李夏林, 朱 武

(上海電力學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院, 上海 200090)

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基于DDS技術(shù)的超聲電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李夏林, 朱 武

(上海電力學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院, 上海 200090)

針對(duì)超聲電源系統(tǒng)出現(xiàn)的頻率跟蹤慢、精確度低、振動(dòng)系統(tǒng)失諧等問題,且為了克服傳統(tǒng)PWM專用芯片產(chǎn)生頻率漂移大的缺點(diǎn),采用了直接頻率合成技術(shù)(DDS)來產(chǎn)生高頻信號(hào),實(shí)現(xiàn)具有高穩(wěn)定性、高精度性的大功率超聲電源.為提高振動(dòng)系統(tǒng)的功率因數(shù),對(duì)超聲換能器進(jìn)行電感調(diào)諧匹配,并根據(jù)匹配端采樣得到的電壓、電流信號(hào),提出了利用鎖相控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)頻率自動(dòng)跟蹤的方法.

超聲電源; 直接頻率合成; 電感匹配; 頻率跟蹤; 鎖相控制

近年來,隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展,大功率超聲技術(shù)迅速崛起.如今,超聲焊接、超聲治療、超聲加工等技術(shù)在各行各業(yè)的應(yīng)用十分廣泛,并在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮越來越大的作用.因此,設(shè)計(jì)出大功率、低損耗、高穩(wěn)定、智能化的超聲電源系統(tǒng)具有重要意義[1-2].

對(duì)于超聲焊接應(yīng)用,其超聲電源振動(dòng)系統(tǒng)工作在高頻狀態(tài),容易引起換能器的發(fā)熱和工具頭的磨損,且當(dāng)所帶負(fù)載頻繁變動(dòng)時(shí),會(huì)使超聲換能器的工作頻率發(fā)生漂移,與諧振頻率不匹配,導(dǎo)致振動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)振幅減小,焊接效果差且效率降低;并且對(duì)應(yīng)不同負(fù)載需要,輸出振幅要求也不相同,需要隨加工負(fù)載的變化而變化.因此,超聲電源系統(tǒng)不僅要實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出功率的自動(dòng)調(diào)節(jié)控制,還要對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)的諧振頻率進(jìn)行自動(dòng)跟蹤.

1 超聲電源系統(tǒng)組成

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

超聲電源系統(tǒng)由超聲發(fā)生器和超聲振動(dòng)系統(tǒng)兩部分組成,系統(tǒng)框圖如圖1所示.超聲發(fā)生器將220 V和50 Hz的工頻交流電經(jīng)二極管單相橋式組成的不可控整流電路得到直流信號(hào),之后通過由IGBT構(gòu)成的半橋逆變電路,將直流信號(hào)轉(zhuǎn)換為高頻交流電.高頻變壓器再將其升至為振動(dòng)系統(tǒng)所需的電壓值,串聯(lián)電感進(jìn)行調(diào)諧、變阻匹配,同時(shí)起到濾波的作用,此時(shí)出來的高頻交流電為近似正弦波,然后激勵(lì)超聲振動(dòng)系統(tǒng)工作.而其中控制系統(tǒng)部分根據(jù)在匹配網(wǎng)絡(luò)端采樣來的電壓、電流信號(hào)進(jìn)行相位檢測(cè),通過改變控制字來實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率的自動(dòng)跟蹤.

圖1 超聲電源總體結(jié)構(gòu)示意

1.2 電源主回路的設(shè)計(jì)

主電源采用半橋逆變式開關(guān)電路作為超聲波發(fā)生器電路,如圖2所示.該電路工作原理為:VT1和VT2兩個(gè)開關(guān)管采用輪流導(dǎo)通方式,如當(dāng)VT1導(dǎo)通時(shí),C1兩端的電壓通過VT1加在高頻變

圖2 超聲電源主回路

壓器T上,此時(shí)B點(diǎn)為高電平,A點(diǎn)為低電平;當(dāng)VT1截止而VT2導(dǎo)通時(shí),C2兩端電壓通過VT2加在高頻變壓器T上,此時(shí)A點(diǎn)為高電平,B點(diǎn)為低電平.通過控制IGBT柵極信號(hào)的開關(guān)頻率使得在變壓器的副邊得到一個(gè)正負(fù)交變的激勵(lì)信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)了半橋逆變的功能.而電路中選擇合適的L值和C值使電感L與電容C的諧振頻率和換能器諧振頻率相同,通過這樣的濾波作用可以將高頻方波信號(hào)變成近似的正弦波,從而減少對(duì)開關(guān)管VT1和VT2以及高頻變壓器的損耗.

