一种阻抗匹配可调的变频式超声波电源

摘要

随着工业生产自动化的发展，超声波技术在焊接、清洗、剪切、医疗等领域得到了广泛应用。作为超声波技术的核心之一，超声波电源的发展也随着电力电子技术和数字控制技术的发展发生着巨大改变。然而目前市面上的超声波电源多为专用超声波电源，一台电源只能匹配固定的换能器，实现不了宽频域内的锁相和频率跟踪。本文以频率跟踪和阻抗匹配为出发点，设计了一种变频式超声波电源，通过频率跟踪的方式，实现宽频域内的阻抗匹配调节，并在ZYNQ平台上实现了原型系统的设计。论文的主要研究内容如下：
　　（1）在分析超声波换能器等效电路和阻抗特性的基础上，确定阻抗匹配方法和频率搜索依据：采用频率跟踪法实现阻抗匹配的动态调节，并采用变步长策略实现快速、精确的频率搜索。
　　（2）将超声波电源主电路划分为多个子模块进行原理分析和硬件电路设计。降压斩波电路实现输出直流电压幅值可调，以达到功率自适应的目的；逆变电路采用全桥拓扑结构将直流电转换为频率可调的交流信号；匹配网络实现逆变电路输出与换能器之间的匹配；反馈电路对换能器的电压电流信号进行处理后送入控制系统，作为频率搜索、跟踪的处理依据；另外还设计了逆变电路的开关管驱动电路，保证控制系统的输出信号安全可靠的驱动逆变电路开关管。
　　（3）根据设计指标在ZYNQ平台上进行控制系统设计，包括频率搜索、频率跟踪和功率自适应的算法的硬件电路实现，降压斩波电路和全桥逆变电路所需的驱动信号实现。
　　（4）在理论分析的基础上完成原型样机硬件电路的制作测试和软件程序的编写调试，对实验中发现的问题进行理论分析后，针对问题修改软硬件参数，以满足设计指标要求。
　　实验结果表明，本文设计的变频式超声波电源可以自动搜索到频域内的谐振频率点，通过频率跟踪的方式间接改变阻抗匹配网络以补偿换能器的频率漂移并锁定系统在谐振状态。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 超声波技术及其应用

1.2 国内外研究现状及发展趋势

1.3 本文研究内容与章节安排

第2章 换能器特性分析及动态匹配技术研究

2.1 超声波换能器等效电路分析

2.2 静态匹配技术研究

2.3 动态匹配技术研究

2.4 本章小节

第3章 超声波电源硬件电路设计

3.1 超声波电源总体设计方案

3.2 整流调压电路

3.3 高频逆变电路

3.4 匹配网络

3.5 反馈系统

3.6 本章小节

第4章 超声波电源片上系统系统部分设计

4.1 控制系统平台介绍

4.2 DDS模块的电路设计

4.3 频率搜索电路设计

4.4 频率跟踪电路设计

4.5 功率自适应电路设计

4.6 死区时间模块

4.7 本章小节

第5章 实验分析与研究

5.1 功率控制测试

5.2 高频逆变测试

5.3 频率搜索跟踪测试

5.4 本章小节

总结与展望

总结

展望

参考文献

附录

攻读硕士期间发表的学术论文和专利

致谢