超声电源系统的发展概况和趋势 - 图文

摘要

超声技术在现代的科技和发展中有着举足轻重的地位，超声技术涉及的领域广、技术高、方便快捷是一个科技大国必须要掌握的一项科学技术，经过几十年的发展和推广，在超声清洗、超声焊接、超声加工器件等多种领域都有着明显的成就，解决了许多传统设备解决不了的问题，充足的展现了科技的技术和发展。现如今，很多高科技机械中普通的电源设备已经无法满足所输出的功率，固而超声电源会逐渐替代这一领域。

本课题主要是设计一个正弦超声电源，设计实现一个可调控的输出功率和频率平稳、输出波形是正弦波的功率超声电源。电源输出频率为20KHz~35KHz，输出电压的范围为0~300W，最大功率为300W，输出频率在一定的范围内具有自动跟踪和调整的功能。实验表明，本课题中所提出和设计的超声电源性能良好、未来前景广泛。

关键词：超声电源 超声波发生器 逆变电源电路 BUCK变换电路

目录 1

绪论 ........................................................................................................................................ 2 1.1 本设计完成的主要研究工作 ....................................................................................... 2 1.2 超声电源的发展历程....................................................................................... 2 1.3 超声发生器的国内外现状： ....................................................................... 3

1.3.1 国外发展现状 ......................................................................................... 3 1.3.2 国内发展现状 ......................................................................................... 3 1.4 电力电子器件技术发展现状 ....................................................................... 4 1.5 我国单片机的发展 ............................................................................................ 5 1.6 现代逆变电源的发展现状 ............................................................................ 6

1.6.1智能化控制 ................................................................................................... 7 1.7 超声电源的定义 ................................................................................................. 7 2 模拟与超声电源的基本电路 .................................................................................... 8

2.1 模拟电路超声波发生器 ................................................................................. 8

2.1.1超声波振荡器 .............................................................................................. 9

3 硬件电路结构 ................................................................................................................. 10

3.1 功率调整电路 ....................................................................................................... 10 3.2 BUCK变换电路 ...................................................................................................... 11 3.3 逆变主电路设计 .................................................................................................. 12 3.4 驱动电路设计与分析 ........................................................................................ 13 3.5 滤波电路设计 ....................................................................................................... 14 3.6 反馈电路设计 ....................................................................................................... 14 4 控制软件设计 .................................................................................................................... 15

1 绪论

1.1 本设计完成的主要研究工作

本设计需要实现一个输出功率和频率平稳线性范围可调，输出波形直接是正弦波的功率超声电源。而且输出频率在一定范围内具有自动跟踪和调整功能；功率输出上采用比恒功率技术[16]。

主要研究工作一是设计系统原理结构及硬件电路结构,其中超声电源系统主要由整流滤波电路、直流斩波电路、推挽逆变电路、匹配电路、换能器和反馈电路等部分组成。硬件电路由功率调整电路，BUCK变换电路

[17]

，逆变主电路

[18]-[21]

，

驱动主电路，滤波电路[21]和反馈主电路组成[22]。二是控制软件的设计，整个控制软件主要实现的功能有：SPWM波控制输出、控制输出电压的PWM波[23]-[24]、显示屏正常显示功能；键盘值输入确定、电流最大值的AD采样控制、电压值的AD采样控制、相位差值AD采样控制；开关量的输入有过热、过流及相位超前或滞后的判断。

1.2 超声电源的发展历程

随着科技的日新月异，电力电子器件的发展非常迅速，迄今为止，已经发展处很多不同原理、不同特性的电力电子器件。一代期间决定一代电力电子技术，超声波发生器的发展离不开电力电子器件的发展，并在一定程度上是随之发展的，依据超声波发生器末级功放管所采用的器件类型，可看出其发展所经历的几个阶段：一、早期的产品是采用电子管，然后发展到可控硅逆变式超声发生器，它们缺点很多，都已经被淘汰；二、晶体管式超声发生器，不易于采用先的数字方式来处理，仅在小功率（200W以下）应用；三、功率模块超声发生器，通过调节开关管的占空比来控制输出的功率，易于采用数字方式控制[11]-[12]。

[25]

1.3 超声发生器的国内外现状： 1.3.1 国外发展现状

最早的超声波器件是1883年F．Galton发明的气哨。第一次世界大战期间，Langevin发明的钢-石英-钢结构的夹心压电换能器标志着在低频大功率超声设备上取得重大进展。在20世纪20年代，W．P．Mason发明变幅杆[13]，它与换能器连接可获得高强度超声波振动，开创功率超声波在固体媒介中的应用。这些功率超声理论的应用有超声清洗、焊接、加工、雾化、乳化等。70年代中期，美国在超声加工、焊接等方面已处于生产应用阶段，后来形成标准。德国和英国对功率超声工业应用进行大量研究工作，并积极应用于生产。90年代，新型智能化超声波电源得到迅速发展，并应用于各种领域[14]。 1.3.2 国内发展现状

