基于动态阻抗匹配的超声电源设计与研究

摘要

随着电力电子技术的发展，超声技术在加工、清洗、医疗等领域都发挥了重要作用。而超声电源作为超声应用中的关键技术，其阻抗匹配一直是研究的重点。传统的超声电源多用静态阻抗匹配，使得超声电源在谐振频率漂移时无法及时调整匹配网络参数，从而带来效率降低、换能器停震等不良后果。本文在此基础上提出了动态匹配的概念，并以STM32为主控制器设计了智能超声电源实验平台。主要研究内容如下:
　　(1)分析了超声波换能器的阻抗特性，对比了串联匹配和并联匹配两种匹配方式下的匹配网络参数区别，并进行了MATLAB仿真。针对传统的静态匹配存在的问题提出了两种动态匹配方法:动态调整匹配电感参数法和频率自动跟踪法，在进行了原理对比之后选用了后者作为此次超声电源的动态匹配方案。
　　(2)设计了超声电源的硬件主体方案，将系统划分为多个子模块进行分析。在调压整流模块中应用了晶闸管调压技术实现了直流母线电压可调，保证了输出功率的可变性;在高频逆变模块中使用了半桥拓扑结构实现从直流到交流的逆变，使用了DDS芯片来产生高精度的PWM波，配合硬件加死区电路来得到半桥的驱动信号，并针对栅极驱动芯片IR2110的缺陷设计了负偏压电路，能更好的实现功率管的关断;在频率跟踪模块中使用了霍尔传感器检测电流电压相位，经过调理电路后得到相位差的脉宽信号，再使用STM32的PWM输入功能完成相位差检测。
　　(3)根据超声波电源的硬件电路编写了对应的软件程序，主要包括晶闸管调压子程序和频率自动跟踪子程序。其中针对超声波电源运行过程中可能发生谐振频率缓慢变化和瞬间突变两种情况，设计了粗精结合的变步长跟踪算法，实现了快速精准的频率跟踪。
　　(4)完成了所有硬件电路制作和软件程序的编写，进行了大量的试验，并针对试验过程中发现的问题给出了理论研究和实际解决方法。试验结果表明，本文设计的超声波电源能很好地实现频率跟踪，具有良好的动态响应性能和稳定性，实现了既定的动态阻抗匹配的目标。

目录

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致谢

摘要

1 绪论

1．1 超声技术及其应用简介

1．2 电力电子及控制技术在超声波电源中的应用

1．2．1 电力电子技术的应用

1．2．2 控制技术的应用

1．3 国内外超声波电源的研究现状及发展趋势

1．3．1 国外超声波电源的研究现状

1．3．2 国内超声波电源的研究现状

1．3．3 超声波电源的未来发展趋势

1．4 论文的背景意义和主要研究内容

1．4．1 论文的背景意义

1．4．2 论文的主要研究内容

2 超声波换能器的阻抗特性分析及动态匹配技术研究

2．1 超声波换能器的阻抗特性分析

2．2 超声波换能器静态阻抗匹配研究

2．2．1 超声波换能器串联匹配

2．2．2 超声波换能器并联匹配

2．2．3 超声波换能器匹配方式确定

2．2．4 超声波电源静态匹配MATLAB仿真

2．3 超声波电源动态阻抗匹配研究

2．3．1 匹配电感动态调整技术研究

2．3．2 频率自动跟踪技术研究

2．3．3 动态阻抗匹配方案确定

2．4 系统总体设计方案确定

2．5 本章小结

3 超声波电源硬件设计及研究

3．1 超声波电源主电路结构设计

3．2 主控制器接口设计

3．3 调压整流模块

3．3．1 移相调压的工作原理

3．3．2 过零信号检测电路

3．3．3 晶闸管触发电路

3．4 高频逆变模块

3．4．1 桥式逆变电路

3．4．2 DDS信号发生器电路

3．4．2 硬件加死区电路

3．4．3 MOS管栅极驱动电路

3．5 换能器匹配模块

3．5．1 高频变压器的设计

3．5．2 调谐匹配

3．6 频率跟踪模块

3．6．1 电流电压采样电路

3．6．2 信号放大电路

3．6．3 滤波电路

3．6．3 相位差检测电路

3．7 人机交互模块

3．8 本章小结

4 超声波电源软件算法设计

4．1 主程序软件设计

4．2 晶闸管调压模块软件设计

4．3 DDS芯片软件驱动设计

4．4 频率自动跟踪软件设计

4．4．1 频率跟踪算法设计

4．4．2 PWM输入驱动设计

4．5 液晶驱动和软件看门狗设计

4．5．1 液晶驱动软件设计

4．5．2 软件看门狗程序设计

4．6 本章小结

5 实验分析与研究

5．1 晶闸管调压模块调试

5．2 高频逆变模块调试

5．2．1 DDS信号发生器调试

5．2．2 死区时间形成电路调试

5．2．3 半桥逆变器驱动电路调试与分析

5．2．4 半桥逆变器输出调试

5．3 超声波电源频率自动跟踪实验

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 论文的主要工作总结

6．2 存在的问题及下一步的研究工作

参考文献

作者简历

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