2KW超声波驱动电源设计

1、 1 绪论 随着现代科学技术飞速发展。各学科之间相互渗透，新兴边缘学科不断出现，超声工程学作为一门新兴的边缘学科在工业生产、卫生保健和航空航天等许多领域中扮演着十分重要的角色。我国近十年来，对超声技术的应用研究十分活跃，超声工程学按其研究内容，可划分为功率超声和检测超声两大领域。所选课题超声波电源的研究，是功率超声技术的一个重要应用部分。11超声波电源的发展概况和发展趋势 超声波电源又叫超声波功率源，是超声波清洗系统的核心部分，其发展与电力电子器件发展密切相关，一般可以分为电子管放大器、晶体管模拟放大器和晶体管数字开关放大器三个阶段。在早期，20世纪80年代前，信号功率放大采用电子管，采用电子

2、管的优点是动态范围较宽，此优点对于音频放大器很重要，但对超声波电源来说没有什么好处，因此，当功率晶体管出现后即遭淘汰，电子管的缺点很多：功耗大、寿命短、效率低、电源成本高、体积大。20世纪80年代到90年代中旬，功率晶体管发展己非常成熟，各种OCL及OTL电路大量用于超声波电源，功率晶体管模拟发生器开始投入使用，电源效率提高、体积和重量下降，由于受开关速度的限制和晶体管开关特性的影响，采用晶体管模拟放大器的超声波电源有以下几个缺点： (1)功耗较大。由于OTL、OCL电路理论效率只有78左右，实际效率更低、功耗大，导致功率管发热严重，需要较大的散热功率，并且功率管发热导致系统工作不太稳定。 (

3、2)体积大、重量重。由于功率管输出的功率受到限制，要输出较大的功率需要更多的功率管，且发生器所需求的直流电源是通过变压器降压、整流、滤波后得到。大功率的变压器重、效率低。 (3)不易使用微处理器来处理。由于该电路呈现模拟线路特征，用数字化处理复杂，涉及到AD和DA转换，成本高、可靠性低。 随着电力电子器件的发展，特别是VDMOS管和IGBT的发展与成熟，采用开关型超声波发生器成为可能。开关型发生器的原理是通过调节开关管的占空比来控制输出功率的。由于晶体管在截止和饱和导通时的功耗很小，开关型超声波发生器主要有以下特点： (1)功耗低、效率高。开关管在丌关瞬时的功耗较大，但由于开关时间短，在截止或

4、导通时的功耗很小，因此总的功耗较小，最高效率可达到积小、重量轻。由于效率高、功耗低，使得散热要求较低，而且各个开关管可以推动的功率大：在直流电源作用下可直接变换使用，不需要电源变压器降压，因此体积小，重量轻。 (2)可靠性好。与微处理器等配合较容易，电子器件在工作时温升较低，工作可靠，加上全数字开关输出，可用微处理器直接控制。 开关型超声波发生器与开关型电源的发展息息相关，而开关型电源发展又与电力电子开关器件发展紧密相连，也经历了三个发展历程：采用双极型开关晶体管年代、采用VDMOS年代、采用IGBT管年代；这样它的工作频率也经历了工频，低频，中频到高频的发展历程。随着电力电子器件的迅速发展，

5、电力电子电路的控制也在飞速发展。控制电路最初以相位控制为手段、由分立元件组成，发展到集成控制器，再到实现高频开关的计算机控制。目前，向着更高频率，更低损耗和全数字化的方向发展。 模拟控制电路存在控制精度低、动态响应慢、参数整定不方便、温度漂移严重、容易老化等缺点。专用模拟集成控制芯片的出现大大简化了电力电子电路的控制线路。提高了制信号的开关频率，只需外接若干阻容元件即可直接构成具有校正环节的模拟调节器，提高了电路的可靠性。但是，也正是由于阻容元件的存在，模拟控制电路的固有缺陷，如元件参数的精度和一致性、元件老化等问题仍然存在。此外，模拟集成控制芯片还存在功耗较大、集成度低、控制不够灵活，通用性

6、不强等问题。 用数字化控制代替模拟控制，可以消除温度漂移等常规模拟调节器难以克服的缺点，有利于参数整定和变参数调节，便于通过程序软件的改变，调整控制方案和实现多种新型控制策略。同时可减少元器件的数目、简化硬件结构，提高系统可靠性。此外，还可以实现运行数据的自动储存和故障自动诊断，有助于实现电力电子装置运行的智能化。超声波发生器应用控制技术一般有三种形式：采用单片机控制、采用FPGA控制。但是我们这里用的是UC3875为控制器，做为PWM的占空比可变和过压、过流保护的功能，其是可以完成的 。(1)采用单片机控制 单片机是一种在一块芯片上集成了CPU，RAM瓜OM、定时器计数器和IO接口等单元的微