1.3 信號(hào)發(fā)生器

本設(shè)計(jì)選用美國AD公司推出的直接頻率合成芯片AD9850,該芯片利用先進(jìn)的CMOS工藝直接頻率合成(Direct Digital Synthesizer,DDS)技術(shù),并且支持5 V和3.3 V兩種供電方式,采用28腳SSOP表面貼片封裝形式[3].直接頻率合成技術(shù)的理論依據(jù)奈奎斯特(Nyquist)抽樣定理,且通常由頻率控制字、相位累加器、正弦查詢表、高速比較器、D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器組成.

在系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)fclk的控制下,相位累加器的輸出以步長(zhǎng)k遞加,k的值由CPU控制的頻率控制字決定,通過改變k值來調(diào)節(jié)DDS的輸出頻率.本文設(shè)計(jì)的超聲波發(fā)生器以STC89C52RC單片機(jī)為核心,采用并行的寫入方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制,通過程序控制改變控制字以產(chǎn)生頻率可調(diào)的方波波形.

由AD9850輸出方波,通過反相器翻轉(zhuǎn)得到兩路互補(bǔ)的方波.由于橋臂容易發(fā)生誤導(dǎo)通,這兩路高頻信號(hào)還不能用來控制開關(guān)管,因此需要設(shè)置死區(qū)時(shí)間,如圖3所示.

圖3 死區(qū)時(shí)間形成電路

圖3中,當(dāng)P點(diǎn)為低電平時(shí),經(jīng)過反相器為高電平,通過RC回路進(jìn)行充電;當(dāng)P點(diǎn)為高電平時(shí),開關(guān)管導(dǎo)通,電容兩端快速放電.在A和B處得到一列鋸齒波,再將此波形通過電壓比較器,實(shí)現(xiàn)帶有死區(qū)時(shí)間的波形,其波形如圖4所示.而通過改變電壓比較器的比較電壓可以實(shí)現(xiàn)對(duì)占空比的調(diào)節(jié),從而滿足對(duì)功率的控制.

圖4 死區(qū)時(shí)間形成波形

1.4 IGBT的驅(qū)動(dòng)模塊

本設(shè)計(jì)采用針對(duì)IGBT的專用混合集成驅(qū)動(dòng)電路,即日本富士公司開發(fā)的EXB系列模塊.而EXB841適合驅(qū)動(dòng)300 A/1 200 V以下的IGBT,其最高工作頻率為40 kHz,單20 V電源供電,內(nèi)部產(chǎn)生-5 V的負(fù)偏電壓,有過流保護(hù)和軟關(guān)斷功能,滿足本設(shè)計(jì)要求.采用EXB841專用模塊不僅提高了電路的可靠性,而且簡(jiǎn)化了IGBT驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)[4-5].

IGBT的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路如圖5所示.EXB841本身的6號(hào)管腳與開關(guān)管集電極之間只接了一個(gè)二極管來保護(hù),這樣容易造成EXB841燒毀或無法正常使用,而此驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路中主電路的電流波形由電流傳感器監(jiān)測(cè),LM358放大器的同相端與監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)換的輸出電壓信號(hào)相連,而放大器的反相端有一個(gè)預(yù)設(shè)的比較電壓值.當(dāng)負(fù)載發(fā)生短路時(shí),監(jiān)測(cè)的信號(hào)會(huì)超過比較電壓值,放大器和光電耦合器均會(huì)輸出一個(gè)高電平,使EXB841的6端“懸空”,IGBT將截止關(guān)斷,發(fā)生短路保護(hù).在2號(hào)和9號(hào)管腳之間外接穩(wěn)壓管7805(D4)和限流電阻R2,且從兩者之間引出驅(qū)動(dòng)信號(hào)給開關(guān)管E極,避免EXB841內(nèi)部穩(wěn)壓管損壞時(shí)器件無法正常工作.

