摘要针对大功率超声波电源高精度、高功率输出的.PDF

基于 56F803 型 DSP 的大功率超声波电源的研究 摘 要：针对大功率超声波电源高精度、高功率输出的特点．对超声波电源控制策略进行了 改进。提出一种基于 56F803 型 DSP 的频率跟踪与功率调节相结合的周期分段移相控制策 略．研究了基于此控制方法的超声波电源。 关键词：超声波电源；频率跟踪与功率协调控制；超声波发生器；数字信号处理器；56F803 1 引言 随着科学的发展和技术的进步．超声波在超声焊接、超声清洗、干燥、雾化、导航、测距、 育种等领域的应用日趋广泛。现在的大功率超声波电源大都采用频率跟踪控制或功率控制。 这种单一控制方法不仅会降低超声波电源效率，而且会影响输出精度和强度。如何使超声波 电源根据实际负载实时，动态调节输出谐振频率和功率，从而保证超声波加工等操作的要求 具有重要的理论研究和实际应用价值。 2 超声波电源系统的组成 超声波电源系统主要由 220V 电源、整流滤波、高频逆变单元、匹配网络、检测电路、PWM 产生电路和驱动电路组成，如图 1 所示。 220V 单相交流电经过二极管不可控整流电路得到直流电压，然后经过由 MOSFET 组成的 高频逆变电路得到满足换能器要求的高频电压。为减少高频工作条件下 MOSFET 的开关损 耗，高频逆变电路采用带辅助网络的全桥结构，如图 2 所示。此电路结构解决了传统零电 压开关(ZVS)PWM 电路变压器漏感小且滞后桥臂难于实现ZVS 的问题。同时，根据电流增 强原理，此电路结构可在任意负载和输入电压范围内实现零电压开关，大大减少了占空比丢 失。超声波电源与换能器匹配的好坏将决定整个电路的控制效果。因此，应该对匹配网络每 个参量(高频变压器匝比 K，输出匹配电感 Lf)进行严格的计算。匹配主要指为使发生器输出 额定电功率，进行阻抗变换匹配。以及为使发生器输出最高效率进行调谐匹配。 采用 56F803 型 DSP 作为控制电路的核心处理器．它内置 2 KB SRAM，31．5 KB FLASH， 同时，其40 MHz 的 CPU 时钟频率比其他单片机具有更强的处理能力。6 路 PWM 信号可 以实现高频逆变电路开关管 MOSFET 的移相控制。12 位 A ／D 转换器采集可以实现电压和 电流采样并满足采样数据精度的要求。利用56F803 型 DSP 中定时器的捕获功能可以精确 计算相位差大小，实现系统的频率跟踪控制。串行外设接口 SPI 与 MCl4489 配合使用可以 实现对 5 位半数码管的控制．从而实现系统频率和功率的显示。另外，56F803 还支持 C 语 言与汇编语言混合编程的 SDK 软件开发包．可以实现在线调试。 驱动电路采用 IR21lO 型驱动模块．它具有集成度高，响应速度快(tar/taff=120 ns ／94 ns ）， 偏值电压高(600 V),驱动能力强，成本低和易于调试等优点。IR2110 是基于自举驱动原理 的功率 MOSFET 驱动电路．驱动信号延时为纳秒级，开关频率可以从数十赫兹到数百千赫 兹。同时,IR2110 还具有比较完善的保护功能(如欠压检测、抗干扰、外部保护闭锁等)。一 个 IR2110 可以同时驱动单桥臂的上下二个 MOSFET, 因此,使用少量分立元件和一路控制 电源就可以实现一个桥臂 MOSFET 的驱动控制，这样大大减小了驱动电路的体积和成本。 3 系统的控制策略 超声波电源系统采用频率跟踪和功率调节相结合的控制策略，从而使发生器在输出最大功率 时可达到最高效率。此种控制策略主要通过控制PWM 的周期(也就是控制开关频率)和 PWM 控制波形的移相角来实现。 3．1 频率跟踪控制的实现 采用锁相法实现频率跟踪控制。使用 KT20A/P 型电流传感器和 KV20A ／P 型电压传感器 分别检测换能器二端的电压和电流，经过滞环控制得到电压和电流的方波信号，如图 3 所 示。该滞环的回差为 lV。然后，对二路方波信号经过异或门和 D 触发器得到相位差波形和 相位差符号。相位差波形送入 DSP 的捕获口,计算出相位差大小 T，相位差符号送入 GPIOA7 口．获得符号标志量flag 。当T≠O，flag=o 时，表示电压超前电流。此时，应该减小开关管 的频率 f ；当T≠O，flag=l 时，表示电压滞后电流，此时，应该增加开关管的频率f,然后把 频率量转化成时间量附给 DSP 模值寄存器,从而改变输出 PWM 信号的周期。 3．2 功率控制的实现 为了使高频逆变电路的输出功率满足换能器所需要的额定功率，要采用功率控制电路，即采 集直流侧的电流信号与