7、控制芯片，广泛应用在各种控制系统，主要以美国INTEL公司生产的MCS51和MCS96两大系列为代表。在超声波发生器中，单片机主要用作数据采集和运算处理、电压电流调节、PWM信号生成、系统状态监控和故障自我诊断等，作为整个电路的主控芯片运行，完成多种综合功能。配合DA转换器和IGBT功率模块实现脉宽调制。另外，单片机还具有对过流，过热、欠压等情况的中断保护以及监控功能。 单片机控制克服了模拟电路的固有缺陷，通过数字化控制方法，得到高精度、高稳定度的控制特性，可实现灵活多样的控制功能。但是，单片机的工作频率与控制精度是一对矛盾，处理速度也很难满足高频电路的要求，这就使人们寻求功能更强芯片的帮助，

8、于是UC3875应运而生。 (2)采用UC3875控制 UC3875芯片作为控制电路的2KW移相控制全桥变换（PSC FB ZVS-PWM）软开关电源，由于开关管在ZVS条件下运行，可实现高频化，而且控制简单，性能可靠，适用于大功率场合。且能保持恒频运行，就不会同时出现大电压、大电流，减少了开关所受的应力，实现了高效化。大大减小了电源的体积。 (3)采用FPGA控制 FPGA属于可重构器件，其内部逻辑功能可以根据需要任意设定，具有集成度高、处理速度快、效率高等优点。其结构主要分为三部分：可编程逻辑块、可编程IO模块、可编程内部连线。由于FPGA的集成度非常大，一片FPGA少则几千个等效门，多则

9、几万或几十万个等效门，所以一片FPGA就可以实现非常复杂的逻辑，替代多块集成电路和分立元件组成的电路。它借助于硬件描述语言来对系统进行设计，采用三个层次 (行为描述、PJL描述、门级描述)的硬件描述和自上至下(从系统功能描述开始)的设计风格，能对三个层次的描述进行混合仿真，从而可以方便地进行数字电路设计，在可靠性、体积、成本上具有相当优势。比较而言，DSP适合取样速率低和软件复杂程度少时，FPGA更有优势。12本文的研究背景及主要工作 20世纪60年代初，我国开始研制各种超声波清洗机的功率电源，到目前为止，我国的超声电源也经历了电子管、晶闸管、晶体管、VMOS和IGBT的发展过程。20世纪70

10、年代电子管组成的超声波电源电能利用率低、电源成本高、体积大。20世纪70年代到80年代初，晶闸管超声波电源开始投入使用。晶闸管电源与电子管电源相比较有了很大提高，体积和重量有所下降，但由于受到开关速度的限制和晶闸管开关特性的影响，电源频率在20kHz以下，工作效率较低。 为了克服上述电源的不足，人们开始研制和使用VMOS电源。VMOS电源开关速度高、驱动功率小。但是由于管子的制造工艺结构限制，单管的导通电流较小，耐压较低，抗电流和电压冲击能力较差。晶体三极管的驱动功率较大，但采用大功率复合三极管，开关速度会大大降低，这种复合三极管一般也只能在20kHz以下使用。因此，VMOS管和晶体三极管一般

11、适用于小功率超声波电源。综上所述，超声波电源需要一种开关速度快，导通电流大、耐压高、抗冲击能力强、驱动功率小的新型功率器件。同时，随着微电子技术、计算机技术、自动控制理论和电力电子技术的发展，超声波电源需要一种功率大、频率高、成本低、智能化等系列超声波电源。今后，超声波电源的发展趋势主要有以下几个方面： (1)大功率，高频化。随着功率器件MOSFET、IGBT、MCT、IGCT的发展，将来的超声波电源必将朝着大功率和高频率相统一的方向发展。 (2)低损耗、高功率因数。随着功率器件的发展，再加上驱动电路的不断完善和优化，使得整个装置的损耗明显降低，而且随着对电网无功要求的提高，具有高功率因数的电

12、源是今后的发展趋势。 (3)智能化、复合化。随着超声波电源自动化控制程度及对电源可靠性要求的提高，超声波电源正向自动化控制方向发展，具有计算机智能接口的全数字化超声波电源成为下一代发展目标。 本文就是在传统超声波电源的基础上，提出研究基于UC3875控制的大功率、高频率、低损耗、高功率因数的超声波电源，使其实现功率可调、频率自动跟踪等功能。文中超声波清洗机电源要求达到的技术指标为： (1)功率可调范围2000W一5000W，最大功率为5000W； (2)频率25KHz-35KHz(实际是在一个较窄的范围内工作)； (3)频率自动跟踪，功率自动匹配； (4)具有过流、过压、过温自动保护； 本文按

13、照超声波电源的方案比较、主电路拓扑结构、频率跟踪控制、功率稳定控制、驱动和保护电路、实验结果共六部分进行编排： (1)超声波电源方案比较部分，对整流单元方案、逆变电路拓扑方案、功率控制方案进行了分析，分别选定了不控整流、串联谐振逆变电路和不控整流斩波调功控制方案。 （2）在逆变器控制系统的设计中，利用UC3875实时调节死区宽度，采用集成锁相环CD4046进行负载的频率跟踪，实现基于数字信号处理UC3875的最佳死区频率跟踪系统，最后给出了硬件和软件实现方案。 (3)研究不控整流加斩波器控制功率的方法，把功率控制转化为BUCK变换器的控制，确定闭环控制方案，并针对具体问题在闭环控制系统的控制算

