智能化大功率超声波发生器的研究

摘要

超声波的应用可以分为两大类,一类是用比较弱的超声来采集需要的信息,另一类则是用较强的超声的能量改变材料的状态或性能,称之为功率超声。目前,功率超声已经在国民经济的各个部门发挥了重要的作用,超声清洗技术就是功率超声的一个应用,其发展日新月异。超声波清洗机主要有超声波发生器、超声波换能器和清洗槽三部分组成,超声波发生器的作用是将工频的交流电信号转换为超声频的电信号,用于激励后级的换能器。
　　本文以超声波发生器为研究对象,展开对超声波发生器的主电路系统各参数及频率自动跟踪系统的研究,对提高系统频率自动跟踪精度、性能可靠性很有必要,主要工作内容如下:1.介绍了超声波的基本概念、分类及应用和超声波发生器的国内外研究现状与它的发展过程,并在此基础上引出研究对象:智能大功率超声波发生器。简介了超声波清洗的工作原理。2.主电路系统的研究,主要包括输入整流滤波电路、BUCK直流斩波器、全桥逆变电路、高频变压器等的研究与设计,它们是控制电路的重要组成部分。分别从理论上计算了各电路的参数,并用Matlab软件中的Simulink工具箱对电路进行仿真分析,对各参数进行修正。3.阐述了超声振动系统的工作原理,通过分析超声波换能器的阻抗特性,介绍了几种阻抗匹配方式的特点,设计了匹配电路。4.设计了超声波发生器的控制系统。主要包括脉宽调制电路、脉频调制电路、电压电流采样电路等硬件电路的设计以及频率跟踪和功率调节系统的软件设计。5.设计了超声波发生器的人机接口,为用户提供工作状态指示,支持两类控制系统的给定值键盘输入,并设计了定时系统。此外,从硬件和软件两个方面分别采取了抗干扰的措施,以保证系统可靠的运行。

目录

摘要

ABSTRACT

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第1章 绪论

1.1 课题的研究背景

1.2 超声波发生器的研究状况

1.2.1 国外研究状况

1.2.2 国内研究状况

1.3 课题的研究意义

1.4 超声波发生器的发展及趋势

1.4.1 超声波发生器的发展

1.4.2 超声波发生器的趋势

第2章 超声波清洗的原理

2.1 超声波清洗的原理

2.2 超声波清洗力的来源

2.3 超声波清洗的工艺要求

2.4 超声波清洗的优点

第3章 超声波发生器主电路与相关电路的设计

3.1 整流滤波电路的设计

3.1.1 整流滤波电路的原理

3.1.2 滤波电容的选择

3.1.3 滤波电感的选择

3.1.4 整流二极管的选择

3.2 BUCK直流斩波器的建立

3.2.1 斩波器的工作原理

3.2.2 BUCK电路的建模、仿真与分析

3.3 逆变器的设计

3.3.1 逆变器型式的选择

3.3.2 逆变器开关元件的选择

3.3.3 IGBT参数的计算

3.3.4 IGBT的特性及驱动要求

3.3.5 IGBT驱动电路

3.4 变压器的设计

3.4.1 磁芯材料的选择

3.4.2 磁芯结构的选择

3.4.3 磁芯尺寸的计算

3.4.4 绕组匝数的计算

3.4.5 变压器损耗分析

第4章 超声换能器及阻抗匹配

4.1.超声波振动系统的原理

4.2.阻抗匹配

第5章 超声波发生器的控制系统研究

5.1 控制方案现状与选择

5.2 控制系统的工作原理

5.3 控制系统的硬件设计

5.3.1 单片机最小系统

5.3.2 脉频调制电路

5.3.3 脉宽调制电路

5.3.4 电压、电流采样电路

5.4 控制系统的软件设计

5.4.1 频率跟踪系统的软件设计

5.4.2 比功率恒定系统的软件设计

第6章 人机接口

6.1 发生器的人机接口

6.1.1 键盘的设计

6.1.2 显示器的设计

6.2 单片机测试系统抗干扰设计

第7章 总结与展望

7.1 工作总结

7.2 展望

参考文献

致谢

附录:作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文