基于BUCK电路的大功率超声控制系统设计

摘要

超声驱动技术是将市电输入转换为超声频率的电源信号输出，通过超声电源信号驱动换能器产生超声频的物理振动。超声技术应用范围较广，拥有超声切削、超声萃取、超声焊接等分支。超声塑料焊接相比于其他传统焊接方式有着显著的优势，关于超声驱动技术的研究外被越来越多的国内外学校和科研机构所重视。超声驱动器决定着整个超声塑料焊接系统的性能。目前，超声塑料焊接电源在应用中还存在一些不足。例如，在超声塑料焊接中低功率超声电源会存在焊接效率低，焊接质量差等问题。在实际应用中，由于系统本身和工作环境的参数变化，换能器的谐振频率和输出功率会不断改变。此时要保证输出功率的相对稳定，从而确保超声焊接电源的工作效果。为了适应不同材料，不同精度的超声焊接需要，超声电源需要具有输出功率可调可控的功能。
　　本研究使用BUCK电路来实现输出功率在大范围内的连续可调；使用全桥逆变电路将直流电源转换为超声频方波电源，全桥电路同时作为扫频锁频和频率跟踪的硬件基础；使用串联匹配电路对换能器进行匹配，以获得最佳输出性能。在Multisim仿真平台下搭建了大功率超声电源仿真电路，通过仿真分析验证了整体电路的设计和各个模块的功能。分析了应用于BUCK电路的输出调节算法，分别对比了传统PID算法，传统滑模变结构算法和Super-Twisting算法。根据在Matlab-Simulink平台做的仿真分析，选择了具有强鲁棒性的Super-Twisting算法。最后制作了输出功率可达2000W的超声电源实验平台，实验测试证明基于BUCK电路的超声功率驱动器能够实现对换能器的稳定高效驱动。使用BUCK电路调节电源输出功率，使用移相全桥电路输出理想频率的驱动信号，实现了高于2kW的超声功率输出，优化了电路的功率调节能力。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题研究背景及研究意义

1.2 超声驱动器国内外研究现状

1.3 本课题主要研究内容

第2章 超声电源系统的硬件设计

2.1基于BUCK电路大功率超声电源总体设计

2.2 电路中核心器件选型

2.3 BUCK电路仿真分析和搭建

2.4 本章小结

第三章 系统功率电路的仿真分析

3.1仿真平台搭建

3.2全桥电路及未匹配参数输出仿真

3.3匹配参数电路输出仿真

3.4本章小结

第4章 BUCK电路功率调节算法分析

4.1 基于传统PID算法的BUCK电路功率调节

4.2 基于滑模变结构算法的BUCK电路功率调节

4.3本章小结

第5章 实验结果及分析

5.1 实验平台搭建

5.2功率信号实验

5.3 输出功率实验

5.4 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