14、法中引入了模糊控制，给出了实现方案和软件流程图。 （4）研究超声波电源与超声波换能器匹配电路的原理，设计主功率高频变压器和匹配电感器。 (5)研究超声波电源中的驱动电路及保护电路，确定驱动电路的方案和保护电路的实现方法。 (6)根据设计结果，试制电路，测试实验结果，对设计进行验证。2超声波电源系统超声波电源，即超声波功率源，是一种用于产生并向超声波换能器提供超声能量的装置。超声波换能将电能转换为机械能的器件，它的各项参数直接决定了超声波清洗机的性能。本章主要研究超声波电源系统原理，讨论超声波电源常用的拓扑结构，确定超声波电源主电路方案。 21超声波发生器的组成原理 超声波发生器系统一般由整流单

15、元、功率逆变器、匹配网络、反馈网络、信号处理电路、驱动电路和换能器组成，其原理如图11所示。换能器220V 50HZ整流单元IGBT匹配网络驱动反馈网络信号处理电路图2.1超声波发生器框图 工作时，三相工频交流电经整流器整流滤波后变为平滑的直流电，送入逆变器；逆变器采用电力半导体器件(IGBT)作为开关器件，把直流电变为所需高频率的交流电；通过匹配网络作用于换能器负载，使电路处于谐振状态。采集谐振回路的电流和电压信号，通过反馈网络得到适合DSP处理的反馈信号；信号处理电路实现频率跟踪和功率调节功能；由UC3875的输出信号输入到高频驱动电路，作为功率管IGBT的驱动和控制信号。 22整流单元方

16、案比较 整流单元的作用是将电网输送的交流电变为直流电，为功率逆变器提供基本的电源。整流单元是通过控制半导体电力开关器件的通、断，将交流电变为直流电(ACDC)的，主要有二极管不控整流、晶闸管相控整流、以及采用新型丌关器件的SPWM整流引。 221二极管不控整流电路 三相桥式二极管不控整流电路如图22所示，其特点是结构简单，不需要额外的控制，成本低廉。二极管不控整流电路的输出电压不可调节，且与输入电压成固定比例关系 设输入端线电压为，那么有载时输出端电压平均值为。一般在输出侧采用大电容稳压滤波后可实现较为稳定的直流电压输出 图2.2不控整流电路图图2.3相控整流电路图222晶闸管相控整流电路 用

17、晶闸管组成的相控整流电路有多种形式，图23是桥式三相晶闸管相控整流电路。在三相晶闸管相控整流电路中，设输入端线电压为，晶闸管触发为，如果触发角，那么输出端电压平均值为；如果触发角，那么输出端电压平均值为。晶闸管相控整流电路的特点是其输出电压值连续可调，通过调节晶闸管的导通角，可以实现系统的功率调节；缺点是当晶闸管导通角很大时，即在深调压的场合下，其输出电流尖峰很高，功率因数极低，谐波分量很高、EMI很大。 223SPWM整流电路 随着电力电子器件的飞速发展，在二十世纪七十年代，有人开始将PWM技术引入整流领域，并取得了良好的效果。采用PWM整流可获得单位功率因数和正弦化输出电流。与传统的整流器

18、相比，PWMSMR对电容、电感这类无源滤波元件或储能元件的需求大大降低，动态性能也有很大的提高，此外其体积、重量也可以大大减少。PWM整流器拓扑结构可分电流型和电压型两大类，目前应用较多的为电压型高频PWM整流器，其拓扑如图2-4所示。通过对VTlVT6六个开关器件的控制，以实现能量的双向传输，并使输入电流波形跟踪输入电压波形，实现较高的功率因数。 然而，SPWM整流器由于对直流侧电压利用率较低，为了实现网侧高功率因数，需显著提高直流母线电压，通常直流母线上的电压会达到800V1000V左右，进而造成整流桥与逆变桥功率器件的电压应力，增加了系统成本；由于整流器的丌关器件均处于硬开关状态，故其通

19、态损耗也很大，使系统的效率降低。 经过以上对比分析可以看出，二极管不控整流电路与SPWM开关整流电路相比较，结构简单，不需要额外的控制电路：二极管不控整流电路与晶闸管相控整流电路相比较，提高了功率因数，减少了输入侧的EMI，且其输出电压值适中稳定。所以，本文超声波电源的整流单元采用三相二极管不控整流电路。 图2.4三相电压型SPWM开关整流电路图 23功率逆变器拓扑方案比较 超声波电源的换能器工作在谐振频率时，电路功率因数很低，为了提高功率因数，常采用连接电感器法以补偿无功功率。根据补偿电感与换能器的联接方式不同，可以将逆变电路分为并联谐振电路和串联谐振电路两种。下面对并联逆变电路和串联逆变电

20、路进行简要分析。 231负载串联谐振逆变器 串联谐振逆变器，即电压型谐振逆变器，如图25所示。全桥串联谐振逆变器有4个IGBT(VT1VT4)和其反并联的快速二极管的D1D4组成4个桥臂，把桥臂l和4看作为一对，桥臂2和3看作另一对，成对的桥臂同时导通，两对交替各导通180度。其输入直流电压恒定不变，输出电压的波形为矩形波且不受负载变化的影响。工作时，轮流触发VT1,4和VT2，3这两对桥臂，且使其开关频率与负载的固有频率相等，R、L、C负载槽路发生谐振，输出高频正弦电流。串联谐振逆变器的工作原理如图2-6所示。 图2-5电压型逆变器 当t=to时，触发VTl，4，电流从电源正端一lABVT4

