??? 摘 要： 介紹了一種基于CPLD芯片的數(shù)字PWM超聲波清洗" title="超聲波清洗">超聲波清洗電源的設(shè)計(jì)，其中包括數(shù)字PWM信號產(chǎn)生電路、單片機(jī)控制電路、功率放大電路、保護(hù)電路以及超聲波電源與換能器" title="換能器">換能器的匹配和頻率跟蹤" title="頻率跟蹤">頻率跟蹤設(shè)計(jì)，并給出了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程。
??? 關(guān)鍵詞： 超聲清洗 PWM信號? 功率放大? 匹配設(shè)計(jì)? 頻率跟蹤
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??? 超聲清洗技術(shù)在各種化學(xué)、物理以及機(jī)械的清洗中是最有效的一種手段，其核心是超聲波電源。目前它激式超聲波電源大多數(shù)采用專用集成控制芯片如SG3525、TL494產(chǎn)生PWM脈沖信號，經(jīng)功率放大、阻抗和調(diào)諧匹配后，推動(dòng)換能器將電信號轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)，產(chǎn)生超聲波。這類電源的主要問題是頻率隨器件工作溫度而偏移、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、參數(shù)調(diào)整復(fù)雜且不夠精確、實(shí)時(shí)跟蹤換能器諧振頻率" title="諧振頻率">諧振頻率困難，使得換能器難以工作在最佳諧振狀態(tài)，極大影響了清洗效果及穩(wěn)定性。因此，研制性能穩(wěn)定、控制調(diào)整簡便且成本低的數(shù)字化超聲波電源尤為關(guān)鍵[1]。本文介紹數(shù)字PWM芯片的設(shè)計(jì)原理以及以該類芯片為核心的新型它激式超聲波清洗電源的控制電路、功率驅(qū)動(dòng)電路和頻率跟蹤電路的設(shè)計(jì)。
1 數(shù)字化超聲波電源設(shè)計(jì)原理
??? 數(shù)字超聲波電源結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。單片機(jī)AT89C2051控制數(shù)字PWM發(fā)生器，產(chǎn)生頻率為10kHz～1MHz、死區(qū)大小可調(diào)、波形互補(bǔ)的兩路脈沖信號；功率電路采用半橋放大方式，通過DC/AC變換電路產(chǎn)生的高壓信號經(jīng)輸出變壓器隔離后去激勵(lì)由諧振電感和超聲換能器構(gòu)成的串（或并）聯(lián)諧振回路,使其諧振,將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，產(chǎn)生超聲波，實(shí)現(xiàn)超聲清洗的目的。
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2 數(shù)字化超聲波電源電路設(shè)計(jì)
2.1 數(shù)字PWM信號發(fā)生器
??? 數(shù)字PWM信號發(fā)生器原理圖如圖2所示，它以計(jì)數(shù)器為核心，由周期預(yù)置計(jì)數(shù)器、邏輯延時(shí)計(jì)數(shù)器、協(xié)同控制信號以及各種觸發(fā)標(biāo)志信號等組成。
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??? 在基準(zhǔn)時(shí)鐘信號CLK的作用下，周期預(yù)置計(jì)數(shù)器和減1計(jì)數(shù)器開始做循環(huán)置數(shù)減1操作，當(dāng)減至零值時(shí)，產(chǎn)生周期等于T的兩路觸發(fā)脈沖信號去控制兩個(gè)RS觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)時(shí)刻，并用邏輯延時(shí)計(jì)數(shù)器保證翻轉(zhuǎn)方向，從而形成兩路反向的PWM波形。PWM波形發(fā)生器輸出頻率f和頻率分辨率Δf由下式計(jì)算：
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式中，foscillator為晶振頻率；Q為對應(yīng)的N位二進(jìn)制計(jì)數(shù)值。顯然計(jì)數(shù)器位數(shù)越多，PWM發(fā)生器晶振頻率越高，頻率分辨率就越高，頻率可調(diào)范圍也就越寬。PWM信號發(fā)生器的具體實(shí)現(xiàn)電路一般采用大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷﨏PLD或FPGA器件來完成，也可用專用集成電路(ASIC)來實(shí)現(xiàn)[2]。
