超聲波用開關電源的設計畢業(yè)論文.doc

0目錄1引言.12設計方案.22.1方案對比選擇.22.2控制方式的選擇.23系統(tǒng)結構框圖.34DSP外圍器件的設計.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驅動模塊.84.3頻率跟蹤控制單元.94.4模擬鍵控制模塊.104.5保護電路.114.6顯示電路.124.7PWM產生單元.125軟件設計與分析.145.1主程序流程圖.145.2模擬控制鍵子程序.155.3A/D轉換子程序.166結束語.16謝辭.18參考文獻.19附圖整體電路圖.2011引言隨著科學的發(fā)展和技術的進步超聲波在超聲焊接、超聲清洗、干燥、霧化、導航、測距、育種等領域的應用日趨廣泛。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降低超聲波電源效率，而且會影響輸出精度和強度。如何使超聲波電源根據(jù)實際負載實時，動態(tài)調節(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際應用價值。超聲波在工業(yè)清洗中的應用是本文設計的重要背景。超聲波清洗屬物理清洗，把清洗液放入槽內，在槽內作用超聲波。由于超聲波與聲波一樣是一種疏密的振動波，在傳播過程中，介質的壓力作交替變化。在負壓區(qū)域，液體中產生撕裂的力，并形成真空的氣泡。當聲壓達到一定值時，氣泡迅速增長，在正壓區(qū)域氣泡由于受到壓力擠破滅、閉合。此時，液體間相互碰撞產生強大的沖擊波。雖然位移、速度都非常小，但加速度卻非常大，局部壓力可達幾千個大氣壓，這就是所謂的空化效應。眾所周知，要取得不同大小的顆粒，是把破碎料放在球磨機內研磨后，經過不同規(guī)格篩子層層篩分而得的。篩子長時間使用后，篩孔會被堵塞（如金剛石篩），用其它方法刷洗會破壞篩子，且效果不理想，經過眾多廠家的試驗后，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)應用，還有許多新的行業(yè)和領域都可以使用超聲波清洗，期待著廣大使用單位和生產廠家共同開發(fā)探索。目前,世界上許多國家在研究超聲波電源上主要是解決功率問題和功耗的問題，而我的論文主要是研究自動跟蹤、自動調整的問題。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，可以說各有各的優(yōu)勢，各有各的缺點。隨著科技的不斷進步，人們開始了在DSP上的研究，利用DSP作為控制器來控制PWM的脈沖寬度以達到控制頻率和功率的目的。利用DSP的控制器有很多優(yōu)點，一方面減少了元件的使用量且減少了故障的出現(xiàn)率；另外保護功能的實現(xiàn)主要在程序，為產品的后期開發(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節(jié)相結合的周期分段移相控制的設計過程。在本論文中詳細介紹了56F803型DSP的結構以及高頻逆變模塊和滯環(huán)采樣電路的應用；另外，本論文中對電路的一些保護功能如限流保護、過壓壓保護、短路保護都是通過DSP編寫程序實現(xiàn)的，這樣使電路簡單，成本較低并且效果優(yōu)秀。除此之外，還設計了系統(tǒng)的軟件流程，包括主程序流程設計和PWM產生子程序流程設計。22設計方案2.1方案對比選擇方案（1）：以單片機為中心。采用單片機智能控制系統(tǒng)的大功率超聲波電源，可實現(xiàn)電源頻率和輸出電壓的人工設定。單片機模擬輸出的HPWM（混合脈寬調制信號）可簡化硬件電路，大大提高系統(tǒng)的功率因數(shù)和效率；同時運用了HPWM控制方式與ZVS（零電壓開關）諧振軟開關技術，降低了開關管的損耗，抑制了高次諧波，減小了換能器的損耗。實驗表明，所提出的電源性能優(yōu)良，調節(jié)方便，可靠性高。方案（2）：以DSP為中心。DSP(DigitalSignnalProcessing)即數(shù)字信號處理,隨著信號和微電子技術的進一步得到了越來越廣泛的應用。