圖5 IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路

1.5 換能器等效電路

超聲換能器是一種非線性容性負(fù)載,在串聯(lián)支路諧振處工作時(shí),若系統(tǒng)空載,則往往造成換能器的損壞,失諧嚴(yán)重,電流過大不易控制且輸出功率不能自動(dòng)調(diào)節(jié),因此本設(shè)計(jì)采用在并聯(lián)諧振點(diǎn)工作.其等效電路如圖6所示.

注:C0—換能器靜態(tài)電容;R1—換能器機(jī)械損耗引起的動(dòng)態(tài)電阻;C1—換能器力順造成的動(dòng)態(tài)電容;L1—換能器質(zhì)量引起的動(dòng)態(tài)等效電感.R1,C1,L1均為等效電參數(shù).

圖6 超聲換能器并聯(lián)諧振等效電路變換

由圖6可計(jì)算換能器的等效阻抗:

由此可知:

因此,靜態(tài)電容在并聯(lián)等效前后沒有改變,而R′與R1的大小成反比,換能器機(jī)械損耗功率:

與負(fù)載RL的大小成正比.即接大負(fù)載時(shí),輸出功率增加,可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出功率的大小,從而使換能器端面的振動(dòng)幅值跟隨負(fù)載的變化而變化,在超聲焊接和超聲加工等負(fù)載頻繁變動(dòng)或劇烈變動(dòng)的場(chǎng)合,該特性可以發(fā)揮極大的作用[6].

換能器工作在并聯(lián)諧振點(diǎn)時(shí),為提高振動(dòng)系統(tǒng)的功率因數(shù),還需對(duì)換能器進(jìn)行電感調(diào)諧匹配,即串聯(lián)一個(gè)諧振電感L0.由于靜態(tài)電容C0數(shù)值很小,所以在其兩側(cè)并聯(lián)一個(gè)調(diào)阻電容C,其諧振匹配電路如圖7所示.

圖7 超聲換能器諧振匹配電路

在電路匹配中,由圖7b可知,諧振電感L0與換能器的等效電容C′(C′=C0+C)發(fā)生串聯(lián)諧振.其并聯(lián)諧振頻率和匹配電感分別為:

本文選取YP-5020-6D換能器,其具體的參數(shù)如下:最大輸入功率為2 200 W,機(jī)械損耗阻抗為4 Ω,動(dòng)態(tài)電感為1.3 H,動(dòng)態(tài)電容為31 pF,靜態(tài)電容為22 nF,調(diào)阻電容為200 nF.代入換能器參數(shù)可計(jì)算得到并聯(lián)諧振點(diǎn)頻率約為25.09 kHz,諧振電感為0.18 mH.

2 鎖相控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

當(dāng)超聲振動(dòng)系統(tǒng)工作在諧振頻率點(diǎn)時(shí),匹配網(wǎng)絡(luò)端的電壓、電流為同相位.因此,本文采用鎖相控制技術(shù),利用鎖相環(huán)原理對(duì)相位差進(jìn)行控制,從而實(shí)現(xiàn)頻率的自動(dòng)跟蹤[7].

鎖相環(huán)的原理很簡(jiǎn)單,即將兩路輸入信號(hào)通過鑒相器比較兩者的相位,輸出一個(gè)代表相位差大小的電壓偏差信號(hào),此信號(hào)通過低通濾波加在壓控振蕩器上,調(diào)節(jié)振蕩器的頻率,使相位差減小直至為零,達(dá)到頻率自動(dòng)跟蹤的目的.而在鎖相控制中,相位檢測(cè)器設(shè)計(jì)的好壞能夠決定系統(tǒng)頻率自動(dòng)跟蹤的性能.本文設(shè)計(jì)的相位檢測(cè)器不僅可以檢測(cè)出電壓電流信號(hào)的相位差,而且以電壓的正負(fù)來表明信號(hào)超前還是滯后,其電路如圖8所示.

