李飛亮，張松林，潘傳紅

(河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校，河南 新鄉(xiāng) 453002)

隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，功率超聲技術(shù)的創(chuàng)新和開發(fā)應(yīng)用已在工業(yè)處理的各個領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。超聲波篩分系統(tǒng)作為功率超聲技術(shù)的一個重要應(yīng)用部分，簡單、實(shí)用、可靠且可篩分過濾精度高，能有效解決因團(tuán)聚、靜電、強(qiáng)吸附性卡堵網(wǎng)孔等篩分難題，成為當(dāng)前解決網(wǎng)孔堵塞的最有效方法，已廣泛應(yīng)用于選礦、冶金、制藥、化工、食品等要求精細(xì)篩分過濾的行業(yè)。

該系統(tǒng)的核心部分是超聲波電源。本文在分析系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上，對超聲波電源進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)工作原理

超聲波篩分主要用到的是超聲波振動性能。超聲振動系統(tǒng)相當(dāng)于一個諧振元件，換能器受迫振動，只有當(dāng)激勵電流頻率和振動頻率一致時，電聲換能效率才最高。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，由于振動系統(tǒng)的溫度及負(fù)載變化會使換能器的諧振頻率發(fā)生漂移，造成電聲轉(zhuǎn)換效率下降，甚至沒有超聲波輸出。因此，超聲波電源應(yīng)設(shè)有頻率跟蹤系統(tǒng)來檢測和反饋超聲系統(tǒng)的諧振頻率，使超聲波電源具備頻率自動跟蹤能力。

超聲波電源采用交－直－交變頻技術(shù)［1］。通過超聲波電源把市電轉(zhuǎn)換為超聲波頻段的超音頻交流電，然后驅(qū)動超聲波振動系統(tǒng)將此電能轉(zhuǎn)換為同頻率的聲能傳遞給外界負(fù)載做功。

2 超聲波電源設(shè)計(jì)方案

超聲波電源的主要功能是產(chǎn)生超聲波換能器所需的頻率信號，并將其放大到系統(tǒng)所需要的功率，然后通過電纜將信號傳入換能器，換能器將高頻電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，使共振環(huán)產(chǎn)生共振，然后由共振環(huán)將振動均勻傳輸至篩面。該電源的總體框架如圖1所示:

圖1 超聲波電源總體框架圖

在本設(shè)計(jì)中，使用單片機(jī)控制系統(tǒng)對整個系統(tǒng)進(jìn)行控制，單片機(jī)控制直接數(shù)字頻率合成模塊AD9833產(chǎn)生系統(tǒng)所需的頻率，用脈寬調(diào)制芯片SG3525對主逆變回路進(jìn)行功率調(diào)節(jié)和半橋驅(qū)動，用MOSFET搭建了脈寬調(diào)制的半橋逆變器產(chǎn)生高頻交流信號，用電流互感器檢測換能器的工作狀態(tài)參數(shù)作反饋信號。

當(dāng)超聲波電源啟動后，先由單片機(jī)對頻率發(fā)生電路中的AD9833和脈寬調(diào)制控制電路中的SG3525進(jìn)行初始化操作。完成初始化操作以后，頻率發(fā)生電路將產(chǎn)生一個由單片機(jī)控制的特定頻率的方波信號，這個信號作為脈寬調(diào)制電路的同步信號。脈寬調(diào)制以這一頻率產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號，脈寬調(diào)制信號經(jīng)過逆變回路的放大和逆變作用后，產(chǎn)生一個大功率的類似正弦信號，該信號經(jīng)過匹配電路的濾波，變成一個頻率較單一的正弦信號后送入換能器。用檢測電路采集換能器的工作狀態(tài)參數(shù)，送入單片機(jī)控制系統(tǒng)。通過單片機(jī)控制系統(tǒng)對反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和運(yùn)算后，分別對頻率發(fā)生電路和脈寬調(diào)制電路進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)了頻率及功率的自動調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)達(dá)到最佳工作狀態(tài)。

2.1 主回路逆變電路

主回路逆變電路是超聲電源電路的主體部分，主要用來產(chǎn)生符合系統(tǒng)要求的超音頻交流電。逆變電路的組成形式和控制方法決定了整個系統(tǒng)的性能。根據(jù)本文的設(shè)計(jì)要求，綜合各種逆變器的優(yōu)缺點(diǎn)考慮，決定采用半橋式逆變器作為主回路逆變電路。逆變電源主電路圖如圖2所示。

圖2 逆變電源主電路圖

工作原理:當(dāng)兩組開關(guān)管M3和M4都截止時，因兩只電容相等(即C3=C8)，則兩電容中點(diǎn)的電壓為輸入電壓的一半。當(dāng)M3導(dǎo)通，M4截止時，電流流經(jīng)R1、R2、M3、變壓器原邊到達(dá)電位中點(diǎn)，形成一個方向上的回路。當(dāng)M4導(dǎo)通，M3截止時，電流流經(jīng)C3到達(dá)電位中點(diǎn)、然后經(jīng)過變壓器原邊、M4、R23、R24到電位零點(diǎn)，完成相反方向上的回路，從而形成由直流到高頻交流的逆變，所產(chǎn)生的交流的頻率由M3、M4的開關(guān)頻率決定。

2.2 驅(qū)動電路

MOSFET驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)對電力電子設(shè)備的效率、可靠性、壽命都有重要的影響。本文采用PWM控制芯片SG3525對半橋逆變回路進(jìn)行驅(qū)動。

SG3525是電流控制型PWM控制器，電流控制型脈寬調(diào)制器是靠反饋電流來調(diào)節(jié)脈寬的［2］。在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈的信號與誤差放大器輸出信號進(jìn)行比較，從而調(diào)節(jié)占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結(jié)構(gòu)上有電壓環(huán)和電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，因此，開關(guān)電源的電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性都有提高，是目前比較理想的新型控制器。

