路為圖 5． 1(d)。這時 ,超聲波電源與換能器之間只有功率的定向傳遞，而無能量的往復交換，調(diào)節(jié)超聲波電源輸出的激勵信號的電壓，即可使超聲波換能器上的功率達到額定值。 這種匹配是在換能器靜止條件下，通過測量換能器參數(shù) 111, , RLCCo 的值，帶入 匹配電感,21 osCL ??等公式進行的，所以稱為靜態(tài)匹配。這種確定匹配電感的方法雖簡單常用，但在實際使用時，卻存在一些缺點： (1)為了確定匹配 電感三的值，必須先測量換能器的參數(shù)島， a，三 I 和 Rl 的值。這一方面使得設計工作量加大，另一方面，小信號下測量出來的換能器的參數(shù)的數(shù)值并不能完全代表大功率下?lián)Q能器參數(shù)的實際值，在測量和計算之后，并不能使匹配達到最佳狀態(tài)，仍然需要調(diào)試，削弱了計算意義。 (2)在激勵電壓一定的條件下，換能器可以在正率點獲得最大功率，但是對于串聯(lián)匹配后的超聲波換能器，其最大功率點并不在．石處，因此，選?。庾鳛閾Q能器工作頻率的理由并不充分。 (3)當換能器的頻率發(fā)生漂移時，只有同時改變超聲波電源輸出的電信號頻率和匹配電感 L的電感值，才 能使換能器的串聯(lián)支路和匹配回路都重新諧振于新的串聯(lián)諧振頻率上。而通常的頻率跟蹤，都只能調(diào)節(jié)激勵信號的頻率，并不改變匹配電感值。這樣，整個系統(tǒng)雖然恢復諧振，但是串聯(lián)支路卻并不諧振，圖 5． 1 的等效變換過程不再成立。 因此，這種理論不支持頻率跟蹤，這顯然不夠?qū)嵱谩? 圖 換能器電抗與頻率曲線圖 為了獲得最佳效率，除了使用靜態(tài)頻率來確定超聲波換能器的中心工作頻率外，文中還在大功率條件下，動態(tài)的模擬了超聲波換能器實際的工作狀態(tài)，采用動態(tài)匹配的方法來研究匹配電感的電感量與換能器工作頻率的關系。一 般情況下，壓電陶瓷換能器的基頻電抗曲線如圖 5． 2所示 (圖中純?yōu)榇?lián)諧振角頻率， 34 絨為并聯(lián)諧振角頻率 )。在如圖 5． 3 所示的串聯(lián)匹配電路中， T21 和 122端連接逆變器輸出變壓器 T的副邊繞組，這個耦合振蕩回路的初級由匹配電感 k、初級回路損耗電阻凡和換能器靜態(tài)電容 c0 組成，次級由 C0 和換能器動態(tài)電感 Ll、動態(tài)電容 Cl以及動態(tài)電阻尺 I組成?？梢?，初級回路 的自然頻率為ooo CL1??換能器加上匹配電路后，其振動特性曲線將發(fā)生變化，把換能器和匹配電感看作一個整體分析，可得到如圖 54 所示的電抗曲線。 在大功率條件下，動態(tài)測試超聲波換能器耦合頻率的原理見圖 5— 5。圖中，匹配電感上 0 的電感量可以調(diào)節(jié)，電阻 R為流過換能器電流的取樣電阻。測量時，要保持功率放大器的輸出電壓不變，以一定步長調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸出的方波信號頻率，每調(diào)節(jié)到一個頻率，就用示波器查看超聲波換能器與匹配電感組成的匹配電路兩端的電壓波形以及流過換能器電流波形，通過示波器，可以知道此兩個波形是否有相位差。當相位差為零時，系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)。 圖 匹配后耦合電路圖 圖 匹配后電抗曲線圖 35 圖 換能器動態(tài)匹配測試實驗圖 在測量時，首先調(diào)節(jié)匹配電感 oL ，設定好一個電感值，此電感值對應著一個初級回路的自然頻率 o? 。