21、一电源负端流通。负载电路工作在振荡状态，负载电流按正弦规律变化，在totl期间，电流经VTl，4流通，形成正半波。到tI时刻，电流下降到零，电容C上的电源极性为左正右负。此时，关断VTl，4，触发VT2，3，电流从电源正端vT2一B-一A一、，T3一电源负端流通。通，形成正半波。到tI时刻，电流下降到零，电容C上的电源极性为左正右负。此时，关断VTl，4，触发VT2，3，电流从电源正端vT2一B-一A一、，T3一电源负端流通。在tlt2期间，电流经Vrr2，3，形成瓦负半波。在实际应用中，上、下桥臂IGBT必须遵守先关断后开通的原则，一般留有死区时间毛，快速二极管DIIM在IGBT关断时，为负

22、载振荡电流提供续流回路，在如期间，输出侧能量通过其回馈电源。图2-6 电压型逆变器工作原理图232负载并联谐振逆变器 并联谐振型逆变器，即电流型谐振逆变器，电路结构如图27所示。 图2-7电流型逆变器其中，是整流器输出的脉动直流电压，是平波电抗器，L为补偿电感，其与换能器并联；R和C是换能器等效阻抗。同样，逆变器也有4个桥臂构成，每一臂由开关器件IGBT和与其串联的二极管组成。由于的作用，电流为平滑电流。通过对开关器件(VTlVT4)的控制，使直流电流而变换成高频的交流矩形波电流输出。为使逆变器正常工作，应控制逆变器开关器件的工作频率略高于负载谐振频率。此时负载回路对输出的高频矩形波电流中的高

23、次谐波电流呈现低阻抗，对其基波电流呈现高阻抗，因而使输出电压“B接近正弦波。并联逆变桥的四个开关状态及其工作原理分别如图28所示。图2.8并联谐振逆变器工作原理图在期间，VTl，4导通，电流从电源正端一VTlABVT4一电源负端流通近似为恒值，负载电路工作在振荡状态，负载电压按正弦规律变化形成UA。的正半波。到l时刻，电压下降到零，电容C上的电源极性为左正右负，此时，关断VTl，4，触发VT2,3。在期间，VT2，3处于导通状态，电流从电源正端一VT2一B A一4一电源负端流通，电流=也，近似为恒值，电压形成“B负半波。24功率控制方案比较 根据逆变器的功率调节方式，可以将串联谐振逆变器的调功

24、方法分为两种：(1)直流调 功：通过调节逆变器输入端直流电压的幅值来调节输出功率，一般采用直流斩波电路或晶闸管相控整流电路来调节输出功率；(2)逆变调功：通过调节逆变器输出电压的频率来调节负载功率因数，或调节输出电压的有效值的大小(调节占空比)来实现功率调节。 241 功率控制方案的选择 逆变侧调功与直流调功的方法相比，可以用不控整流，使控制电路大大简化，而且输出功率的速度比用可控整流要快。但逆变侧调功这三种方法各自存在着不可忽略的缺点。采用晶闸管相控整流调功，整流器的功率因数会随着整流器触发角的变化而变化，从而使电源效率受影响。斩波调功在直流电压下工作，供电功率因数高，对电网的谐波干扰小；电

25、路的工作频率高；适用于电压型逆变器使用，所以本文选用不控整流加斩波器的调功方式，并采用ZVSPWM软开关技术来降低开关损耗。斩波电路是BUCK变换器。其电路结构如图214所示，其工作的基本原理为：开通S则电源E对负载供电，关断S后负载经二极管D和电感续流，控制开关管S的开通占空比D就可以控制变换器的输出电压。因其输出端电压 总低于输入端电压E，故称为降压变换器。不控整流加斩波器是串联逆变电源输出功率控制的有效方法之一。下面我们从数学平均模型上来分析，Buck的平均模型为： (1) (2) (3)将（1）（2）（3）联立方程2.1。由21式可得BUCK变换器的传递函数： 2.2从式25可知，调节

26、占空比D可以调节BUCK变换器的输出电压，也就是调节超声波电源逆变器的直流输入电压，因逆变器输出电压基波有效值与直流输入电压呈线性关系，进而调节了逆变器负载端电压和电流，即调节了输出功率。 在这种传统的开关过程中，存在着较大的开关损耗和开关噪声。开关损耗随着开关频率的提高而增加，使电源的效率降低，不利于开关器件的安全工作。而且开关噪声给电路带来了严重的磁干扰问题，影响周边电子设备的正常工作。 图2.9降压斩波电路图图2.10 ZVZCS P删降压斩波电路图 在原来的开关电路基础上增加很小的电感、电容、二极管以及辅助开关管等元件,可以使电路中的开关器件在开通前电压先降为零，或关断前电流先降为零，

