超声波除垢器驱动电源研究

摘要

超声波防垢除垢主要是依赖于空化效应的物理作用而非化学反应，这就使得以纯水进行防垢除垢成为了可能，这不仅能有效降低成本，而且在环保领域也有非常重要的意义。超声清洗的显著特征是质量高，速度快，能够清洗到普通清洗方式所清洗不到的地方，且易于实现自动化。
　　 传统超声波电源是自激式，整个电路简单，但施加在开关管基极的反馈量不稳定，即开关频率变化较大，同时输出的纹波也较大，本文研究的是他激式超声波电源，它相比自激式电压损耗要小，输出功率较大，易于调节，抗干扰能力强，输出波形也要相对好一些。本文设计的超声波电源具有频率跟踪，恒功率控制两大功能。本文研究内容主要分为以下几部分:
　　 超声波电源硬件部分主要分为三块，一块是主电路部分，反馈控制回路，以及匹配电路。主电路部分主要通过将220V的市电经过整流滤波电路变成直流，再经过BUCK斩波电路进行调功，通过逆变电路变成交流电输送到负载，压电换能器呈容性状态，因此在接负载前需添加匹配电路来使整个超声波电源与负载进行谐振，达到效率最大化。通过闭环系统来使整个系统达到稳定状态，因此电路中设有反馈控制回路。首先将采样电流通过信号调理电路进行滤波和真有效值转换，得到的信号输入到单片机中进行处理，采用最大电流值法来确定谐振频率，具体通过扫频方式来实现。单片机输出控制信号给信号发生器使其产生PFM波控制逆变电路的开关管频率达到变频效果;通过保持负载电流恒定，来使得输出功率恒定，单片机输出控制信号给信号发生器使其产生PWM来驱动BUCK电路，实现功率的恒定。匹配电路在传统的串联电感的情况下进行改进，串联一个电容来进行高通滤波，这样得到的波形更加完善。
　　 软件部分主要采样信号进行频率计算，电流读取，显示，频率跟踪以及功率控制。频率计算通过计数法来实现，电流读取是读取AD637的真有效值信号。显示部分利用LCD1602进行采样频率与采样电流的显示。通过比较采样频率与谐振频率，采样电流与目标电流来输出控制信号控制主电路。
　　 仿真部分利用Matlab进行硬件电路仿真，通过调节各相关元器件参数来使各个单元模块输出所需波形，最后在负载端得到电压为500V，电流为4A的正弦波，符合设计要求。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 超声波以及超声波除垢器清洗原理

1．2 超声波电源发展概况

1．3 课题主要研究意义及主要研究内容

第2章 超声波电源主电路设计

2．1 超声波电源原理

2．2 整流滤波电路设计

2．2．1 整流电路选择以及各元件参数选定

2．2．2 滤波电路设计以及各元件参数选定

2．3 直流斩波电路设计

2．3．1 直流斩波电路工作原理

2．3．2 相关元器件选择

2．4 逆变电路设计

2．4．1 逆变电路选取

2．4．2 逆变电路元器件选取

2．5 高频变压器

2．6 本章小结

第3章 匹配网络设计

3．1 匹配作用

3．2 换能器特性

3．3 匹配原理及方法

3．4 匹配电路参数选取

3．5 本章小结

第4章 反馈回路设计

4．1 自激式与他激式比较

4．2 采样电路选择

4．3 信号调理电路

4．3．1 滤波电路

4．3．2 电压跟随器

4．3．3 真有效值转换电路

4．3．4 频率采集电路

4．4 频率跟踪方案比较及确定

4．4．1 方案一：相位检测法

4．4．2 方案二：扫频法检测电流最大值

4．4．3 频率跟踪方案确定

4．4．4 AD9834

4．5 功率调节方案及设计

4．6 单片机处理电路

4．6．1 ATMEGA16

4．6．2 实时频率的计算处理

4．6．2 频率跟踪的实现

4．6．3 功率调节

4．6．4 LCD显示

4．7 驱动电路

4．8 保护电路

4．8．1 过流过压保护

4．8．2 过温保护

4．9 本章小结

第5章 实验结果分析

5．1 实验调试以及结果分析

5．2 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