我国功率超声的研究始于20世纪的50年代初，以研究超声波加工、清洗、焊接等

应用为先导[15]。从20世纪80年代开始，超声波电源使用大功率高频开关管替代电子管或可控硅，电路中设频率跟踪、过压、过流保护电路。1995年华南理工大学利用晶体管研制出50W-10kW／1kHz一32kHz超声波目前国内超声波电源已研制出从十几kHz

到几MHz，功率从几十W到几百kW。随着换能器、电力电子技术和现代控制理论研究和应用的不断发展，超声波电源已经成功地应用在各类超声设备上，如超声清洗、焊接、雾化、研磨、医疗等。

现如今，超声系统被广泛的应用于工业生产、环境保护、卫生保健、超声清洗和超声电源等多个方面的领域，近十年来，我国对

超声技术及其应用研究异常活跃，超声电源可以用来给换能器提供声频电信号。按照激励方式，超声电源有两种，分别为他激式和自激式。他激式超声波电源是有信号发生器和功率放大器组成，超声能量经过输出变压器耦合加载到换能器上从而实现；而自激式超声波电源是把功率放大器、换能器、信号发生器和输出变压器连成为一体，从而组成了一个闭环回路，闭环回路要求同时满足相位反馈和幅度反馈的条件。超声波电源的发展可以分成为电子管放大器、晶体管模拟放大器和晶体管数字开关放大器这几个阶段。

1.4 电力电子器件技术发展现状

在19世纪美国通用电气公司(GE)自主研究出来的电力电子器件晶闸管发布以来，有关于电子器件产品的经历分为了四个阶段，以晶闸管为首的第一阶段，

又被称做可控硅整流器，以前被简称为可控硅，晶闸管是PNPN四层半导体结构，它有三个极：阳极，阴极和门极； 晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。第二阶段以GTO、GTR等全控器件为主要发展代表，虽然主要还是靠控制电流模式来实现，但这项器件使高频化得以实现。第三阶段的机器器件发展为功率器件，MOSFER开关频率高可用于100kHz以上的超声波电源，但其电压消耗过大使其功耗较大，制作费用较高，在超声波电源中的运用不广泛，但是对后来的科技发展打下了基础。第四阶段以高压集成电路，智能功率集成电路为代表，在科技不断的发展下使电力电子技术和微电子技术紧凑的结合在了一起，实现了器件和电路的集成、强电与弱电的集成和功率流与信息流的集成，成为了全新的智能化世代。

1.5 我国单片机的发展

我国开始使用单片机是在1982 年，短短五年时间里发展极为迅速。1986 年在上海召开了全国首届单片机开

发与应用交流会，有的地区还成立了单片微型计算机应用协会，那是全国形成的第一次高潮。截止今日，单片机应

用技术飞速发展，我们上因特网输入一个“单片机”的搜索，将会看到上万个介绍单片机的网站，这还不包括国外

的。与它相应的专业杂志现在也有很多，比如由单片机界的权威何立民主编的《单片机与嵌入式系统应用》杂志现

以风靡电子界，在2003年7月，91student.com（91 猎头网）在上海、广州、北京等大城市所做的一次专业人才需

求报告中，单片机人才的需求量位居第一。一块小小的片子，为何有这样的魔力？

我们首先从它的构成说起：单片机，亦称单片微电脑或单片微型计算机。它是把中央处理器（CPU）、随机存

取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出端口（I/0）等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯

片上的微型计算机。计算机的产生加快了人类改造世界的步伐，但是它毕竟体积大。微计算机（单片机）在这种情况下诞生了，它

为我们改变了什么？纵观我们现在生活的各个领域，从导弹的导航装置，到飞机上各种仪表的控制，从计算机的网

络通讯与数据传输，到工业自动化过程的实时控制和数据处理，以及我们生活中广泛使用的各种智能IC 卡、电子

宠物等，这些都离不开单片机。以前没有单片机时，这些东西也能做，但是只能使用复杂的模拟电路，然而这样做

出来的产品不仅体积大，而且成本高，并且由于长期使用，元器件不断老化，控制的精度自然也会达不到标准。在单

片机产生后，我们就将控制这些东西变为智能化了，我们只需要

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