动态匹配换能器的超声波电源控制策略

摘要

超声波电源广泛应用于超声波加工、诊断、清洗等领域，其负载超声波换能器是一种将超音频的电能转变为机械振动的器件。由于超声换能器是一种容性负载，因此换能器与发生器之间需要进行阻抗匹配才能工作在最佳状态。串联匹配能够有效滤除开关型电源输出方波存在的高次谐波成分，因此应用较为广泛。但是环境温度或元件老化等原因会导致换能器的谐振频率发生漂移，使谐振系统失谐。传统的解决办法就是频率跟踪，但是频率跟踪只能保证系统整体电压电流同频同相，由于工作频率改变了而匹配电感不变，此时换能器内部动态支路工作在非谐振状态，导致换能器功率损耗和发热，致使输出能量大幅度下降甚至停振，在实际应用中受到限制。所以，在跟踪谐振点调节逆变器开关频率的同时应改变匹配电感才能使谐振系统工作在最高效能状态。针对按固定谐振点匹配超声波换能器电感参数存在的缺点，本文应用耦合振荡法对换能器的匹配电感和耦合频率之间的关系建立数学模型，证实了匹配电感随谐振频率变化的规律。给出利用这一模型与耦合工作频率之间的关系动态选择换能器匹配电感的方法。经过分析比较，选择了基于磁通控制原理的可控电抗器作为匹配电感，通过改变电抗控制度调节电抗值。并给出了实现这一方案的电路原理和控制方法。最后本文以DSP TMS320F2812为核心设计出实现这一原理的超声波逆变电源。实验结果表明基于磁通控制的可控电抗器可以实现电抗值随电抗控制度线性无级可调，由于该电抗器输出正弦波，理论上没有谐波污染。具体采用复合控制策略，稳态时，换能器工作在DPLL锁定频率上；动态时，逐步修改匹配电抗大小，搜索输出电流的最大值，再结合DPLL锁定该频率。配合PS-PWM可实现功率连续可调。该超声波换能系统能够有效的跟随最大电流输出频率，即使频率发生漂移系统仍能保持工作在最佳状态，具有实际应用价值。

目录

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第一章绪论

1.1超声波的介绍及用途

1.2超声波电源的研究与应用现状

1.3超声波电源的发展历程

1.3.1开关型发生器发展过程

1.3.2超声波电源控制电路

1.4课题的研究背景及研究意义

1.5课题的主要研究任务

第二章超声波电源的负载特性及匹配方法

2.1超声波电源谐振负载等效电路分析

2.2换能器的静态调谐匹配电路

2.2.1串联匹配电路的分析

2.2.2并联匹配电路的分析

2.3动态调谐匹配电路的研究

2.3.1换能器与匹配电感的耦合振荡模型

2.3.2换能器与匹配电感的耦合振荡模型的仿真分析

2.3.3换能系统效率与工作频率的关系

2.4可控电抗器的分类及发展现状

2.5可控电抗器动态匹配换能器的研究

2.5.1调气隙式可控电抗器匹配换能器的研究

2.5.2基于磁通控制的可控电抗器研究

2.5.3双绕组变压器端口的阻抗特性

2.6基于磁通控制的可控电抗器的控制策略

2.6.1可控电抗器电流控制原理

2.6.2双绕组变压器控制系统分析

2.7本章小结

第三章基于PS-PWM控制的超声波逆变器

3.1串联谐振式逆变器的功率控制方法

3.2串联谐振式逆变器的PS-PWM控制策略

3.2.1 PS-PWM控制下的串联谐振电源工作过程分析

3.2.2输出功率、功率因数等与移相角的关系

3.3 PS-PWM的仿真结果和性能分析

3.4本章小结

第四章超声波电源中的频率跟踪技术

4.1利用锁相环实现的频率跟踪

4.1.1锁相环的基本原理

4.1.2锁相环的数学分析

4.2数字锁相环(DPLL)基本原理

4.2.1鉴相器的分析与设计

4.2.2环路滤波器的分析与设计

4.2.3压控振荡器的分析与设计

4.2.4 DPLL的性能分析

4.3超声波电源中DPLL的应用

4.3.1锁相环电路频率跟踪的实质

4.3.2频率漂移时动态匹配和静态匹配性能比较

4.3.3可变电抗与DPLL配合实现动态匹配

4.4本章小结

第五章基于DSP的超声波电源系统设计

5.1超声波电源控制系统设计

5.2超声波电源参数设计

5.3高频变压器及可控电抗器参数设计

5.3.1输出变压器参数设计

5.3.2可控电抗器参数设计

5.4驱动电路设计

5.4.1 IGBT驱动电路要求

5.4.2 IGBT驱动电路的基本形式

5.4.3 IGBT可控电抗器逆变桥驱动电路设计

5.5缓冲吸收电路和软启动电路设计

5.5.1 IGBT的关断缓冲吸收电路的选择

5.5.2软启动电路的设计

5.6保护电路的设计

5.6.1过流、短路保护

5.6.2过压保护

5.6.3过热保护

5.6.4保护综合处理

5.7本章小结

第六章动态匹配换能器的超声波电源的软件流程设计

6.1超声波电源主程序流程设计

6.2基于DSP的PS-PWM产生原理

6.3基于DSP的DPLL控制流程

6.4可控电抗最大电流搜索软件流程

6.5本章小结

第七章动态匹配的超声波电源实验与分析

7.1 IGBT驱动电路实验波形

7.2 PS-PWM控制驱动及逆变器输出实验波形

7.3 DPLL实现频率跟踪实验波形

7.4可控电抗器及动态匹配实验波形

7.4.1可控电抗器线性度实验

7.4.2动态匹配超声波换能器的实验波形

7.5本章小结

第八章结论

致谢

参考文献

附录