本系統(tǒng)中，當(dāng)超聲電源啟動以后，先由單片機(jī)對頻率發(fā)生電路中的AD9833和脈寬調(diào)制控制電路中的SG3525進(jìn)行初始化操作。完成初始化操作以后，頻率發(fā)生電路將產(chǎn)生一個由單片機(jī)控制的特定頻率的方波信號，作為脈寬調(diào)制電路的同步信號送入SG3525的同步端(引腳3)，經(jīng) SG3525模塊內(nèi)部處理后，從SG3525的11和14引腳分別送出相位相差180度的兩路特定頻率方波信號，該信號送入逆變回路的前級隔離電路，進(jìn)而驅(qū)動逆變回路按設(shè)定頻率工作，即完成頻率控制。

單片機(jī)將特定頻率的方波信號送入SG3525同步端(引腳3)的同時，將另一電流反饋信號送入SG3525內(nèi)誤差放大器反相輸入端(引腳1)，通過調(diào)節(jié)占空比控制逆變回路兩個MOSFET的導(dǎo)通時間來調(diào)節(jié)輸出電壓，進(jìn)而達(dá)到調(diào)節(jié)輸出功率的目的，即完成功率自動調(diào)節(jié)。

驅(qū)動電路原理圖如圖3所示:

圖3 驅(qū)動電路原理圖

2.3 頻率信號產(chǎn)生電路

該部分主要是采用單片機(jī)C8051F410控制DDS芯片AD9833產(chǎn)生系統(tǒng)所需頻率信號，從而得到高精度、高穩(wěn)定性的正弦波信號，該信號送給SG3525同步端去控制后續(xù)電路的工作。

2.3.1 頻率跟蹤設(shè)計(jì)

換能器的諧振頻率會由于發(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，要求控制電路能自動調(diào)節(jié)頻率，即自動跟蹤頻率［3］。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)，由單片機(jī)采樣電流值與諧振頻率時的最大電流Imax比較，不相等則單片機(jī)發(fā)出指令，以一定的步長Δf改變工作頻率，如頻率改變電流減小，單片機(jī)會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)。

2.3.2 DDS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

DDS是一種全數(shù)字化的頻率合成器，具有頻率分辨率高，頻率切換速度快，頻率切換時相位連續(xù)，輸出相位噪聲低以及能產(chǎn)生任意波形等優(yōu)點(diǎn)［4］。

本設(shè)計(jì)采用 AD9833型 DDS芯片，以單片機(jī)C8051F410作為控制器，采用SPI接口對AD9833編程，輸出需要的頻率可變方波信號。SDATA是數(shù)據(jù)線，用于C8051F410與AD9833傳遞數(shù)據(jù)，SCLK是時鐘信號，用于同步SDATA數(shù)據(jù)傳輸，F(xiàn)SYNC是使能信號，低電平有效。對于輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行以下處理:AD9833將數(shù)據(jù)輸入按幀計(jì)算，每兩個字節(jié)為一幀，檢測每幀數(shù)據(jù)的前幾位，確定數(shù)據(jù)的性質(zhì)，分別寫入不同的寄存器［5］。改變頻率寄存器的設(shè)定值K，就能改變相位值ΔP，從而改變合成信號頻率f0=kfc/2N。

本設(shè)計(jì)中所使用的AD9833模塊的硬件電路原理圖如圖4所示。

圖4 AD9833硬件電路原理圖

2.4 控制電路

該控制電路主要由單片機(jī)C8051F410芯片及外圍器件構(gòu)成，為整個控制系統(tǒng)的核心部件，其主要作用包括:初始頻率的設(shè)置、頻率自動跟蹤、功率自動調(diào)節(jié)、顯示控制及人工調(diào)整等。

本設(shè)計(jì)中，C8051F410芯片的P2口控制數(shù)碼顯示管的位選信號，P1口控制數(shù)碼顯示管的片選信號;P0.5口為反饋電流輸入口，P0.0口為反饋輸出端口，反饋輸出信號通過光耦電路送入SG3525的誤差放大器反向輸入端，從而調(diào)節(jié)輸出功率的大小;P0.3口、P0.1口、P0.4口分別控制DDS芯片AD9833的串行數(shù)據(jù)輸入口、串行時鐘輸入口、控制輸入口，從而實(shí)現(xiàn)C8051F410對AD9833的控制，以得到高精度、高穩(wěn)定性的特定頻率信號。

3 結(jié)束語

綜上所述，本文設(shè)計(jì)的超聲波電源采用了DDS技術(shù)和PWM技術(shù)，工作穩(wěn)定性好，功率轉(zhuǎn)換效率高，動態(tài)響應(yīng)速度快。該系統(tǒng)還具有頻率自動跟蹤和功率自動調(diào)節(jié)功能，實(shí)現(xiàn)了超聲波電源的智能化。

［1］趙春雷，楊國福，郭英軍.低頻超聲波功率電源的設(shè)計(jì)［J］.江蘇電器，2008，(6):14－17.

［2］滕旭東，傅友登，王弘輝.基于數(shù)字PWM的新型超聲波電源的研究［J］.電源技術(shù)，2008，(1):125 －126.

［3］陳國呈.PWM逆變技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:中國電力出版社，2007.

［4］吳衛(wèi)華.基于DDS－PLL超聲波電源的頻率自動跟蹤研究［J］.電力電子技術(shù)，2008，(5):50 －52.

［5］馬伯志，吳敏生.基于DDS技術(shù)的智能超聲波功率源的研究［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2004，(8):15－18.