单片机控制的频率跟踪超声波电源的研究-材料加工工程专业论文.docx

南昌航空 南昌航空大学硕士学位论文 目录 TTT TTT 目 录 第 1 章 绪论 1 1.1 研究背景和意义1 1.2 超声清洗原理及其特点2 1.3 超声波电源控制技术的国内外研究现状4 1.3.1 超声波电源控制技术的分类 4 1.3.2 频率自动跟踪的方法 6 1.3.3 国外研究现状 8 1.3.4 国内研究现状 9 1.4 主要研究内容 11 1.5 本章小结12 第 2 章 超声波发生器硬件系统的设计 13 2.1 超声波电源系统组成13 2.2 主电路系统的设计14 2.2.1 整流滤波单元 14 输入滤波电容设计15 整流滤波电路的仿真15 2.2.2 逆变单元 16 功率管参数设计与选型19 逆变电路的仿真20 2.2.3 高频变压器单元 23 2.2.4 超声换能器单元 25 超声波换能器的阻抗匹配25 匹配系统参数设计26 匹配系统的仿真28 2.3 本章小结29 第 3 章 超声波电源控制系统软件设计 30 3.1 超声波电源频率控制方案分析30 3.2 主程序流程图设计30 3.3 A/D 采样程序设计 31 3.4 PTD 控制程序设计 32 3.5 本章小结35 第 4 章 控制系统设计及仿真 36 4.1 控制系统的设计36 4.1.1 控制芯片的选择及介绍 36 TV TV HYPERLINK \l _TOC_250001 4.1.2 PTC 单片机的时钟模块及复位电路 37 4.1.3 采样电路的实现 37 4.1.4 电流电压相位比较的实现 38 HYPERLINK \l _TOC_250000 LCD 显示 38 4.1.6 栅极驱动电路的设计 39 4.1.7 保护电路 40 4.2 控制系统的仿真41 4.2.1 死区时间形成电路仿真及分析 42 4.2.2 PTD 参数设置对频率跟踪的影响 44 4.2.3 频率自动跟踪控制仿真及分析 46 4.3 本章小结50 第 5 章 结论 51 参考文献 52 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文 55 致 谢 56 附 录 57 南昌航空 南昌航空大学硕士学位论文 第 1 章 绪论 PAGE PAGE 1 第 1 章 绪论 1.1 研究背景和意义 超声工程是近年迅速发展起来的一种科学技术，由于其应用广泛，受到了各 个领域的研究人员的重视。功率超声是超声工程的一个重要分支。功率超声技术 主要是通过振动的方式产生具有高频率的超声波，超声能量在媒质中的传播并与 物质产生相互作用和变化。在实际的生活应用中，功率超声对产品质量的提升、 成本的降低、生产效率的提高、环境保护等多方面都具有很大的潜在开发价值。 所研究的超声清洗电源技术则隶属于功率超声，因其节省人力、清洁度高及清洗 效果好等优点，在工业生产、医疗、环保、农业、能源、航空航天等许多领域中 起到非常重要的作用。为了提高超声清洗效率，解决清洗中出现的各种问题，超 声清洗电源频率自动跟踪控制技术的深入研究与完善将成为众多科研工作者的目 标[1-3]。 虽然超声波电源技术在国内已发展了数十年的时间，但技术上还是存在诸多 问题，例如电源体积大、成本高、电能转换率低、频率跟踪技术不完善等等，其 中频率跟踪技术是决定超声清洗电源能否高效稳定工作的关键所在。因为负载的 不断变化，使得超声波换能器不能迅速且稳定的工作在有效频率范围之内，即达 不到高效清洗的目的；就算超声波换能器能稳定而有效的工作，但随着周围环境 的变化、自身磨损、老化、发热等种种因素使得超声波换能器的参数发生变化， 从而导致超声波换能器的谐振频率发生漂移。此时，超声波电源的工作频率若不 及时调整，超声清洗电源将无法工作在谐振状态，导致失谐、振动停止、清洗效 率大大降低等等。所以，在超声清洗电源工作中，频率跟踪技术是必不可少的。 虽然现在频率跟踪的方法多种多样，但是都有各自的局限性。所以对于频率跟踪 技术的深入研究与完善是有必要的。 随着现代社会的迅速发展，自动化、数字化已经成为了现代工业的主流发展 趋势，超声波电源控制系统也逐渐向这一方向发展。通过采用数字化控制技术， 可以使超声波电源具有数据传输、参数的数字化处理、频率自动跟踪及调节控制 等功能。虽然目前与国外相比，国内对超声波电源的研究有着一定的差距，但随 电力电子器件的不断发展，超声波电源也将得到更广阔的发展空间。由于超声波 电源在各行各业中都有着不同程度的应用且具有开发应用潜力，所以对超声波电 源控制系