??? 數(shù)字PWM發(fā)生器控制電路圖如3所示。整個(gè)電路以單片機(jī)AT89C2051為控制核心，用并行輸入的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)字PWM發(fā)生器的頻率、延時(shí)時(shí)間、脈沖占空比等的設(shè)定，并實(shí)時(shí)處理鍵盤輸入的控制命令和顯示輸出，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。
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??? 首先，通過A[0..2]總線向CPLD送入訪問地址，譯碼后D[0..3]上的數(shù)據(jù)寫入選中計(jì)數(shù)器，實(shí)現(xiàn)對PWM波形發(fā)生器的設(shè)置，按下Start_Key鍵啟動(dòng)CPLD開始獨(dú)立工作。在工作過程中，頻率跟蹤電路將采樣反饋信號Feedback送入A/D轉(zhuǎn)換器形成四位二進(jìn)制數(shù)值[PD0..PD3],用該數(shù)據(jù)調(diào)整PWM脈沖信號的死區(qū)延時(shí)預(yù)置計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值即占空比，從而跟蹤諧振點(diǎn)的變化，穩(wěn)定輸出功率。如果外部電路出現(xiàn)異常，則用保護(hù)信號Protect停止PWM信號的輸出。
2.2 半橋功放電路及其驅(qū)動(dòng)電路
??? PWM發(fā)生器產(chǎn)生的兩路PWM信號電流小、驅(qū)動(dòng)能力弱，需要通過電流放大后才能驅(qū)動(dòng)功率場效應(yīng)管MOSFET模塊或IGBT模塊，為此必須進(jìn)行脈沖變壓器隔離放大。圖4為輸出功率放大電路，市電經(jīng)高頻濾波電路后進(jìn)入整流橋，將交流變換成直流再經(jīng)C3、C4組成的濾波電路濾波得到約300V直流電壓U1作為開關(guān)功率放大電路電源，C3、C4同時(shí)也是橋式電路的兩個(gè)橋臂，通常它們上面要并聯(lián)一個(gè)33kΩ的均壓電阻以保證其中點(diǎn)電壓為U1/2(約150V)。功率開關(guān)器件V1、V2在雙路互補(bǔ)脈沖PWM信號作用下交替導(dǎo)通" title="導(dǎo)通">導(dǎo)通、截止，圖5為經(jīng)過脈沖變壓器隔離的實(shí)際控制波形圖。當(dāng)V1導(dǎo)通時(shí)，V2截止，電壓U1經(jīng)V1、變壓器B的初級、電容C4到地形成通路將電能儲存在變壓器中，而當(dāng)V1截止時(shí)，V2導(dǎo)通，電壓U1經(jīng)C3、變壓器B的初級、V2到地構(gòu)成通路將儲存在變壓器中的能量釋放，隨后重復(fù)上述工作過程，于是在輸出變壓器次級得到一個(gè)與主振信號同頻且電壓幅度較高的準(zhǔn)方波信號，如圖6所示。此過程通常稱交－直－交變換（AC-DC-AC變換）。由于功率管在截止和飽和導(dǎo)通時(shí)的功耗很小，而開關(guān)時(shí)間較短，因此總的功耗較小，而且恒定 ，最高效率可以達(dá)到90％以上。
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2.3 匹配電路
??? 超聲波電源匹配電路包括輸出變壓器、電感和換能器。該電路將功率放大后的高壓信號用輸出變壓器隔離后，去激勵(lì)由諧振電感和超聲換能器構(gòu)成的串（并）聯(lián)諧振回路,使其諧振,將電能最有效地轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)超聲清洗的目的。雖然結(jié)構(gòu)簡單（通常只有一個(gè)匹配電感），卻具有重要作用。匹配調(diào)得好的清洗效果好；匹配調(diào)得差的則清洗效果差。匹配電路包括阻抗匹配和調(diào)諧匹配兩個(gè)方面。
??? 阻抗匹配是指變換負(fù)載的阻值，使之與PWM波形發(fā)生器的最佳負(fù)載值相等，即起阻抗變換的作用，應(yīng)根據(jù)換能器的激勵(lì)電壓、等效阻抗以及開關(guān)電路的輸出阻抗進(jìn)行精心設(shè)計(jì)。
??? 壓電換能器在諧振頻率附近的等效電路如圖7所示。圖中，C0為靜態(tài)電容，是一個(gè)真實(shí)的電學(xué)量。L1、C1和R1分別是動(dòng)態(tài)電感、動(dòng)態(tài)電容和動(dòng)態(tài)電阻，它們不是真正的電學(xué)量，而是從換能器的質(zhì)量、機(jī)械特性和損耗分別折算過來的等效參數(shù)。當(dāng)換能器處于機(jī)械諧振狀態(tài)時(shí),諧振頻率近似為：
