用于清洗的高频超声波电源的研究

摘要

目前市场对工业清洗的要求越来越高，普通清洗方法很难胜任，而超声波清洗技术因良好的清洗效果获得广泛的关注，特别是高频超声技术在精密器件清洗中具有很高的研究价值和广阔的应用前景，当前国内也缺少这方面的研究。超声波电源是清洗系统中核心部分，其性能的优劣往往决定着清洗效果的好坏。
　　本研究设计了用于清洗的高频超声波电源系统。文中首先对本系统所采用的不控整流电路、Buck斩波电路、高频全桥逆变电路和选择输出电路工作原理进行了分析。对换能器等效模型进行阻抗特性分析，选择串联谐振作为系统的工作频率;通过对三种匹配网络的研究分析，确定选择LC型网络进行调谐匹配。电源工作时，输出的电压电流同相位才能使电源输出的功率最大，清洗效果才能更好，因此设计了半数字锁相环实现频率跟踪，采用D触发器辨别频率变化方向，采用异或门获得相位差的大小，DSP采集信息并经过PI调节后，实时的更新逆变电路的工作频率以达到频率跟踪的目的。利用PSIM仿真软件搭建频率跟踪模型，验证了控制方法的正确性。在理论研究的基础上设计一台逆变频率为770kHz的超声电源的样机，并对样机用到的器件给出了详细的参数计算和选型。针对其工作在高频的环境下给直流斩波和逆变的驱动电路设计，并针对系统的需要设计了相应的采样调理电路、滤波电路以及多路选择输出电路，最后介绍了控制芯片TMS320F28335，简单的介绍芯片特性和端口分配。最后对所设计的系统进行实验测试，实际测试中逆变驱动具有很陡的上升、下降沿，输出波形良好，频率能够实现自动跟踪，输出电压电流实现同相位，达到预期的设计目标。

目录

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致谢

摘要

1 引言

1．1 功率超声及其应用

1．2 超声清洗概述

1．2．1 超声清洗的原理

1．2．2 超声清洗的结构

1．3 超声波电源的发展概况和趋势

1．3．1 超声波电源的发展阶段

1．3．2 超声波电源发展趋势

1．4 本论文主要研究内容

2 超声波电源系统总体设计

2．1 电源的总体设计

2．2 主电路设计

2．2．1 整流电路设计

2．2．2 逆变电路设计

2．2．3 功率调节电路的设计

2．2．4 复用选择电路设计

2．2．5 主电路拓扑结构确定

2．3 功率主电路设计和选型

2．3．1 整流滤波参数设计

2．3．2 直流斩波电路的设计

2．3．3 逆变电路的设计

2．3．4 高频变压器设计

2．4 直流斩波功率调节

2．4．1 功率调节分析

2．4．2 基于PI的功率调节

2．5 本章小结

3 换能器分析和匹配网络的设计

3．1 换能器模型介绍

3．1．1 换能器的阻抗分析

3．1．2 换能器参数分析

3．2 匹配网络

3．2．1 匹配网络的介绍

3．2．2 匹配网络的分析和选择

3．2．3 匹配网络的仿真验证

3．3 本章小结

4 频率跟踪控制原理

4．1 自动跟踪方法

4．2 相位检测法

4．3 半数字锁相环

4．4 频率跟踪的软件实现

4．5 频率跟踪的仿真验证

4．6 本章小结

5 系统硬件电路的设计

5．1 驱动电路的设计

5．1．1 逆变驱动电路设计

5．1．2 Buck驱动电路设计

5．2 采样调理电路的设计

5．3 滤波电路的设计

5．4 复用选择电路的设计

5．5 DSP电路的设计

5．6 本章小结

6 实验结果与分析

6．1 实验平台的搭建

6．2 实验结果分析

6．2．1 Buck斩波波形测试

6．2．2 复用选择电路测试

6．2．3 逆变后的波形测试

6．3 滤波电路的测试

6．4 相位信息的采样

6．5 本章小结

7 总结和展望

7．1 本文工作总结

7．2 工作展望

参考文献

作者简历

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