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超声波发生器技术

摘 要本文首先简单地介绍超声波发生器的几个主要阶段,然后侧重对开关型超声波发生器作详细
介绍,包括几种成熟的典型线路的设计及调试注意事项,最后将对现在国际上先进的几种控制方式作一些
探讨。

1前言

超声波清洗设备是以超声波作用于清洗工件,使得附着在工件上的颗粒、油污等随超声波的机械振动而脱落或溶解或乳化等,达到洗净工件的目的。从原理上说,超声波清洗设备中核心部分应该是超声波的作用。
超声波清洗设备中的超声波部分分为两大部件;一个是超声波换能器{或称超声波振头);另一个是超声波发生器,超声波换能器是将超声波发生器提供的电信号转换为机械振动.这篇文章只讨论超声波发生器,不对超声波换能器作讨论.

超声波发生器(以下简称发生器)实质是一个功率信号发生器,它产生一定频率的正弦(或类似正弦)信号,超声波发生器的发展与电力电子器件发展密切相关,一般可分为电子管、模拟式晶体管.开关式晶体管这几个阶段,下面分别叙述。

2.超声波发生器的原理
超声波发生器的原理用图1来说明。



首先由信号发生器来产生一个特定频率的信号,这个信号可以是正弦信号,也可以是脉冲信号,这个特定频率就是换能器的频率,一般在超声波设备中使用到的超声 波频率为25KHz、28KHz、35KHz、40KHz;1OOKHz或以上现在尚未大量使用.但随着以后精密清洗的不断发展。相信使用面会逐步扩大.

功率放大器可有多种形式,如电子管甲类放大器.甲乙类放大器;晶体管甲类或乙类放大器(均属于模拟式):晶体管开关式放大器等,功率一般从50W到 5000W不等,由信号发生器产生的频率信号经过功率放大器后 需经过阻抗匹配, 使得输出的阻抗与换能器相符,推动换能器将电信号转换为机械振动.

比较完善的超声波发生器还应有反馈环节,主要提供二个方面的反馈信号:第一个是提供输出功率信号,我们知道当发生器的供电电源(电压)发生变化时.发生器 的输出功率也会发生变化,这时反映在换能器上就是机械振动忽大忽小,导致清洗效果不稳定.因此需要稳定输出功率,通过功率反馈信号相应调整功率放大器,使 得功率放大稳定。

第二个是提供频率跟踪信号.当换能器工作在谐振频率点时其效率最高,工作最稳定,而换能器的谐振频率点会由于装配原因和工作老化后改变,当然这种改变的频 率只是漂移,变化不是很大,频率跟踪信号可以控制信号发生器,使信号发生器的频率在一定范围内跟踪换能器的谐振频率点.让发生器工作在最佳状态。当然随着 现代电子技术,特别是微处理器(uP)及信号处理器(DSP)的发展,发生器的功能越来越强大,但不管如何变化,其核心功能应该是如上所述的内容,只是每 部分在实现时技术不同而已。

3.发生器发展的几个阶段

发生器发展可以分为三个大的阶段;第一个阶段是采用电子管放大器;第二个阶段是采用晶体管模拟放大器;第三个阶段是采用晶体管数字(开关)放大器。

3. 1电子管放大器
在早期上世纪80年代前,信号的功率放大还采用电子管.采用电子管的唯一好处呈它的动态范围较宽.这个好处对于音频放大器致关重要,但对超声波发生器没有什么用处,因此一旦功率晶体管出现后即遭淘汰.电子管的缺点很多,例如,功耗大。体积大、寿命短,效率低。

3.2晶体管模拟放大器
上世纪80年代到90年代中旬,功率晶体管发展已非常成熟,各种OCL及OTL电路均适用于发生器.它的原理图如图2所示.

信号发生器产生一个特定频率的正弦波,经前置放大器进行信号放大,推动功率放大器进行功率放大。再经阻抗变换,提供给换能器,其中VCC,VEE是通过变压.整流、滤波后的直流电源。
但模拟功率放大器有几个缺点:

(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.功率管的发热导致工作不太稳定.

(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,况且发生器所需求的直流电源是通过变压器降压。整流。滤波后得到的.大功率的变压器比较重,效率也比较低.

(3)不易使用现代的微处理器来处理,由于该电路呈现一个比较典型的模拟线路特征,用数字处理比较复杂,涉及到A/D(模拟转数字)和D/A(数字转模拟),成本比较高,可靠性低.

