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                超聲波發生器的原理
                時間:2021-10-27 20:27:25     作者:凱正超聲    

                一、基本原理

                首先由信號超聲波發生器來產生一個特定頻率的信號,這個信號可以是正弦信號,也可以是脈沖信號,這個特定頻率就是超聲波換能器的頻率,一般在超聲波設備中使用到的超聲波頻率為25KHz、28KHz、35KHz、40KHz;1OOKHz或以上現在尚未大量使用.但隨著以后精密清洗的不斷發展。相信使用面會逐步擴大.比較完善的超聲波發生器還應有反饋環節,主要提供二個方面的反饋信號:

                第一個是提供輸出功率信號,我們知道當超聲波發生器的供電電源(電壓)發生變化時.超聲波發生器的輸出功率也會發生變化,這時反映在超聲波換能器上就是機械振動忽大忽小,導致清洗效果不穩定.因此需要穩定輸出功率,通過功率反饋信號相應調整功率放大器,使得功率放大穩定.

                第二個是提供頻率跟蹤信號.當超聲波換能器工作在諧振頻率點時其效率最高,工作最穩定,而超聲波換能器的諧振頻率點會由于裝配原因和工作老化后改變,當然這種改變的頻率只是漂移,變化不是很大,頻率跟蹤信號可以控制信號超聲波發生器,使信號超聲波發生器的頻率在一定范圍內跟蹤超聲波換能器的諧振頻率點.讓超聲波發生器工作在最佳狀態。

                當然隨著現代電子技術,特別是微處理器(uP)及信號處理器(DSP)的發展,超聲波發生器的功能越來越強大,但不管如何變化,其核心功能應該是如上所述的內容,只是每部分在實現時技術不同而已。

                但模擬功率放大器有幾個缺點:(1)不易使用現代的微處理器來處理,由于該電路呈現一個比較典型的模擬線路特征,用數字處理比較復雜,涉及到A/D(模擬轉數字)和D/A(數字轉模擬),成本比較高,可靠性低.(2)模擬控制電路存在控制精度低,動態響應慢、參數整定不方便、溫度漂移嚴重,容易老化等缺點.專用模擬集成控制芯片的出現大大簡化了電力電子電路的控制線路。提高了控制信號的開關頻率,只需外接若干阻容元件即可直接構成具有校正環節的模擬調節器,提高了電路的可靠性。但是,也正是由于阻容元件的存在,模擬控制電路的固有缺陷,如元件參數的精度和一致性、元件老化等問題仍然存在.(3)此外,模擬集成控制芯片還存在功耗較大、集成度低、控制不夠靈活,通用性不強等問題.用數字化控制代替模擬控制,可以消除溫度漂移等常規模擬調節器難以克服的缺點,有利于參數整定和變參數調節,便于通過程序軟件的改變方便地調整控制方案和實現多種新型控制策略,同時可減少元器件的數目、簡化硬件結構,從而提高系統的可靠性.此外.還可以實現運行數據的自動儲存和故障自動診斷,有助于實現電力電子裝置運行的智能化。

                二、超聲波發生器應用數字化控制技術一般有三種形式:

                (1)采用AVR高檔單片機控制單片機是一種在一塊芯片上集成了CPU.RAM/ROM、定時器/計數器和I/O接口等單元的微控制芯片,具有速度快,功能強、效率高、體積小,性能可靠、抗干擾能力強等優點,在各種控制系統中應用廣泛。單片機的CPU經歷了由4、8,16、32直至64位的發展過程。在超聲波發生器中,單片機主要用作數據采集和運算處理、電壓電流調節、PWM信號生成、系統狀態監控和故障自我診斷等,一般作為整個電路的主控芯片運行,完成多種綜合功能。配合D/A轉換器和MOSFET功率模塊實現脈寬調制.另外,單片機還具有對過流,過熱。欠壓等情況的中斷保護以及監控功能。單片機控制克服了模擬電路的固有缺陷,通過數字化的控制方法,得到高精度和高穩定度的控制特性,并可實現靈活多樣的控制功能.

                (2)采用DSP控制數字信號處理器{DSP}是近年來迅速崛起的新一代可編程處理器.其內部集成了波特率超聲波發生器和FiFO緩沖器,提供高速同步串口和標準異步串口,有的片內還集成了采樣/保持和A/D轉換電路,并提供PWM信號輸出.與單片機相比,DSP具有更快的CPU.更高的集成度和更大容量的存儲器.DSP屬于精簡指令系統計算機(Risc),大多數指令都能在一個周期內完成并可通過并行處理技術,在一個指令周期內完成多條指令.同時,DSP采用改進的哈佛結構,具有獨立的程序和數據空間,允許同時存儲程序和數據.內置高速的硬件乘法器,增加了多級流水線.使其具有高速的數據運算能力.而單片機為復雜指令系統計算機(CiSC),多數指令要2-3個指令周期才能完成.單片機采用諾依曼結構,程序和數據在同一空間存儲,同一時刻只能單獨訪問指令或數據.單片機的ALU只能做加法,而乘法則需要由軟件來實現,因而需要占用較多的指令周期,速度比較慢。與16位單片機相比.DSP執行單指令的時間快8—10倍,一次乘法運算時間快16-30倍.在超聲波發生器中。DSP可以完成除功率變換以外的所有功能,如主電路控制、系統實日十監控及保護.系統通信等.雖然DSP有著許多優點,但是它也存在一些局限性,如采樣頻率的選擇、PWM信號頻率及其精度、采樣延時、運算時間及精度等.這些因素會或多或少地影響電路的控制性能。

