一、超聲波發(fā)生器的基本原理
首先由信號(hào)超聲波發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生一個(gè)特定頻率的信號(hào)，這個(gè)信號(hào)可以是正弦信號(hào)，也可以是脈沖信號(hào)，這個(gè)特定頻率就是超聲波換能器的頻率，一般在超聲波設(shè)備中使用到的超聲波頻率為20KHz、28KHz、35KHz、40KHz；1OOKHz或以上現(xiàn)在尚未大量使用．但隨著以后精密超聲波設(shè)備的不斷發(fā)展。相信使用面會(huì)逐步擴(kuò)大．比較完善的超聲波發(fā)生器還應(yīng)有反饋環(huán)節(jié)，主要提供二個(gè)方面的反饋信號(hào)：
第一個(gè)是提供輸出功率信號(hào)，我們知道當(dāng)超聲波發(fā)生器的供電電源（電壓）發(fā)生變化時(shí)．超聲波發(fā)生器的輸出功率也會(huì)發(fā)生變化，這時(shí)反映在超聲波換能器上就是機(jī)械振動(dòng)忽大忽小，導(dǎo)致清洗效果不穩(wěn)定．因此需要穩(wěn)定輸出功率，通過(guò)功率反饋信號(hào)相應(yīng)調(diào)整功率放大器，使得功率放大穩(wěn)定.
第二個(gè)是提供頻率跟蹤信號(hào)．當(dāng)超聲波換能器工作在諧振頻率點(diǎn)時(shí)其效率最高，工作最穩(wěn)定，而超聲波換能器的諧振頻率點(diǎn)會(huì)由于裝配原因和工作老化后改變，當(dāng)然這種改變的頻率只是漂移，變化不是很大，頻率跟蹤信號(hào)可以控制信號(hào)超聲波發(fā)生器，使信號(hào)超聲波發(fā)生器的頻率在一定范圍內(nèi)跟蹤超聲波換能器的諧振頻率點(diǎn)．讓超聲波發(fā)生器工作在最佳狀態(tài)。
當(dāng)然隨著現(xiàn)代電子技術(shù)，特別是微處理器(uP)及信號(hào)處理器(DSP)的發(fā)展，超聲波發(fā)生器的功能越來(lái)越強(qiáng)大，但不管如何變化，其核心功能應(yīng)該是如上所述的內(nèi)容，只是每部分在實(shí)現(xiàn)時(shí)技術(shù)不同而已。
但模擬功率放大器有幾個(gè)缺點(diǎn)： (1)不易使用現(xiàn)代的微處理器來(lái)處理，由于該電路呈現(xiàn)一個(gè)比較典型的模擬線(xiàn)路特征，用數(shù)字處理比較復(fù)雜，涉及到A／D(模擬轉(zhuǎn)數(shù)字)和D／A(數(shù)字轉(zhuǎn)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(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、參數(shù)整定不方便、溫度漂移嚴(yán)重，容易老化等缺點(diǎn)．專(zhuān)用模擬集成控制芯片的出現(xiàn)大大簡(jiǎn)化了電力電子電路的控制線(xiàn)路。提高了控制信號(hào)的開(kāi)關(guān)頻率，只需外接若干阻容元件即可直接構(gòu)成具有校正環(huán)節(jié)的模擬調(diào)節(jié)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(shù)的精度和一致性、元件老化等問(wèn)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(qiáng)等問(wèn)題． 用數(shù)字化控制代替模擬控制，可以消除溫度漂移等常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器難以克服的缺點(diǎn)，有利于參數(shù)整定和變參數(shù)調(diào)節(jié)，便于通過(guò)程序軟件的改變方便地調(diào)整控制方案和實(shí)現(xiàn)多種新型控制策略，同時(shí)可減少元器件的數(shù)目、簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)，從而提高系統(tǒng)的可靠性．此外．還可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)的自動(dòng)儲(chǔ)存和故障自動(dòng)診斷，有助于實(shí)現(xiàn)電力電子裝置運(yùn)行的智能化 。
二、超聲波發(fā)生器應(yīng)用數(shù)字化控制技術(shù)一般有三種形式：