表1 三种类型发生器主要性能特点

项目\类型 电子管发生器 晶体管模拟型发生器 晶体管开关型发生器
电路形式 简单 简单 原来较复杂,采用IC后,较简单
输出功率
体积
功耗
效率 低 约40% 中 60%--70% 高 80-90%
调试方法 简单 一般 复杂
寿命
重量
自动化程度
保护电路 简单 中等 复杂
优缺点,现状及前景 动态范围宽,但由于其他缺点太多,现已被淘汰 线路成熟,在小功率场合(200W以下),成本较低,在一定范围内应用 在较大功率场合(200W以上),应是主流发展方向,另外可以方便与微电处理器结合


3.3晶体管开关型放大器


随着电力电子器件的发展。特别是VDMOS管(垂直沟道MOS管,也可称功率场效应管)和IGBT(隔离栅双极晶体管)的发展和成熟,使得采用开关式发生器成为可能,实际上开关型发生器的发展是开关电源的成果之一,下面着重讨论晶体管开关型发生器.

开关型发生器的原理是通过调节开关管的占空比(或导道与截止时间)采控制输出的功率。由于晶体管在截止和饱和导通时的功耗很小,因此这种开关型发生器的特点是:

(1)功耗低,效率高:开关管在开关瞬时的功耗较大,但时间很短,在截止或导道时的功耗很小.时间较长,因此总的功耗较小,而且基本恒定.最高效率可以达到90%以上.

{2)体积小.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较大,加上直流电源直接变换使用,不需电源变压器降压,因此它的体积较小,重量轻,单位功率所占的体积和重量值较小.
(3)可靠性好.与微处理器等配合较容易,电子器件在工作时的温升较低,工作就可靠,加上全数字(开关)输出,可用微处理器直接控制.

3 4三种类型发生器主要性能特点(见表1)

4.开关型发生器发展的几个过程
开关型发生器的发展其实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的发展紧密相连,电力电子开关器件的发展过程如下(见表2):

表2 电力电子开关器件的发展过程

20世纪50年代 20世纪60年代 20世纪70年代 20世纪80年代 20世纪90年代
可控硅SCR(晶闸管) 快速晶闸管 可关断晶闸管

1高压GTR
2 IGCT
3 MCT(MOS晶闸管)

大功率,大容量,高性能,省吸收与IGBT结合,优势互补
    电力晶体管GTR 1 IGBT绝缘栅晶体管
2 功率MOS
1 高速IGBT,WARP-SPEED
2 低电荷功率MOSFET

 

第 一种型式是用双极开关晶体管(双极型开关晶体管)作为开关电源的开关管,它的主要缺点是由于双极开关管的上升、下降时延较大,开关频率不能太高(一般在 20KHz以下).线路成熟,价格低.在开关电源场合还有很多应用,但在超声波发生器中由于开关频率表2电力电子开关器件的发展过程低,没有太大的应用.

第二种型式是用VDMOS管(垂直沟道MOS管,或称功率MOS管),VDMOS管也有几代的发展,其主要优点是:开关频率高(可达1MHz),驱动简单 (电压型驱动),抗击穿性妤(没有雪崩效应),缺点是耐高压的器件,导通电阻大.在高压大电流场合功耗较大,因此大功率(1 500W以上)有些困难,但随着VDMOS工艺不断改进 输出功率也越来越大。在超声波中可以用于100kHz以上的发生器.

第三种型式是IGBT(隔离栅双极管),是一种MOS与双极管结合的产物,既有MOS管开关频率高,驱动简单等优点,也有双极管导通压降小,耐压高等优 点.它的开关频率日前可以在40—50KHz,功率可以达到5000w,在一般超声波发生器中可以很少的运用,它的价格较高,保护线路要求复杂。

它们之间的比较可用表3来说明。

表三 三种形式电力电子开关器件的比较

项目\类型 双极开关管 VDMOS IGBT
线路方式 简单 已成熟,一般 复杂
频率 低(20KHz) 高(100KHz)以上 中(20-50KHz)
耐压
驱动方式 电流型(复杂) 电压型(简单) 电压型(简单)
在发生器中应用 不用 在小功率(1500W以下)或高频率(100KHz以上)应用 大功率(1500W以上),和一般频率(40KHz)以下应用
造价

电力电子器件经历了工频,低频,中频到高频的发展历程,与此相对应, 电力电子电路的控制也从最初以相位控制为手段的由分立元件组成的控制电路发展到集成控制器.再到如今的旨在实现高频开关的计算机控制,并向着更高频率,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。提高了控制信号的开关频率,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方便地调整控制方案和 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,从而提高系统的可靠性.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 。


超声波发生器应用数字化控制技术一般有三种形式.

