超声电源的研制

1超声电源的研制本文采用移相脉宽控制(PSPWM)方式通过改变全桥逆变器桥臂脉冲的移相角来调节输出功率,逆变器承担着逆变和调功两种功能,并采用软开关技术,使功率开关器件工作在零电压开通和关断状态,开关损耗小,可以实现输出功率的调节。硬开关PWM可以应用于超声电源,但其开关损耗大、效率低、EMI大,高频时不能实现调功;对PFM方式而言,因负载系统为超声换能器,其谐振频率范围较窄,不能用来实现调功;PDM、PSM属于有级调功,输出的正弦波幅值不是恒定的,不利于负载换能器的稳定工作,因此PDM、PSM方式不能用来实现调功。超声电源主电路采用全桥逆变拓扑结构,如图2所示,Z1—Z4为主开关管IGBT,D1—D4为Z1—Z4内部反并联寄生二极管,C1—C4为外接并联的电容或者功率管的寄生电容,T为高频脉冲变压器,L0为串联调谐匹配电感,PZT为超声换能器。选取的超声换能器型号是中国科学院上海声学实验室的DH-6160F-15S-3,其谐振频率为25kHz,谐振阻抗为15Ω,静态电容为27000pF,通过计算,匹配电感为0.75mH。电路输入直流电压E=120V,根据PSPWM控制策略,实际应用中可以采用移相控制专用芯片UC3875组成控制系统,它能产生4路PWM波形控制全桥逆变器的4个功率开关管。芯片设有死区时间保证同一桥臂上下两管不能直通,同时相移角可调,实现输出功率调节。2（2）采用DSP控制DSP（DigitalSignalProcessing,数字信号处理）是近年来迅速崛起的新一代可编程处理器当前在超声换能器的应用中，主要选用压电陶瓷换能器。传统的超声波换能器大多采用压控振荡和锁相环来实现超声波发生，此类设备只能进行窄频域调节，精度低，更不能实时控制。波形发生模块采用DDS芯片，通过控制系统调节，可实时发生精度为1Hz的50MHz以下任意频率。要想驱动换能器正常工作，DDS输出的超声波必须经过功放模块放大之后才能驱动换能器正常工作，所以功放模块必不可少。反馈模块的设计采用相位监测和有效值监测实时分析换能器工作状态调整频率和功率，使换能器处于最佳工作状态。本设计的微处理器选用采用了ARM920t内核的微处理器S3C2440A三星公司推出的16/32位RISC微处理器S3C2440A,为手持设备和一般类型应用提供了低价格、低功耗、高性能小型微控制器的解决方案。当主频400MHz时工作电压为1.3V。这些特性不仅是现阶段开发数字超声波发生器的基础，而且选用S3C2440处理器，基于这款芯片的系统特点：内部集成LCD控制器(STN&TFT)、路异步串行通信接口、内置看门狗定时电路及实时时钟(RTC)、对嵌入式Linux良好的支持等，将为以后进一步开发手持功能，发展成便携式智能超声波发生仪奠定基础。3.1电源模块设计供电电源采用AC-DC模块开关电源AJC-15D,该电源可以直接安装到PCB板并且效率高、噪声低，理论上可以提供±15V的直流电压，实测最大能提供±14.8V的直流电压，最大输出电流1.3A。1.2.1超声清洗的原理超声波主要具有机械效应（如传声媒质的质点位移、速度、加速度、声压等力学量）、热效应（声波在传播过程中其部分能量被媒质吸收变成热能）和空化效应。其中空化效应是声化学应用的理论基础，也最为重要。超声清洗，是指在清洗工件的液体中加上超声波，使液体产生空化效应以用来清洗工件的一种技术。空化效应由成核、微气泡增长、空腔塌陷三步组成。在反应体系中，液体中存在张力弱区，即液体内溶有气体或在尘埃的液固界面上存在气体。超声波在清洗液中疏密相间地向前辐射，使液体流动而产生数以万计的微气泡（空化核），这些微气泡被周围的液体蒸汽或气体充满。