27、可以减小或消除在开关过程中电压、电流的重叠，降低它们的变化率，从而大大减d,Y开关损耗和噪声，这样的电路就是软开关电路。软开关电路种类繁多，层出不穷，本文选用一种新型的ZV-ZCSPWM电路，其电路构成如图215所示。 与传统的BUCK变换器相比较，增加了一个电容，两个二极管，一个电感以及一个开关管。该ZV-ZCS电路，其辅助开关S。是在零电流下开通，近似零电压下关断，主开关S是在零电流条件下开通，零电压条件下关断。二极管也都是在软开关状态下开关，各元件所受应力都比较小。 25主电路的设计 251主电路拓扑结构的确定 本章概括的介绍了超声波电源主电路的拓扑结构，分别对整流环节、滤波环节和逆变环

28、节进行了对比分析介绍。通过对各种电路拓扑进行结构复杂度、性能及成本上的综合比较，文中确定超声波电源等效主电路拓扑结构如图216所示，主电路由三相不控整流桥、软开关BUCK斩波器、电压型串联谐振逆变器和负载匹配电路四个部分组成。斩波器和逆变器中的开关器件采用新型电力电子器件IGBT。三相交流电经桥式不控整流整成脉动的直流电压，在经过电容“对直流电压平滑滤波后，该电压被输出到有源无损软开关BUCK斩波器进行斩波功率调节，为减小电网电流的脉动和平滑输出的直流电压，斩波器一般接入由电抗和电容Cl组成的低通滤波器。 图2.11超声波电源主电路结构图252主电路的参数计算 设计的串联谐振超声波电源基本参数

29、为： (1)超声波电源输出在换能器上功率R为2000W-5000W，最大值为5000W。 (2)超声波电源换能器的静态谐振频率约为28 KHz，斩波器的斩波频率28 KHz。 (3)输入电源：，3相，相电压有效值为220V，线电压有效值380V。 (4)设整流器、斩波器、逆变器、匹配电压器的效率依次为=90，=90，=90， =95 分别对主电路进行计算，并根据目标需要对元件进行选型。 (1)整流部分的计算和选型 三相不控整流输出电压： (相电压班有效值220V) 23 整流器的输出功率为 24整流器的输出电流： 2. 5 整流二极管所承受的正反向电压最大值为三相交流电网线电压的峰值，实际应用

30、中需要考虑到电网电压的波动及各类浪涌电压的影响，因此需要留有一定的安全裕量，一般取为峰值电压的23倍， 2. 6 流过二极管的电流有效值： 2. 7一定的安全裕量，可求得整流二极管的额定正向均电流为： 2. 8所以，可取二极管的耐压为1200V20A的整流二极管。 (2)滤波电解电容G的选取 空载直流电压为540V，有负载时直流电压约降为10，约U=60V,所以，电解电容C为5000uF600V。 (3)斩波器开关管和主续流二极管DF的选取斩波器主开关管S流过的最大电流为整流器输出最大电流1274A，承受的电压为 续流二极管。辅助开关管Sa选取与主开关相同型号IGBT。 (4)逆变器部分的计算

31、和器件选型 主开关器件IGBT的参数确定：IGBT所承受的正向电压值就是前端斩波器的输出电压以=UD(D为斩波器开关管的占空比，从安全考虑取值为1)，实际应用中留有 一定的安全裕量，一般为23，所以IGBT的额定电压为； 2.9 所以，我们选额定电压为1200V的IGBT。逆变器输出电压的傅立叶级数变换式为： 2.10基波分量有效值最大为： 2.11负载谐振时，高次谐波的阻抗较大，它们的输出功率可以忽略不计，整个逆变器的输出 功率可以认为是基波分量的功率，即： 2.12由于超声波电源的负载处于谐振状态，功率因数较大，这里取值为095，基波电流值为： 2.13最大值： 2.14选取IGBT型号时

32、，我们耿流过IGBT电流最大值的两倍计算，即： 2.15所以我们选用型号为1200V40A的IGBT。 3 逆变器控制系统设计 31锁相环频率自动跟踪 超声波电源输出电信号频率与换能器谐振频率就存在差异，使得电路效率降低。对高频逆变器而言，为了解决频率漂移问题，保证逆变器件可靠换流和电源工作在较高的功率因数，以获得最佳的电声效率，逆变输出频率需要随着负载频率的变化而变化，使逆变器输出频率总是等于负载频率，也就是说控制电路必须具有频率跟踪的功能。 实现频率跟踪的方法很多，最简单的是人工调节。这种方法在早期他激式超声波清洗机中得到了广泛的应用。目前市场上还有这类清洗机在销售。但是，它的缺点也非常明

33、显，即它的频率不能实现实时跟踪，而且频率的调节需要人工干预，常常影响清洗效果。为了适应超声技术的各种实际应用，人们设计了自激式超声波发生器。自激式超声波清洗机有两种频率跟踪方案，即声跟踪和电跟踪方案。它们都是采用反馈的方式来实现频率跟踪，反馈强度常常随换能器参数发生变化，反馈信号的强度很难控制。当反馈 信号过强时，会使系统的工作频率偏离设计值，而当反馈信号处于临界值或临界值以下时，又会容易使系统停振。因此，这两类自激式方案只适用于换能器或换能器阵列总频带较宽，并且在工作中参数变化不大的超声波清洗机。随着锁相技术的发展与广泛应用，人们又发展了采用锁相环技术来实现频率跟踪的方法。 锁相环(PLL)