(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/ ROM、定时器/计数器和I/O接口等单元的微控制芯片, 具有速度快,功能强、效率高、体积小,性能可靠、抗干扰能力强等优点,在各种控制系统中应用广泛。单片机的CPU经历了由4、8,16、32直至64位的 发展过程, 主要以美国INTEL公司生产的MCS一51(8位)和MCS—96(1 6位)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,一般作为整个电路的主控芯片运行,完成多种综合功能。配合D/A转换器和 MOSFET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,通过数字化的控制方法,得到高精度和高稳定度的控制特性,并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,而且处理速度也很难满足高频电路的要求,这就使人们不得不转而寻求功能更强的芯 片的帮助 于是 DSP应运而生。

(2)采用DSP控制
数字信号处理器{DSP)是近年来迅速崛起的新一代可编程处理器.其内部集成了波特率发生器和FiFO缓冲器,提供高速同步串口和标准异步串口,有的片内 还集成了采样/保持和A/D转换电路,并提供PWM信号输出.与单片机相比,DSP具有更快的CPU.更高的集成度和更大容量的存储器.
DSP属于精简指令系统计算机(Risc),大多数指令都能在一个周期内完成并可通过并行处理技术,在一个指令周期内完成多条指令.同时,DSP采用改进 的哈佛结构,具有独立的程序和数据空间,允许同时存储程序和数据.内置高速的硬件乘法器,增加了多级流水线.使其具有高速的数据运算能力.而单片机为复杂 指令系统计算机(CiSC),多数指令要2-3个指令周期才能完成.单片机采用诺依曼结构,程序和数据在同一空间存储,同一时刻只能单独访问指令或数据. 单片机的ALU只能做加法,而乘法则需 要由软件来实现,因而需要占用较多的指令周期,速度比较慢。与16位单片机相比.DSP执行单指令的时间快8—10倍,一次乘法运算时间快16-30倍.

在超声波发生器中。DSP可以完成除功率变换以外的所有功能,如主电路控制、系统实日十监控及保护.系统通信等.虽然DSP有着许多优点,但是它也存在一 些局限性,如采样频率的选择、PWM信号频率及其精度、采样延时、运算时间及精度等.这些因素会或多或少地影响电路的控制性能。

{3)采用FPGA控制
现场可编程门阵列(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I/O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,多则几万或几十万千等效门.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(VHDL)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高的场合使用;而当系统取样速率高(MHz级),数据率高 (20MB/s以上)、条件操作少、任务比较固定时,FPGA更有优势。

5.几种典型的开关式发生器电路型式

5. 1半桥型,原理图如图3所示.

半桥型电路比较简单,PWM控制器是一块多功能IC(集成电路),兼作频率发生器及脉宽调制器,还集成一些保护性电路。负反馈电路等.一般采用 TL494,Ic的输出经过信号驱动后供开关管.二个开关管轮流导通,抗匹配,供换能器使用。功率的调节有两种方式;第一种是调节频率。由于换能器在谐振 频率时输出功率最大,其消耗功率也大,因此当调节频率为换能器的谐振频率时,其功率最大,我们可以调偏频率,使换能器偏离谐振频率,换能器的功率也会降 低,偏离频率越大,功率降低越大,达到调节功率的目的.
另一种方式 是固定频率,调节占空比。当开关管导通时间较长时,输出的功率较大,导通时间较小.输出功率变小,如图4所示。


这种形式的电路还可以加上功率负反馈电路,当电源电压变化时可以通过反馈调节占空比,使输出功率稳定.

5 2全桥型

原理图如图5所示

全桥型原理基本上与半桥型相似.它是通过一对管同时开关而在负载上得到变频信号.当TAl与TA2导通而TB1,TB2截止时。Tout得到①负②正信 号;当TB1,TB2导通而TAl与TA2截止时,Tout得到①正②负信号,如此循环,在Tout①、②得到一个交变的功率信号。
全桥型发生器的功率调节也可分为二种情况,与半桥型相似。
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[来源:原创] [作者:guosheng] [日期:16-04-02]
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