微气泡在声3场的作用下振动，当声压达到一定值时，微气泡在受到负压时迅速增长产生气泡，气泡在受到正压时由于内外压力悬殊使空腔塌陷、破裂，即气泡被压碎，从而把集中的声场能量在极短的时间和极小的空间内释放出来，使液体介质局部形成几百到几千K的高温，并在周围产生高达数百至数千个大气压的高压环境，同时产生很大的冲击力，虽然位移、速度都非常小，但加速度却非常大，起到激烈搅拌的作用，这就是空化效应。空化效应非常容易在固体与液体的交界处产生，从而破坏了不溶性污物而使它们分散于清洗液中，当固体粒子被油污裹着而粘附在清洗件表面时，油被乳化，固体粒子即脱离，从而达到清洗件表面净化的目的。而在激烈搅拌的同时还生成大量微气泡，它们又作为新的空化核，使上述过程不断地在进行。由于空化核数量极多且无处不在，因此对浸入液体中的工件的清洗可以非常彻底，具有超乎寻常的清洗作用。由于超声波具有很强的穿透固体的作用，即使是形状复杂的工件内部，只要能够接触到溶液，就可以得到彻底的清洗，因此，对浸入液体中的工件的内外表面如管件等均可以清洗得十分彻底。这是超声波优于其它清洗手段的重要原因。又因为每个气泡的体积非常微小，因此，虽然它们的破裂能量很高，但对于工件和液体来说，不会产生机械破坏和明显的温升。当然并不是液体中所有的空化核都能产生空化效应。只有当外加的超声波频率与空化核的固有频率相同时，空化效应才能发生。同时也受到其它一些因素的影响，如声波的强度、液体介质的温度以及介质的蒸汽压等等。因此，归纳起来，影响清洗效果的因素主要有如下几个：1、与频率有关：诱导产生空化效应的超声波频率以20kHz～80kHz最为适当。过高的频率不易产生空化效应，即使产生也需要大量的能量，而且其中大部分能量被转化为热能，使介质温度明显提高，且频率越高，空化效果越差，但噪音相对较低，适用于微孔、盲孔较多的物体及电子晶体等；一般频率越低空化效果越明显，但噪音相对较高，适用于表面相对平正的物体。2、与声强有关：根据频率不同，声强一般选在1～2W/cm2左右。低强度超声波的应用不会引起介质的任何状态变化，只有高强度超声波的应用才可能对介质有强烈的影响，引发空化效应。3、与温度有关：一般30℃～50℃的介质温度清洗效果最好。4、与清洗液有关：一般来说，清洗液的粘度越低，含气量越高，清洗效果越好。5、与清洗液的深度及被清洗物体的位置有关。数字信号处理器（DSP）是近年来迅速崛起的新一代可编程处理器，与单片机相比，DSP具有工作频率更高的CPU，更大的存储器容量。在超声波电源中，DSP可以完成除功率变换以外的所有功能，如PWM信号的输出、电路参数的显示、系统的实时监控及保护等等。TMS320LF2407是TI公司推出的一种用于自动控制的DSP芯片。它内部集成了许多外围设备，功能十分强大。基于DSP的大功率超声电源具有以下特点:(1)采用高性能DSP芯片TMS320F2812作为控制核心器件,利用其强大、快速的数据处理能力,丰富的事件管理器资源,实时调节电源的输出频率和功率,使电源能够稳定高效的工作。(2)采用集成化的DDS芯片AD9833作为频率信号发生器,提高了超声换能器谐振频率跟踪的精度,可达到1Hz。(3)采用PWM技术实现系统的振幅控制,能够使其振幅输出稳定并易于调整。(4)功率开关器件选用绝缘栅双极晶体管IGBT,能够实现大功率输出。大部分DSP芯片内还集成有采样/保持和A/D转换电路，并提供PWM信号输出。与单片机相比，DSP的优势表现在数据处理能力强、运算速度高，实时性好、指令周期短（大部分指令为单周期指令）、PWM分辨率高，采样周期短。因此，适合于高精度，高频率的控制场合。4FPGA作为专用集成电路（application-specificintegratedcircuit，ASIC）领域中的一种半定制电路，既克服了定制电路硬件电路不可更改的不足，同时又克服了原有可编程器件（PAL、GAL、EPLD等）门电路数量有限的缺点。