                {3}采用FPGA控制現場可編程門陣列(FPGA)屬于可重構器件,其內部邏輯功能可以根據需要任意設定,具有集成度高、處理速度快.效率高等優點。其結構主要分為三部分:可編程邏輯塊、可編程I/O模塊、可編程內部連線.由于FPGA的集成度非常大,一片FPGA少則幾千個等效門,多則幾萬或幾十萬千等效門.所以一片FPGA就可以實現非常復雜的邏輯.替代多塊集成電路和分立元件組成的電路。它借助于硬件描述語言(VHDL)來對系統進行設計,采用三個層次(行為描述、PJL描述、門級描述)的硬件描述和自上至下(從系統功能描述開始)的設計風格,能對三個層次的描述進行混合仿真,從而可以方便地進行數字電路設計,在可靠性、體積、成本上具有相當優勢.比較而言,DSP適合取樣速率低和軟件復雜程度高的場合使用;而當系統取樣速率高(MHz級),數據率高(20MB/s以上)、條件操作少、任務比較固定時,FPGA更有優勢。

                三、幾種典型的開關式超聲波發生器電路型式

                1、半橋型.半橋型電路比較簡單,PWM控制器是一塊多功能IC(集成電路),兼作頻率超聲波發生器及脈寬調制器,還集成一些保護性電路。負反饋電路等.一般采用TL494,Ic的輸出經過信號驅動后供開關管.二個開關管輪流導通,抗匹配,供超聲波換能器使用。功率的調節有兩種方式;第一種是調節頻率。由于超聲波換能器在諧振頻率時輸出功率最大,其消耗功率也大,因此當調節頻率為超聲波換能器的諧振頻率時,其功率最大,我們可以調偏頻率,使超聲波換能器偏離諧振頻率,超聲波換能器的功率也會降低,偏離頻率越大,功率降低越大,達到調節功率的目的.另一種方式是固定頻率,調節占空比。當開關管導通時間較長時,輸出的功率較大,導通時間較?。敵龉β首冃?,如圖4所示。這種形式的電路還可以加上功率負反饋電路,當電源電壓變化時可以通過反饋調節占空比,使輸出功率穩定.

                2、全橋型.全橋型原理基本上與半橋型相似.它是通過一對管同時開關而在負載上得到變頻信號.當TAl與TA2導通而TB1,TB2截止時。Tout得到①負②正信號;當TB1,TB2導通而TAl與TA2截止時,Tout得到①正②負信號,如此循環,在Tout①、②得到一個交變的功率信號。全橋型超聲波發生器的功率調節也可分為二種情況,與半橋型相似。功率控制頻率自動跟蹤的工作原理在超聲波電源的應用,振動系統的溫度、剛度、及負載力等因素的變化使得系統的諧振頻率發生了漂移,而振動系統是否能始終處于諧振狀態是超聲應用能否進行及原量優劣的關鍵,故頻率自動跟蹤及跟蹤的速度和精度至關重要。超聲電源采用功率設置頻率跟蹤方式,即采樣負載的電壓與流過的電流相位源,當相位為某一設定值時,超聲波換能器呈純阻性,系統工作在諧振狀態。

                目前應用最廣泛的是壓電陶瓷片超聲波換能器,其在振蕩頻率點附近電路,除去靜去電容,超聲波換能器是一個串聯諧振網絡。L、C、R分別為超聲波換能器的動態電感、動態電容、動態電阻。由式中可知諧振時,整個網絡等效于純電阻性,電壓和電流的相位差為零。因此,超聲波換能器兩端的電壓和電流,經過相位比較,得出相位差,用相位差作反饋信號控制功率及頻率的變化可以實現機械諧振的自動跟蹤。超聲電源硬件級構如圖所示,PIC單片機是超聲電源的控制器,通過撿測超聲波換能器的信號與及操作面板的設置來控制功率的輸出大小和輸出頻率的變化。該超聲焊接電源控制產品主要特點:適合各種大中功率陣列多臺網絡控制,操作比效簡便,只需設計每臺所需要鄰近頻率與需要的鄰近功率及調整精度即可。在超聲波焊接電源的應用,超聲超聲波換能器振動的溫度、剛度、及負載力等因秦的變化使得系統的諧振頻率發生了漂移,而振動系統是否能給始終處于諧振狀態是超聲能否進行及質量優劣的關鍵,故須頻率自動跟蹤及功率自動調整和精度至關重要。

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