34、I艉-种反馈控制系统，又是一种闭环跟踪系统。它是使输出信号(由振荡器产生)与参考信号(即输入信号)在相位与频率上同步的一种电路。同步状态称为锁定，在此状态下振荡器的输出信号与参考信号之间的相位误差是零或者非常小。如果存在相位差，通过控制电路作用与振荡器的方式使相位误差再次降为最小值。PLL鉴相器(PD)、环路滤波器(LPF)和压控振荡器(VCo)三个基本部分组成，如图31所示。 压控振荡器VCO环路滤波器LPF输入信号鉴相器PD 输出信号1/N图3.1锁相环PLL组成方框图 鉴相器是相位比较装置，它把输入信号和压控振荡器的输出信号的相位进行比较，产生对应于相位差的误差电压。 鉴相器之后为环路滤

35、波器，它的作用是滤除鉴相器的输出信号中的高频分量和噪声，以保证环路所要求的性能，增加系统的稳定性。 压控振荡器受滤波器输出的电压控制，使得压控振荡器的频率向输入信号的频率靠拢，也就是使差拍频率越来越低，直至消除频率差而锁定。 锁相环在开始工作时，通常输入信号的频率与压控振荡器未加控制电压时的振荡频率是不同的。由于两信号之间存在固有的频率差，它们之间的相位差势必不断的变化,并超过2石，而鉴相器的特性是以相位差2万为周期的，结果鉴相器输出的误差电压就在一定范围内摆动。在这种误差电压控制之下，压控振荡器的频率也就在相应的范围之内变化。若压控振荡器的频率能够变化到与输入信号频率相等，便有可能在这个频率

36、上稳定下来。达到稳定之后，输入信号与压控振荡器输出信号之间的频差为零，相位不再随时间变化，误差电压为一固定值，这时环路就进入锁定状态。 目前，锁相式频率自动跟踪系统的锁相环路有许多专用集成电路，集成锁相式频率自动跟踪系统具有如下特点： (1)由于锁相环是一个极好的带通滤波器，因此，不会产生系统误差到非谐振的其它频率之上； (2)频率自动跟踪系统的控制信号与取样的电压、电流波形的好坏，关系并不大； (3)输出功率相对较稳定，不会因为负载的变化而发生显著变化； (4)由于控制系统工作在小信号状态下，所以能长时间连续地工作。超声波电源中锁相式频率自动跟踪系统电路框图如图3-2所示。 图3.2超声波电

37、源频率跟踪电路结构框图 由图32可知，超声波电源中锁相式频率自动跟踪系统由相位比较器、电压比较器低通滤波器、压控振荡器、激励放大器，功率放大器、电流取样及电压取样等组成，是一个闭环系统，它利用了术级换能器上的电压和电流之问的相位差，经相位比较后，获得相位误差信号，再经低通滤波之后，去控制压控振荡器的输出信号的频率，使之保持与振动系统机械谐振频率一致，本文中锁相式频率跟踪系统采用集成锁相环CD4046。 3. 2锁相环CD4046结构及其数学模型3.2.1CD4046内部结构和外围器件选择 用集成锁相环CD4046来实现超声波电源逆变控制单元频率跟踪和相位锁定这两种源极跟随器、运算放大器和一个5

38、V左右的齐纳二极管共六部分电路组成。鉴相器PDI 采用“异或一门结构，当两个输入端信号的电平状态相异时，输出端信号为高电平；反之，两个输人端电平状态相同时，输出为低电平。当两个输入端相位差在范围内变化时输出脉冲的占空比亦在改变。从鉴相器PDI的输入和输出信号的波形可知，其输出信号的频率等于输入信号频率的两倍，并且与两个输入信号之间的中心频率保持90度相移。 图3.3锁相环CD4046结构图 CD4046提供数字误差信号和相位脉冲(锁定信号)两种输出，当达到锁定时，在鉴相器PDII的两个输入信号之间保持oo相移。对鉴相器PDII而言，当14脚的输入信号比3脚的比较信号频率低时，输出为逻辑“0；反

39、之则输出为逻辑“1。如果两信号的频率相同而相位不同，当输入信号的相位滞后于比较信号时，鉴相器PDII输出为正脉冲，反之当输入信号相位超前比较信号时，则输出为负脉冲。在这两种情况下，从1脚都有与上述正、负脉冲宽度的负脉冲产生。从鉴相器PDII输出的正、负脉冲宽度均等于两个输入脉冲上升沿之间的相位差。而当两个输入脉冲的频率和相位均相同时，鉴相器PDII的输出为高阻态，则l脚输出为高电平。由此可见，从l脚输出信号是负脉冲还是固定高电平就可以判断两个输入信号的情况了。 综上所述，CD4046工作原理如下：输入信号从14脚输入后，经放大器AI进行放从3脚输入的比较信号与输入信号作相位比较，从相位比较器输