(1) 采用AVR高檔單片機(jī)控制 單片機(jī)是一種在一塊芯片上集成了CPU．RAM／ ROM、定時(shí)器／計(jì)數(shù)器和I／O接口等單元的微控制芯片， 具有速度快，功能強(qiáng)、效率高、體積小，性能可靠、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在各種控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。單片機(jī)的CPU經(jīng)歷了由4、8，16、32直至64位的發(fā)展過(guò)程。在超聲波發(fā)生器中，單片機(jī)主要用作數(shù)據(jù)采集和運(yùn) 算處理、電壓電流調(diào)節(jié)、PWM信號(hào)生成、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控和故障自我診斷等，一般作為整個(gè)電路的主控芯片運(yùn)行，完成多種綜合功能。配合D／A轉(zhuǎn)換器和MOSFET功率模塊實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制．另外，單片機(jī)還具有對(duì)過(guò)流，過(guò)熱。欠壓等情況的中斷保護(hù)以及監(jiān)控功能。 單片機(jī)控制克服了模擬電路的固有缺陷，通過(guò)數(shù)字化的控制方法，得到高精度和高穩(wěn)定度的控制特性，并可實(shí)現(xiàn)靈活多樣的控制功能．
(2)采用DSP控制 數(shù)字信號(hào)處理器{DSP}是近年來(lái)迅速崛起的新一代可編程處理器．其內(nèi)部集成了波特率超聲波發(fā)生器和FiFO緩沖器，提供高速同步串口和標(biāo)準(zhǔn)異步串口，有的片內(nèi)還集成了采樣／保持和A／D轉(zhuǎn)換電路，并提供PWM信號(hào)輸出．與單片機(jī)相比，DSP具有更快的CPU．更高的集成度和更大容量的存儲(chǔ)器． DSP屬于精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)(Risc)，大多數(shù)指令都能在一個(gè)周期內(nèi)完成并可通過(guò)并行處理技術(shù)，在一個(gè)指令周期內(nèi)完成多條指令．同時(shí)，DSP采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的程序和數(shù)據(jù)空間，允許同時(shí)存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)．內(nèi)置高速的硬件乘法器，增加了多級(jí)流水線(xiàn)．使其具有高速的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力．而單片機(jī)為復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)(CiSC)，多數(shù)指令要2-3個(gè)指令周期才能完成．單片機(jī)采用諾依曼結(jié)構(gòu)，程序和數(shù)據(jù)在同一空間存儲(chǔ)，同一時(shí)刻只能單獨(dú)訪(fǎng)問(wèn)指令或數(shù)據(jù)．單片機(jī)的ALU只能做加法，而乘法則需 要由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，因而需要占用較多的指令周期，速度比較慢。與16位單片機(jī)相比．DSP執(zhí)行單指令的時(shí)間快8—10倍，一次乘法運(yùn)算時(shí)間快16-30倍． 在超聲波發(fā)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(tǒng)實(shí)日十監(jiān)控及保護(hù)．系統(tǒng)通信等．雖然DSP有著許多優(yōu)點(diǎn)，但是它也存在一些局限性，如采樣頻率的選擇、PWM信號(hào)頻率及其精度、采樣延時(shí)、運(yùn)算時(shí)間及精度等．這些因素會(huì)或多或少地影響電路的控制性能。
{3}采用FPGA控制 現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)屬于可重構(gòu)器件，其內(nèi)部邏輯功能可以根據(jù)需要任意設(shè)定，具有集成度高、處理速度快．效率高等優(yōu)點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)主要分為三部分：可編程邏輯塊、可編程I／O模塊、可編程內(nèi)部連線(xiàn)．由于FPGA的集成度非常大，一片F(xiàn)PGA少則幾千個(gè)等效門(mén)，多則幾萬(wàn)或幾十萬(wàn)千等效門(mén)．所以一片F(xiàn)PGA就可以實(shí)現(xiàn)非常復(fù)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(yǔ)言(VHDL)來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用三個(gè)層次(行為描述、PJL描述、門(mén)級(jí)描述)的硬件描述和自上至下(從系統(tǒng)功能描述開(kāi)始)的設(shè)計(jì)風(fēng)格，能對(duì)三個(gè)層次的描述進(jìn)行混合仿真，從而可以方便地進(jìn)行數(shù)字電路設(shè)計(jì)，在可靠性、體積、成本上具有相當(dāng)優(yōu)勢(shì)．比較而言，DSP適合取樣速率低和軟件復(fù)雜程度高的場(chǎng)合使用；而當(dāng)系統(tǒng)取樣速率高(MHz級(jí))，數(shù)據(jù)率高(20MB／s以上)、條件操作少、任務(wù)比較固定時(shí)，F(xiàn)PGA更有優(yōu)勢(shì)。