通過采樣匹配電端的電壓信號(hào)u和電流信號(hào)i,將兩路信號(hào)分別接兩個(gè)過零比較器,輸入u和i的信號(hào)值與零電位進(jìn)行比較,從而將兩路取樣信號(hào)變成邏輯高電平“1”及邏輯低電平“0”.在A和B兩點(diǎn)取邏輯信號(hào)異或后輸出一個(gè)脈沖信號(hào),此信號(hào)的寬度等于兩路取樣信號(hào)的相位差.脈沖信號(hào)經(jīng)過RC電路平滑濾波后,得到一幅值與相位差成正比的直流電壓.當(dāng)電壓與電流相位超前或滯后同一角度時(shí),在D點(diǎn)所得的電壓幅值相等.所以利用運(yùn)放電路的正反相輸入放大特性來使鑒相電路具有方向性,即可以判斷是超前還是滯后.

D觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)由電壓邏輯信號(hào)觸發(fā),當(dāng)電壓超前電流相位時(shí),A點(diǎn)為高電平,B點(diǎn)為低電平,此時(shí)D觸發(fā)器的輸出端(Q)將輸出邏輯低電平.此時(shí)開關(guān)三極管將截止,放大器A3起同相跟隨作用,即對(duì)D點(diǎn)的電壓幅值進(jìn)行同相放大.而當(dāng)電壓滯后電流相位時(shí),D觸發(fā)器將輸出邏輯高電平,開關(guān)三極管飽和導(dǎo)通,放大器A3同相端相當(dāng)于接地,構(gòu)成放大倍數(shù)為-1的反相放大器.

圖8 相位檢測(cè)電路

令θ=φu-φi(φu和φi分別為采樣電壓和電流信號(hào)的相位角),當(dāng)經(jīng)過相位檢測(cè)電路時(shí),輸出電壓為:

式中:β——放大器A3和A4及低通濾波器總的增益系數(shù);

UE——異或門邏輯高電平電壓值.

因此,可以根據(jù)輸出電壓的正負(fù)來判斷采樣電壓、電流信號(hào)相位的超前與滯后.

3 結(jié) 論

(1) 通過直接頻率合成技術(shù),利用AD9850芯片產(chǎn)生高穩(wěn)定性的方波作為開關(guān)管IGBT柵極的驅(qū)動(dòng)信號(hào),從而形成可靠穩(wěn)定的高頻交流電;

(2) 通過電感匹配使換能器工作在并聯(lián)諧振頻率點(diǎn)處,可使輸出功率自動(dòng)調(diào)節(jié),并采用鎖相控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)頻率的自動(dòng)跟蹤.

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(編輯 胡小萍)

Design of the Ultrasonic Power Supply System Based on DDS

LI Xialin, ZHU Wu

(SchoolofElectronicsandInformationEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

In improving the speed and precision of frequency tracking and eliminating the frequency mismatch of vibrating system of ultrasonic power supply,the traditional PWM special-purpose chip has a big frequency drift.Direct Digital Synthesizer technology (DDS) is used to produce the high frequency signal,and the high power ultrasonic electric generator with the high stability and accuracy is realized.Through the external inductance series matching of the ultrasonic transducer to enhance the power factor of vibrating system,then samples of the voltage and current signal of the electric matching end are taken,using the phase-locked loop control to realize the automatic frequency tracking.

ultrasonic power supply; DDS; inductance matching; frequency tracking; phase-locked loop control

10.3969/j.issn.1006-4729.2017.01.018

2016-03-16

李夏林(1991-),女,在讀碩士,河南焦作人.主要研究方向?yàn)槌曤娫?電能質(zhì)量檢測(cè).E-mail:273060904@qq.com.

TB552;TB559

A

1006-4729(2017)01-0081-05