40、出的误差电压则反映出两者的相位差。误差电压经环路滤波器后得到一控制电压加至压控振荡器VCO的输入端9脚，调整VCO的振荡频率，使其迅速逼近输出信号频率。VCO的输出又经除法器再进入鉴相器PDI，继续与输入信号进行相位比较，最后使得VCO的输出振荡频率与输入信号频率相同，两者的相位差为一定值，实现了相位锁定。若开关拨至13脚，则鉴相器PDII工作，过程与上述相同。 一般情况下，CD4046工作时需要接外围元器件CI、尺I和惑，它们决定了压控振荡器VCO的中心频率石。在图3-3中，若只外接电阻Rl，不接恐，当输入电压为零时，VCO输出最低频率，其值为零；当输入电压为D时，VCO则输出最高频率，其值

41、为： 3. 1 上式中RI应在lO陋至1MQ之间选取。如果对VCO输入频率范围有要求，则需要同时使用外接电阻Rl和恐，当输入电压为零时，VCO输出最低频率： 3. 2输入电压为D时，VCO输出最高频率： 3. 3 用电位器微调Rl和尺2的值，就可以得到所需频率的设计范围。CD4046的外围部件选择下述范围为宜： 3. 4 3.2.2 CD4046的数学模型及性能分析 因为鉴相器PDI会锁定在压控振荡器的谐波上，所以这里我们选用鉴相器PDII LPF和VCO的传递函数，H似表示反馈通道的传 设GI(s)，62(J)，63(s)分别表示PDII递函数，那么在图31中锁相环的开环传函表示为： GP(

42、s)=GI(s)G2(s)。G3(s) 3. 5 鉴相器PDII的传递函数可写为： 3. 6式中，肠是鉴相器的增益，鉴相器的输出信号和相位误差的变化范围分别为和 压控振荡器VCO的传递函数为： (是VCO的增益) 3. 7 环路滤波器常用的有RC积分滤波器、无源比例积分型以及有源比例积分型滤波器，本文选用RC滞后型积分滤波器， 设反馈传递函数H(s)=IN,锁相环的开环传递函数和闭环传递函数分别为： 3. 8 3. 9 其传递函数为： 3.10 其中NTO，NO，KdKoo，根据劳斯赫尔维茨判据可以知道，该系统稳定。误差传递函数： 3.11 接下来分析稳态误差，当输入是幅值为A0的相位阶跃时，

43、则输入信号的拉氏变换为： 3.12根据终值定理可得： 3.13 当输入为频率阶跃时，设其幅值为国，此时其输入相位为61(t)=tA07，其拉氏变换为： 3.14根据终值定理可得： 3.15 超声波电源中换能器参数变化很慢，一般只存在相位阶跃和频率阶跃两种情况，通常远大于，所以采用滞后性LPF的稳态误差很小，系统稳定。 33死区宽度对逆变器性能的影响 33I死区处于不同位置时对逆变器性能的影响 对串联型高频超声波电源，为了避免上下桥臂直通短路，在两路驱动信号之间需留有一定的死区时间，死区时间的位置和大小跟器件的开关损耗、逆变器运行性能以及负等效参数密切相关。 对于图25所示的串联谐振逆变器，首先

44、分析一下死区处于不同位置时对逆变器性能的影响。图34示出了串联谐振逆变器开关管死区位置，图中正弦波波槽路电流，矩形波为驱动信号。（a）（c）图3.4死区的3种不同位置 驱动脉冲在电流过零点处开通，在电流快过零时关断工作过程如下：VTl，yr4导过关断延迟时间，然后VTl，V，r4的两端电压开始上升，伴随此过程，CI，C4上的电压上升，C2c3上的电压开始下降。实际上，负载电压在此过程会随之变化，待1，VT4线杂散电感释放储能，从而在VTl，VT4上产生尖峰电压。经过以上过程，l，VT4可靠关断，而负载电流仍未过零，Q，c3会分别以沈的电流对Cl，c4放电，伴随此过 程，负载上的电压开始反向上升

45、，即开始变为左负右正，待C2，c3放电结束后，Cl，c4上的电压为，即vTl，VT4上承受的电压分别是逆变器输入端电压，负载上的电压也为，方向左负右正。此时vT2，vT3为零电压开通。即使此时负载电流还未过零，和槽路电流是同相的，因此对电路的性能不会有太大的影响。 驱动脉冲在电流快过零时开通，在电流过零点处关断工作过程如下：VTl，vr4导及D4VT32将分别产生瞬间短路，由于续流二极管的反向恢复电流经历了由零增到最大和由最大减小为零的过程，而V他，VT3的电流逐渐增大，因此短路电流是不断变化的，身短路放电，实际上当它们的充放电过程结束时，VT2，VT3己完全开通。该方式中，逆 变器的输出电压