其運算精度和動態(tài)范圍都比單片機有著很大的優(yōu)勢，并且其在功耗上也大大降低，在工業(yè)中得到了更好的應用。DSP多處理器的內部結構特別適合FIR和IIR濾波器，有著很高的運行速度，可以實現(xiàn)現(xiàn)在工業(yè)規(guī)格的要求。經過以上兩種方案的分析比較，考慮到頻率和電壓可調的目標以及功耗、簡易性的要求，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，具有欠壓保護和外部封鎖功能，能方便地實現(xiàn)過壓、過流保護，能輸出兩路波形一致、相位差為180的PWM信號。方案（2）：采用通用的AT89S51單片機作為控制器，單片機通過模擬的PWM，經處理后通過功率放大器驅動電機。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置2KBSRAM，315KBFLASH，同時，其40MHz的CPU時鐘頻率比其他單片機具有更強的處理能力。6路PWM信號可以實現(xiàn)高頻逆變電路開關管MOSFET的移相控制。12位AD轉換器采集可以實現(xiàn)電壓和電流采樣并滿足采樣數(shù)據(jù)精度的要求。利用56F803型DSP中定時器的捕獲功能可以精確計算相位差大小，實現(xiàn)系統(tǒng)的頻率跟蹤控制。串行外設接口SPI與MCl4489配合使用可以實現(xiàn)對5位半數(shù)碼管的控制從而實現(xiàn)系統(tǒng)頻率和功率的顯示。另外，56F803還支持C語言與匯編語言混合編程的SDK軟件開發(fā)包可以實現(xiàn)在線調試經過討論和老師的指導，我們采用了方案（3）作為我的設計。采用方案（1）能夠滿足基本要求，但是這種方案可控性不好、功能單一，每擴展一種功能就要增加相應的硬件電路，使控制器成本增加很多；采用方案（2）能滿足設計基3本要求，而且價格便宜，購買方便，但是現(xiàn)場編譯不太方便；而方案（3）集中了前兩種方案中的優(yōu)點，還彌補了它們存在的缺陷；而且處理速度快，運行穩(wěn)定可靠，符合工業(yè)清洗和除塵的嚴格要求。自動控制復雜，換能器需要一定的邏輯輸出才能可靠運行。而這類DSP都有豐富的片上資源，比較強大的處理能力，一般都不需要外擴其他器件就可以構成一個完整的系統(tǒng)。片上系統(tǒng)的優(yōu)點在于減小了布線的麻煩，提高了系統(tǒng)的整體性能。2.3PWM調制方式脈寬調制（PWM）控制方式就是對逆變電路開關器件的通斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形。也就是在輸出波形的半個周期中產生多個脈沖，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)則對各脈沖的寬度進行調制，即可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。在一個周期內，每個功率開關器件導通120度電角度，每隔60度有兩個開關器件切換。因此，PWM調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。前四種方式又稱為半橋臂調制方式，即在任意一個60度區(qū)間，只有上橋臂或下橋臂開關進行斬波調制。其中，方式(1)和(2)為雙管調制方式，即在調制過程中上橋臂和下橋臂的功率開關都參與斬波調制。方式(3)和(4)又稱為單管調制方式，即在調制過程中只有上橋臂或下橋臂的功率開關參與斬波調制。方式(5)又稱為全橋調制方式，即在任意一個60度區(qū)間內，上、下橋臂的功率開關同時進行斬波調制。在全橋調制方式中，功率開關的動態(tài)功耗是半橋調制方式中的兩倍。與半橋調制方式相比，全橋調制方式降低了系統(tǒng)效率，給散熱帶來困難。因此，考慮到功率開關的動態(tài)功耗，在PWM調制方式上應選擇半橋調制方式。同時，在半橋調制方式中，雙管調制方式不增加功率開關的動態(tài)損耗，并解決了由單管調制所造成的功率開關散熱不均，提高了系統(tǒng)的可靠性，但是