三、幾種典型的開(kāi)關(guān)式超聲波發(fā)生器電路型式
1、半橋型． 半橋型電路比較簡(jiǎn)單，PWM控制器是一塊多功能IC(集成電路)，兼作頻率超聲波發(fā)生器及脈寬調(diào)制器，還集成一些保護(hù)性電路。負(fù)反饋電路等．一般采用TL494，Ic的輸出經(jīng)過(guò)信號(hào)驅(qū)動(dòng)后供開(kāi)關(guān)管．二個(gè)開(kāi)關(guān)管輪流導(dǎo)通，抗匹配，供超聲波換能器使用。功率的調(diào)節(jié)有兩種方式；第一種是調(diào)節(jié)頻率。由于超聲波換能器在諧振頻率時(shí)輸出功率最大，其消耗功率也大，因此當(dāng)調(diào)節(jié)頻率為超聲波換能器的諧振頻率時(shí)，其功率最大，我們可以調(diào)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(huì)降低，偏離頻率越大，功率降低越大，達(dá)到調(diào)節(jié)功率的目的． 另一種方式 是固定頻率，調(diào)節(jié)占空比。當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，輸出的功率較大，導(dǎo)通時(shí)間較小．輸出功率變小，如圖4所示。 這種形式的電路還可以加上功率負(fù)反饋電路，當(dāng)電源電壓變化時(shí)可以通過(guò)反饋調(diào)節(jié)占空比，使輸出功率穩(wěn)定．
2、全橋型 全橋型原理基本上與半橋型相似．它是通過(guò)一對(duì)管同時(shí)開(kāi)關(guān)而在負(fù)載上得到變頻信號(hào)．當(dāng)TAl與TA2導(dǎo)通而TB1,TB2截止時(shí)。Tout得到①負(fù)②正信號(hào)；當(dāng)TB1,TB2導(dǎo)通而TAl與TA2截止時(shí)，Tout得到①正②負(fù)信號(hào)，如此循環(huán)，在Tout①、②得到一個(gè)交變的功率信號(hào)。 全橋型超聲波發(fā)生器的功率調(diào)節(jié)也可分為二種情況，與半橋型相似。 功率控制頻率自動(dòng)跟蹤的工作原理 在超聲波電源的應(yīng)用，振動(dòng)系統(tǒng)的溫度、剛度、及負(fù)載力等因素的變化使得系統(tǒng)的諧振頻率發(fā)生了漂移，而振動(dòng)系統(tǒng)是否能始終處于諧振狀態(tài)是超聲應(yīng)用能否進(jìn)行及原量?jī)?yōu)劣的關(guān)鍵，故頻率自動(dòng)跟蹤及跟蹤的速度和精度至關(guān)重要。 超聲電源采用功率設(shè)置頻率跟蹤方式，即采樣負(fù)載的電壓與流過(guò)的電流相位源，當(dāng)相位為某一設(shè)定值時(shí)，超聲波換能器呈純阻性，系統(tǒng)工作在諧振狀態(tài)。
目前應(yīng)用最廣泛的是壓電陶瓷片超聲波換能器，其在振蕩頻率點(diǎn)附近電路，除去靜去電容，超聲波換能器是一個(gè)串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)。L、C、R分別為超聲波換能器的動(dòng)態(tài)電感、動(dòng)態(tài)電容、動(dòng)態(tài)電阻。 由式中可知諧振時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)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(jīng)過(guò)相位比較，得出相位差，用相位差作反饋信號(hào)控制功率及頻率的變化可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械諧振的自動(dòng)跟蹤。超聲電源硬件級(jí)構(gòu)如圖所示，PIC單片機(jī)是超聲電源的控制器，通過(guò)撿測(cè)超聲波換能器的信號(hào)與及操作面板的設(shè)置來(lái)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(chǎn)品主要特點(diǎn)：適合各種大中功率陣列多臺(tái)網(wǎng)絡(luò)控制，操作比效簡(jiǎn)便，只需設(shè)計(jì)每臺(tái)所需要鄰近頻率與需要的鄰近功率及調(diào)整精度即可。 在超聲波焊接電源的應(yīng)用，超聲超聲波換能器振動(dòng)的溫度、剛度、及負(fù)載力等因秦的變化使得系統(tǒng)的諧振頻率發(fā)生了漂移，而振動(dòng)系統(tǒng)是否能給始終處于諧振狀態(tài)是超聲能否進(jìn)行及質(zhì)量?jī)?yōu)劣的關(guān)鍵，故須頻率自動(dòng)跟蹤及功率自動(dòng)調(diào)整和精度至關(guān)重要
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