由于它内部电路的逻辑功能可以通过硬件描述语言自行设置，且集成度非常高，因此，一块FPGA芯片往往可以替代多块集成逻辑芯片[5]，在纯数字领域具有非常大的发展前途，但是在电源系统中，由于需要实时采样电源的工作电压电流，A\D转换是必须的，而FPGA很难在其内部生成高精度AD电路，除此之外，用FPGA实现复杂的电源电路控制算法也比较困难。为了降低芯片功耗，TMS320F2812芯片采用低电压供电，并采用内核电压和I/O口电压相互分开的供电方式。本次设计的辅助电源可提供+5V的直流电源，因此，可使用一片低压降的电压调节器TPS767D318作为5V/3.3V和5V/1.8V的转换芯片，从而为DSP芯片提供3.3V的I/O口电压和1.8V的内核电压，DSP能完成超声信号源中除了功率变换外的其他所有功能，如控制电路，保护电路，信号监测电路等。虽然DSP有很多优点，但是应用在超声信号源中还是存在一些不足之处的。如采样频率、PWM信号的精度等问题。FPGA基本可以实现目前所有的数字器件，大到CPU，小到简单的74电路。用FPGA开发数字电路，可以大大的缩短设计周期，提高系统的稳定性。同时FPGA还具有速度快和灵活性强等优点。5Cyclone/CycloneII系列器件是Altera公司的一款低成本、高性价比的FPGA，本文利用高速TMS320LF2407A型DSP控制芯片设计了系统的控制电路,声化学常用的声波的频率为15kHz～10MHz。超声波清洗一般采用的频率范围是20～40kHz。(2)设计了以DDS技术和嵌入式系统为核心的超声电源，其信号发生器能产生宽频带(0~9MHz)、稳定的电信号。选用基于LPC2104的嵌入式系统为控制单元。AD9833输出的信号很小，电压值一般为38～650mV。因此需经功率放大器进行功率放大后才能驱动换能器。频率合成器采用了直接数字频率合成技术，所选用的芯片为ADI公司的AD9833。频率合成器在本超声电源中负责输出15Hkz～9MHz的正弦波信号。五、模数转换模拟的电压信号不能被微处理器直接读取，需将其转换为数字信号，所选用的芯片为MAX187。因此课题选择了微处理器LPC2104。LPC2104是Philips公司生产的ARM7TDMI核的嵌入式微处理器，具有多种串行通信接口，多达9个外部中断、CPU的操作频率最大可达60MHz。它的各项性能指标都胜于普通单片机，能够满足课题的需要。LPC2104往AD9833写入频率字以产生相应频率的正弦波信号。并可实现人机交互及与上位机进行通信。6课题选用ADI公司生产的频率合成器AD9833。AD9833是一款完整的、低功耗的、可编程的波形产生器，可产生正弦波、三角波及方波。其输出频率和相位可通过软件编程方便调整，时钟频率为25MHz时，输出频率的精度可达0.1Hz。4.1.2常用DDS芯片及选型AD公司作为全世界高性能信号处理集成电路领先制造商，提供了众多DDS集成芯片，目前已经成为主流DDS芯片市场的最大制造商和供应商。AD公司的DDS产品主要分为三大系列：AD983X系列、AD985X系列和AD995X系列。电路的控制芯片采用TI公司的TMS320F2812进行控制，并行模式控制AD9852的波形产生，频率更新采用外部更新和外部复位，时钟采用16MHz的有源晶振输入，J1和J2连接到DSP7的输入输出口A和B。液体中要求有一个最低的作用于液体的声压幅值才能形成声空化。这个最低声压幅值即称空化阀。例如在15kHz时要求产生的空化的声强只需0.16～2.6w/cm2，而在500kHz时，所需的声强为100～400w/cm2。