46、可能会存在-4段时间电压为零的情况，同时因二极管反向恢复电流，以及输出电容经管子本身短路等因素可能会引起电路中的杂散参数产生振荡，所以该方式下逆变器的输出电压会出现比前者大的电压尖峰和振荡。 驱动脉冲在电流快过零点时开通，在电流快过零时关断工作过程如下：与(a)图中的情况相同。经过以上过程，vTl，VT4己可靠关断，若负载电流还未过零，则Q，c3放电，Cl，C4充电，负载上的电压反向上升，并经D2，D3续流。若负载电流已过 零则直接进入阶段。负载电流方向改变，若经历了阶段，则cl，Q分别经c3，D3 和G,ih(此时，D2D3流过的为反向恢复电流)形成的两个环路放电。若未经过阶段脉冲到来时，G

47、，Q再次对a，C：I放电，而Dl，D4又存在了反向恢复电流。 由上面分析可知，若在C3，G放电结束时，负载电流恰好过零，此时开通V睨，VT3 为最佳时刻。若在电流过零后仍未开通VT2，VT3，则负载电流会经DI，D续流，而负载 端电压也会重新变为左正右负，大小等于，VT2，vr3的输出电容也会重新被充电为 。在这种情况下开通vrr2”3，则负载电压会重新变为左负右正，而C3，c会经流尖峰，故应保证在电流过零前开通VT2，VT3，亦即整个换流过程应发生在电流过零前。 332最佳死区时间的选择 如果器件为理想开关，开关过程可在瞬间完成，则不存在关断损耗，但实际上关断需要一段时间。如图35所示关断时

48、的理论波形，因关断时IGBT集电极与发射极之间的电压比上升过程和集电极电流厶下降过程存在重叠时间，导致其功率管IGBT存在关断损耗。对于关断时间，每种具体型号的管子都已经给出了具体参数。 图3.5 功率管IGBT关断过程波形图 由前述分析可知，为防止桥臂直通短路，要遵循先关断后开通的原则，因此一个合理的死区首先应包含器件的关断时间。此外，当l，VT4可靠关断后，桥臂上功率IGBT本身短路放电，而输出电容与IGBT内部引线电感可能会发生谐振，从而产生电压和电流尖峰。为了避免这种现象的发生，需待输出电容放电结束后方可开通另一对管子。可见，一个最佳的死区时间应为器件关断时间和输出电容放电时间之和。

49、所以，死区时间起点位于电流快要过零，而结束点恰好位于电流过零点为最佳，最佳死区时间应为IGBT关断时间和输出电容放电时间之和： 34逆变控制系统的硬件设计与实现 超声波电源中控制系统结构框图如图3-6所示： 从图中可以看出，槽路电流毛作为频率跟踪基准信号，用捕获单元CAP捕获时间，由于CAP中断优先级太低，故信号再连接中断优先级较高的XlNT2，当中断发生时，读取CAP，进行DPLL运算，运算中通过IO读取信号进行干扰处理。系统保护有软硬件共同实现，当保护发生时，给逆变驱动电路发出封锁脉冲命令。同时，电路产生保护措施进一步处理。所示，图中利用霍尔电流传感器，高速比较器，集成锁相环CD4046来

50、实现频率跟踪锁相环与UC3875、数字逻辑芯片相结合来实现在线死区调节。 选择槽路电流信号作为锁相环的输入信号，快速比较器MAX901起波形变换的作用，它将霍尔电流传感器送来的负载正弦电流变化为方波信号作为CD4046的参考输入，只要负载谐振频率的变化范围在锁相环的跟踪范围之内，就保证能实现自动跟踪。 CD4046的13引脚与9引脚问所接的低通滤波器，其时间常数限制了系统跟踪输入 信号频率的速度，同时也限SOT捕捉范围。如果时间常数过大，会使环路跟踪在较快变 化的输入频率时引起过度的延迟；而过小，会引起压控振荡器输出频率的反常变化，根据经验，本文选取的尺=10K，C=O1uF。因此锁相环实际输

51、出信号的频率是负载频率的2倍。此信号分两路，一路到信号，然后输入CD4013，这样经过如图3-6所示的数字逻辑运算，就可以得到带有死区时间的两路驱动信号，把这两路驱动信号，输入到IR2110进行驱动功率管IGBT。其中，死区时间的大小，就是UC3875控制后的得到的信号 。图3.6 控制系统电路图图3.7 控制系统波形图 该控制系统中各点波形分析如图38所示，为锁相环CD4046输出信号，为DSP环节输出信号，改变相对于上升沿的延迟时间，就可改变死区宽度。在实际电路中，电流采样，锁相跟踪，隔离驱动等都需要时间，这将引起驱动信号滞后电流信号一个角度，因此必须加相位补偿电路。本文利用CD4046锁相环中PDII的特点，在比较器 MAX901的负相端接一偏置电压，使得输出信号上升沿提前厶r时间，调节电位器即可调节4r的值。IR2100，驱动开关器件IGBT。 341采样模块与外围电路设计 (1)电流电压采样电路 根据对逆变控制电路的要求可以知道，必须要从谐振槽路选取一个频率反馈信号给逆变控制电路进行频率跟踪。本文选取槽路电流作频率反馈信号，其采样电路如图3-9所示。逆变器输出电流为正弦波，由电流霍尔传感器将检测的电流经过滤波，跟随，然进。 图3.8 电流采样电路图图3.9 电压采样电路