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??? 由式（2）和式（3）可知，諧振時(shí)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)等效于純電阻性，電壓和電流的相位差近似為零，因此需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整電感L，保證諧振頻率f0與PWM發(fā)生器所產(chǎn)生信號的頻率相匹配。
2.4 頻率跟蹤設(shè)計(jì)
??? 換能器的諧振頻率會(huì)由于發(fā)熱、負(fù)載變化、老化等原因發(fā)生改變，引起換能器諧振頻率的漂移，因此要求PWM發(fā)生器能自動(dòng)調(diào)節(jié)頻率，即自動(dòng)跟蹤頻率。理論上換能器諧振時(shí)，在換能器兩端的電壓信號和電流信號（除去靜態(tài)電容的電流分量）相位差為零，故可用相位差作為反饋信號調(diào)整頻率的變化。然而這種方法在工程中使用較少。(1)由于動(dòng)態(tài)電容和靜態(tài)電容，存在一個(gè)電流分量，實(shí)際上換能器諧振時(shí)電壓和電流的相位差不為零。(2)當(dāng)換能器處于偏諧振狀態(tài)時(shí)，電流取樣波形不再是正弦波形，波形復(fù)雜不易進(jìn)行相位比較，而且鑒相器檢測出來的相位差變化范圍很小，線性差，也不易作為反饋控制信號。
??? 考慮在諧振狀況下，換能器阻抗最小，回路電流最大，因此采用單片機(jī)搜索諧振頻率附近的工作電流最大值，便可使換能器處于最佳工作狀態(tài)。如果換能器的諧振頻率發(fā)生漂移，電流i將因系統(tǒng)失諧而減小，反饋給智能控制系統(tǒng)，將單片機(jī)的采樣電流值與諧振頻率時(shí)的最大電流imax比較，若不等則單片機(jī)發(fā)出指令，以一定的步長Δf改變PWM發(fā)生器的工作頻率，如頻率改變電流減小，單片機(jī)會(huì)使頻率朝相反方向改變，直到最大電流值出現(xiàn)，于是系統(tǒng)又回到了V和I同相的諧振狀態(tài)。采樣電流通常檢測功放級的直流電流，也可以檢測流過換能器的超聲波電流。
2.5 保護(hù)電路設(shè)計(jì)
??? 超聲波清洗機(jī)電源是一種大功率設(shè)備,常因種種原因致使設(shè)備過流、過熱以及負(fù)載短路而損壞驅(qū)動(dòng)源。為此,超聲波清洗機(jī)電源設(shè)置了過流、過熱及輸出短路保護(hù)電路,以確保驅(qū)動(dòng)源穩(wěn)定可靠工作[3]。圖8和圖9分別為過流保護(hù)電路和過壓保護(hù)電路。圖10是過熱保護(hù)信號產(chǎn)生電路，當(dāng)溫度低于65°C時(shí)，68L065長閉型熱繼電閉合，P為低電平，電路處于正常工作狀態(tài)；而當(dāng)溫度高于65°C時(shí)，熱繼電器斷開，P為高電平，通過保護(hù)信號合成電路產(chǎn)生過熱保護(hù)信號，控制振蕩電路停振，并經(jīng)故障指示板發(fā)出過熱指示信號。
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3 數(shù)字化超聲波電源軟件設(shè)計(jì)
??? 軟件設(shè)計(jì)主要對PWM發(fā)生器進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)頻率設(shè)置和調(diào)整、鍵盤輸入和LED顯示等控制，同時(shí)監(jiān)控頻率跟蹤電路的反饋信號，調(diào)整占空比改變輸出功率，完成掃頻和軟啟動(dòng)功能等，程序流程圖如圖11所示。
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??? 本文設(shè)計(jì)的超聲波清洗電源采用數(shù)字PWM發(fā)生器，產(chǎn)生的頻率穩(wěn)定性好，且連續(xù)可調(diào)。為了提高駐波場的均勻性，增強(qiáng)清洗效果，還設(shè)計(jì)了掃頻功能。本系統(tǒng)用大功率的VDMOS管和變壓器輸出，轉(zhuǎn)換效率高,達(dá)90%以上，不但輸出功率大，而且具有軟啟動(dòng)功能，避免開關(guān)電源啟動(dòng)時(shí)的沖擊，使啟動(dòng)時(shí)功率由小變大，從而提高了系統(tǒng)的可靠性。該系統(tǒng)還具有過流、過熱、過壓保護(hù)功能，可靠性高，并能夠跟蹤換能器諧振頻率的漂移及時(shí)調(diào)整數(shù)字PWM發(fā)生器的輸出頻率，輸出功率穩(wěn)定。
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