然后調(diào)節(jié)信號發(fā)生器，使得頻率由小到大變化。觀察雙蹤示波器，當電壓波形和電流波形相位差為零時，匹配回路諧振。找到此電感值下匹配回路 的所有諧振頻率，這些頻率即該縞下的耦合頻率。記錄此 o? 下的所有耦合頻率后，調(diào)節(jié)匹配電感 L的電感量，電感值對應著初級回路的另一個自然頻率，同樣在這個自然頻率下，也會有數(shù)個諧振頻率。用以上方法重復測量，得到一系列自然頻率下的多個諧振頻率。在測量的同時，要注意匹配電感島和換能器的發(fā)熱。以自然頻率紼為橫坐標，以耦合頻率為縱坐標，描出所有耦合頻率的點，連接后如圖 56 所示。圖中有三條曲線 321 , ??? 組成，由圖 56可知，對應于任何自然頻率 o? ，都存在三個耦合頻率，這就是說，耦合電感的取值并不是唯一的。不管 0L 取何值，都可以使耦合回路諧振。換能器的靜態(tài)諧振頻率 s? ，也是曲線上的一個點，所以不一定非要將超聲波換能器的工作頻率選定在它的靜態(tài) 諧振頻率哆上。選定換能器工作頻率的重要依據(jù)應該是系統(tǒng)的工作效率。系統(tǒng)在諧振時呈現(xiàn)純阻性，當系統(tǒng)諧振點靠近以時，系統(tǒng)的工作效率較高；當系統(tǒng)諧振點遠離緞時，系統(tǒng)的工作效率降低，電感和換能器發(fā)熱較高且振動效果不好。無論匹配回路是工作在 2,1?? 還是工作在 3? 上，只要有足夠的激勵電壓，換能器就能達到需要的振動強度，這說明換能器不是只能工作在一個特定的頻率上，而是可 以工作在一定的頻率范圍內(nèi)。但是，在 1? 附近，只需較小的驅(qū)動功率，就能使得換能器達到需要的振動強度，說明在 1? 附近，換能器的效率較高：距 1? 遠，需要的驅(qū)動功率大，換能器發(fā)熱高，說明換能器效率差。在 3? 附近換能器的工作效率最高，需要的激勵電壓也高，同時電流波形也差?？梢源_定，對于換能器而言，靠近以附近的頻率點，都是較好的工作頻率點。動態(tài)匹配跟頻率跟蹤是相容的，因為從定義上講，動態(tài)匹配與靜態(tài)工作頻率 sf 無 關。當在工作中，換能 36 器的頻率漂移使系統(tǒng)失諧時，只需調(diào)節(jié)振蕩器的輸出頻率，使系統(tǒng)重新諧振，即可回到匹配狀態(tài)。 本機中，超聲波換能器的靜態(tài)工作頻率為 28436Hz，通過動態(tài)匹配測量，完全可以工作在 25KHz35KHz 的區(qū) 間，在兼顧效率和電流波形的前提下， Lo 實際使用的是 16mh。匹配電感的匝數(shù)計算可通過以下公式LALN 0? =71 匝，式中， N為電感線圈匝數(shù)； 0L 為電感量 (H)： AL 為電感系數(shù)，查表可知其電感系數(shù)為 3 800X 910? (H)。繞制電感線圈采用直徑為 0． 75mm 的圓銅導線。 6． 2 阻 抗匹配 當電源電壓給定條件下，必須使功放電路的負載與功放電路的輸出阻抗匹配，這樣功率放大電路才能夠達到最佳效率?；诖?，必須加入高頻變壓器。 6． 2． 1 輸出變壓器的變比計算 在超聲波電源中，輸出變壓器原邊等效負載 R39。L 上的輸出功率表達式為： 39。239。 2/ LHlmo RUP ? 6. 1 式中， MHU1 為等效負載上的基波幅值，其為： )2(4cesdHl m UUU ?? ? 6. 2 LLL RkRNNR 222139。 )( ?? 6. 3 39。12 LL RRNNn ?? 6. 4 斬波器輸出直流電壓源 效負載： ???? )2(802239。39。PUUR ccsdL ? 6. 5 輸出變壓器匝數(shù)比 n為： ??n