超聲波用開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)畢業(yè)論文.doc

0目錄1引言.12設(shè)計(jì)方案.22.1方案對(duì)比選擇.22.2控制方式的選擇.23系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖.34DSP外圍器件的設(shè)計(jì).44.1整流濾波電路.44.2主控制電路.54.2.156F803型DSP.54.2.2高頻逆變單元.74.2.3IGBT驅(qū)動(dòng)模塊.84.3頻率跟蹤控制單元.94.4模擬鍵控制模塊.104.5保護(hù)電路.114.6顯示電路.124.7PWM產(chǎn)生單元.125軟件設(shè)計(jì)與分析.145.1主程序流程圖.145.2模擬控制鍵子程序.155.3A/D轉(zhuǎn)換子程序.166結(jié)束語(yǔ).16謝辭.18參考文獻(xiàn).19附圖整體電路圖.2011引言隨著科學(xué)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步超聲波在超聲焊接、超聲清洗、干燥、霧化、導(dǎo)航、測(cè)距、育種等領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛。現(xiàn)在的大功率超聲波電源大都采用頻率跟蹤控制或功率控制。這種單一控制方法不僅會(huì)降低超聲波電源效率，而且會(huì)影響輸出精度和強(qiáng)度。如何使超聲波電源根據(jù)實(shí)際負(fù)載實(shí)時(shí)，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)輸出諧振頻率和功率，從而保證超聲波加工等操作的要求具有重要的理論研究和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。超聲波在工業(yè)清洗中的應(yīng)用是本文設(shè)計(jì)的重要背景。超聲波清洗屬物理清洗，把清洗液放入槽內(nèi)，在槽內(nèi)作用超聲波。由于超聲波與聲波一樣是一種疏密的振動(dòng)波，在傳播過(guò)程中，介質(zhì)的壓力作交替變化。在負(fù)壓區(qū)域，液體中產(chǎn)生撕裂的力，并形成真空的氣泡。當(dāng)聲壓達(dá)到一定值時(shí)，氣泡迅速增長(zhǎng)，在正壓區(qū)域氣泡由于受到壓力擠破滅、閉合。此時(shí)，液體間相互碰撞產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波。雖然位移、速度都非常小，但加速度卻非常大，局部壓力可達(dá)幾千個(gè)大氣壓，這就是所謂的空化效應(yīng)。眾所周知，要取得不同大小的顆粒，是把破碎料放在球磨機(jī)內(nèi)研磨后，經(jīng)過(guò)不同規(guī)格篩子層層篩分而得的。篩子長(zhǎng)時(shí)間使用后，篩孔會(huì)被堵塞（如金剛石篩），用其它方法刷洗會(huì)破壞篩子，且效果不理想，經(jīng)過(guò)眾多廠家的試驗(yàn)后，用超聲波清洗，不僅不損壞篩子，而且篩子上面的堵塞顆粒完全被回收。超聲波清洗在各行各業(yè)都可用到，以上僅是具有代表性的行業(yè)應(yīng)用，還有許多新的行業(yè)和領(lǐng)域都可以使用超聲波清洗，期待著廣大使用單位和生產(chǎn)廠家共同開(kāi)發(fā)探索。目前,世界上許多國(guó)家在研究超聲波電源上主要是解決功率問(wèn)題和功耗的問(wèn)題，而我的論文主要是研究自動(dòng)跟蹤、自動(dòng)調(diào)整的問(wèn)題。在控制器的選擇上，有多種多樣，從以前的模擬控制方式到模擬數(shù)字一體化的方式，可以說(shuō)各有各的優(yōu)勢(shì)，各有各的缺點(diǎn)。隨著科技的不斷進(jìn)步，人們開(kāi)始了在DSP上的研究，利用DSP作為控制器來(lái)控制PWM的脈沖寬度以達(dá)到控制頻率和功率的目的。利用DSP的控制器有很多優(yōu)點(diǎn)，一方面減少了元件的使用量且減少了故障的出現(xiàn)率；另外保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)主要在程序，為產(chǎn)品的后期開(kāi)發(fā)提供了方便。因此，本文主要研究的是基于56F803型DSP的頻率跟蹤與功率調(diào)節(jié)相結(jié)合的周期分段移相控制的設(shè)計(jì)過(guò)程。在本論文中詳細(xì)介紹了56F803型DSP的結(jié)構(gòu)以及高頻逆變模塊和滯環(huán)采樣電路的應(yīng)用；另外，本論文中對(duì)電路的一些保護(hù)功能如限流保護(hù)、過(guò)壓壓保護(hù)、短路保護(hù)都是通過(guò)DSP編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)的，這樣使電路簡(jiǎn)單，成本較低并且效果優(yōu)秀。除此之外，還設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的軟件流程，包括主程序流程設(shè)計(jì)和PWM產(chǎn)生子程序流程設(shè)計(jì)。22設(shè)計(jì)方案2.1方案對(duì)比選擇方案（1）：以單片機(jī)為中心。采用單片機(jī)智能控制系統(tǒng)的大功率超聲波電源，可實(shí)現(xiàn)電源頻率和輸出電壓的人工設(shè)定。單片機(jī)模擬輸出的HPWM（混合脈寬調(diào)制信號(hào)）可簡(jiǎn)化硬件電路，大大提高系統(tǒng)的功率因數(shù)和效率；同時(shí)運(yùn)用了HPWM控制方式與ZVS（零電壓開(kāi)關(guān)）諧振軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，降低了開(kāi)關(guān)管的損耗，抑制了高次諧波，減小了換能器的損耗。實(shí)驗(yàn)表明，所提出的電源性能優(yōu)良，調(diào)節(jié)方便，可靠性高。方案（2）：以DSP為中心。DSP(DigitalSignnalProcessing)即數(shù)字信號(hào)處理,隨著信號(hào)和微電子技術(shù)的進(jìn)一步得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。其運(yùn)算精度和動(dòng)態(tài)范圍都比單片機(jī)有著很大的優(yōu)勢(shì)，并且其在功耗上也大大降低，在工業(yè)中得到了更好的應(yīng)用。DSP多處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特別適合FIR和IIR濾波器，有著很高的運(yùn)行速度，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)在工業(yè)規(guī)格的要求。經(jīng)過(guò)以上兩種方案的分析比較，考慮到頻率和電壓可調(diào)的目標(biāo)以及功耗、簡(jiǎn)易性的要求，選擇第二種方案。2.2控制方式的選擇方案（1）：選用PWM專(zhuān)用集成芯片作為主控芯片。如PWM芯片SG3525具有很高的溫度穩(wěn)定性和較低的的噪聲等級(jí)，具有欠壓保護(hù)和外部封鎖功能，能方便地實(shí)現(xiàn)過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)，能輸出兩路波形一致、相位差為180的PWM信號(hào)。方案（2）：采用通用的AT89S51單片機(jī)作為控制器，單片機(jī)通過(guò)模擬的PWM，經(jīng)處理后通過(guò)功率放大器驅(qū)動(dòng)電機(jī)。方案（3）：采用56F803型DSP作為控制器。目前DSP已非常普遍，采用56F803型DSP作為控制電路的核心處理器它內(nèi)置2KBSRAM，315KBFLASH，同時(shí)，其40MHz的CPU時(shí)鐘頻率比其他單片機(jī)具有更強(qiáng)的處理能力。6路PWM信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)高頻逆變電路開(kāi)關(guān)管MOSFET的移相控制。12位AD轉(zhuǎn)換器采集可以實(shí)現(xiàn)電壓和電流采樣并滿(mǎn)足采樣數(shù)據(jù)精度的要求。利用56F803型DSP中定時(shí)器的捕獲功能可以精確計(jì)算相位差大小，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的頻率跟蹤控制。串行外設(shè)接口SPI與MCl4489配合使用可以實(shí)現(xiàn)對(duì)5位半數(shù)碼管的控制從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)頻率和功率的顯示。另外，56F803還支持C語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言混合編程的SDK軟件開(kāi)發(fā)包可以實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試經(jīng)過(guò)討論和老師的指導(dǎo)，我們采用了方案（3）作為我的設(shè)計(jì)。采用方案（1）能夠滿(mǎn)足基本要求，但是這種方案可控性不好、功能單一，每擴(kuò)展一種功能就要增加相應(yīng)的硬件電路，使控制器成本增加很多；采用方案（2）能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)基3本要求，而且價(jià)格便宜，購(gòu)買(mǎi)方便，但是現(xiàn)場(chǎng)編譯不太方便；而方案（3）集中了前兩種方案中的優(yōu)點(diǎn)，還彌補(bǔ)了它們存在的缺陷；而且處理速度快，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，符合工業(yè)清洗和除塵的嚴(yán)格要求。自動(dòng)控制復(fù)雜，換能器需要一定的邏輯輸出才能可靠運(yùn)行。而這類(lèi)DSP都有豐富的片上資源，比較強(qiáng)大的處理能力，一般都不需要外擴(kuò)其他器件就可以構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)。片上系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于減小了布線的麻煩，提高了系統(tǒng)的整體性能。2.3PWM調(diào)制方式脈寬調(diào)制（PWM）控制方式就是對(duì)逆變電路開(kāi)關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來(lái)代替正弦波或所需要的波形。也就是在輸出波形的半個(gè)周期中產(chǎn)生多個(gè)脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波形，所獲得的輸出平滑且低次斜波諧波少。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，即可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。在一個(gè)周期內(nèi)，每個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通120度電角度，每隔60度有兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件切換。因此，PWM調(diào)制方式可以有以下五種：(1)on_pwm型、(2)pwm_on型、(3)H_pwm-L_on型、(4)H_on-L_pwm型和(5)H_pwm-L_pwm型。前四種方式又稱(chēng)為半橋臂調(diào)制方式，即在任意一個(gè)60度區(qū)間，只有上橋臂或下橋臂開(kāi)關(guān)進(jìn)行斬波調(diào)制。其中，方式(1)和(2)為雙管調(diào)制方式，即在調(diào)制過(guò)程中上橋臂和下橋臂的功率開(kāi)關(guān)都參與斬波調(diào)制。方式(3)和(4)又稱(chēng)為單管調(diào)制方式，即在調(diào)制過(guò)程中只有上橋臂或下橋臂的功率開(kāi)關(guān)參與斬波調(diào)制。方式(5)又稱(chēng)為全橋調(diào)制方式，即在任意一個(gè)60度區(qū)間內(nèi)，上、下橋臂的功率開(kāi)關(guān)同時(shí)進(jìn)行斬波調(diào)制。在全橋調(diào)制方式中，功率開(kāi)關(guān)的動(dòng)態(tài)功耗是半橋調(diào)制方式中的兩倍。與半橋調(diào)制方式相比，全橋調(diào)制方式降低了系統(tǒng)效率，給散熱帶來(lái)困難。因此，考慮到功率開(kāi)關(guān)的動(dòng)態(tài)功耗，在PWM調(diào)制方式上應(yīng)選擇半橋調(diào)制方式。同時(shí)，在半橋調(diào)制方式中，雙管調(diào)制方式不增加功率開(kāi)關(guān)的動(dòng)態(tài)損耗，并解決了由單管調(diào)制所造成的功率開(kāi)關(guān)散熱不均，提高了系統(tǒng)的可靠性，但是