基于DDS技術(shù)的超聲電源系統(tǒng)的設(shè)計

李夏林, 朱 武

(上海電力學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院, 上海 200090)

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基于DDS技術(shù)的超聲電源系統(tǒng)的設(shè)計

李夏林, 朱 武

(上海電力學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院, 上海 200090)

針對超聲電源系統(tǒng)出現(xiàn)的頻率跟蹤慢、精確度低、振動系統(tǒng)失諧等問題,且為了克服傳統(tǒng)PWM專用芯片產(chǎn)生頻率漂移大的缺點,采用了直接頻率合成技術(shù)(DDS)來產(chǎn)生高頻信號,實現(xiàn)具有高穩(wěn)定性、高精度性的大功率超聲電源.為提高振動系統(tǒng)的功率因數(shù),對超聲換能器進行電感調(diào)諧匹配,并根據(jù)匹配端采樣得到的電壓、電流信號,提出了利用鎖相控制技術(shù)來實現(xiàn)頻率自動跟蹤的方法.

超聲電源; 直接頻率合成; 電感匹配; 頻率跟蹤; 鎖相控制

近年來,隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展,大功率超聲技術(shù)迅速崛起.如今,超聲焊接、超聲治療、超聲加工等技術(shù)在各行各業(yè)的應(yīng)用十分廣泛,并在國民經(jīng)濟建設(shè)中發(fā)揮越來越大的作用.因此,設(shè)計出大功率、低損耗、高穩(wěn)定、智能化的超聲電源系統(tǒng)具有重要意義[1-2].

對于超聲焊接應(yīng)用,其超聲電源振動系統(tǒng)工作在高頻狀態(tài),容易引起換能器的發(fā)熱和工具頭的磨損,且當所帶負載頻繁變動時,會使超聲換能器的工作頻率發(fā)生漂移,與諧振頻率不匹配,導(dǎo)致振動系統(tǒng)的運動振幅減小,焊接效果差且效率降低;并且對應(yīng)不同負載需要,輸出振幅要求也不相同,需要隨加工負載的變化而變化.因此,超聲電源系統(tǒng)不僅要實現(xiàn)對輸出功率的自動調(diào)節(jié)控制,還要對振動系統(tǒng)的諧振頻率進行自動跟蹤.

1 超聲電源系統(tǒng)組成

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

超聲電源系統(tǒng)由超聲發(fā)生器和超聲振動系統(tǒng)兩部分組成,系統(tǒng)框圖如圖1所示.超聲發(fā)生器將220 V和50 Hz的工頻交流電經(jīng)二極管單相橋式組成的不可控整流電路得到直流信號,之后通過由IGBT構(gòu)成的半橋逆變電路,將直流信號轉(zhuǎn)換為高頻交流電.高頻變壓器再將其升至為振動系統(tǒng)所需的電壓值,串聯(lián)電感進行調(diào)諧、變阻匹配,同時起到濾波的作用,此時出來的高頻交流電為近似正弦波,然后激勵超聲振動系統(tǒng)工作.而其中控制系統(tǒng)部分根據(jù)在匹配網(wǎng)絡(luò)端采樣來的電壓、電流信號進行相位檢測,通過改變控制字來實現(xiàn)對頻率的自動跟蹤.

圖1 超聲電源總體結(jié)構(gòu)示意

1.2 電源主回路的設(shè)計

主電源采用半橋逆變式開關(guān)電路作為超聲波發(fā)生器電路,如圖2所示.該電路工作原理為:VT1和VT2兩個開關(guān)管采用輪流導(dǎo)通方式,如當VT1導(dǎo)通時,C1兩端的電壓通過VT1加在高頻變

圖2 超聲電源主回路

壓器T上,此時B點為高電平,A點為低電平;當VT1截止而VT2導(dǎo)通時,C2兩端電壓通過VT2加在高頻變壓器T上,此時A點為高電平,B點為低電平.通過控制IGBT柵極信號的開關(guān)頻率使得在變壓器的副邊得到一個正負交變的激勵信號,從而實現(xiàn)了半橋逆變的功能.而電路中選擇合適的L值和C值使電感L與電容C的諧振頻率和換能器諧振頻率相同,通過這樣的濾波作用可以將高頻方波信號變成近似的正弦波,從而減少對開關(guān)管VT1和VT2以及高頻變壓器的損耗.

1.3 信號發(fā)生器

本設(shè)計選用美國AD公司推出的直接頻率合成芯片AD9850,該芯片利用先進的CMOS工藝直接頻率合成(Direct Digital Synthesizer,DDS)技術(shù),并且支持5 V和3.3 V兩種供電方式,采用28腳SSOP表面貼片封裝形式[3].直接頻率合成技術(shù)的理論依據(jù)奈奎斯特(Nyquist)抽樣定理,且通常由頻率控制字、相位累加器、正弦查詢表、高速比較器、D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器組成.

在系統(tǒng)時鐘信號fclk的控制下,相位累加器的輸出以步長k遞加,k的值由CPU控制的頻率控制字決定,通過改變k值來調(diào)節(jié)DDS的輸出頻率.本文設(shè)計的超聲波發(fā)生器以STC89C52RC單片機為核心,采用并行的寫入方式對系統(tǒng)進行控制,通過程序控制改變控制字以產(chǎn)生頻率可調(diào)的方波波形.

由AD9850輸出方波,通過反相器翻轉(zhuǎn)得到兩路互補的方波.由于橋臂容易發(fā)生誤導(dǎo)通,這兩路高頻信號還不能用來控制開關(guān)管,因此需要設(shè)置死區(qū)時間,如圖3所示.

圖3 死區(qū)時間形成電路

圖3中,當P點為低電平時,經(jīng)過反相器為高電平,通過RC回路進行充電;當P點為高電平時,開關(guān)管導(dǎo)通,電容兩端快速放電.在A和B處得到一列鋸齒波,再將此波形通過電壓比較器,實現(xiàn)帶有死區(qū)時間的波形,其波形如圖4所示.而通過改變電壓比較器的比較電壓可以實現(xiàn)對占空比的調(diào)節(jié),從而滿足對功率的控制.

圖4 死區(qū)時間形成波形

1.4 IGBT的驅(qū)動模塊

本設(shè)計采用針對IGBT的專用混合集成驅(qū)動電路,即日本富士公司開發(fā)的EXB系列模塊.而EXB841適合驅(qū)動300 A/1 200 V以下的IGBT,其最高工作頻率為40 kHz,單20 V電源供電,內(nèi)部產(chǎn)生-5 V的負偏電壓,有過流保護和軟關(guān)斷功能,滿足本設(shè)計要求.采用EXB841專用模塊不僅提高了電路的可靠性,而且簡化了IGBT驅(qū)動和保護電路的設(shè)計[4-5].

IGBT的驅(qū)動保護電路如圖5所示.EXB841本身的6號管腳與開關(guān)管集電極之間只接了一個二極管來保護,這樣容易造成EXB841燒毀或無法正常使用,而此驅(qū)動保護電路中主電路的電流波形由電流傳感器監(jiān)測,LM358放大器的同相端與監(jiān)測轉(zhuǎn)換的輸出電壓信號相連,而放大器的反相端有一個預(yù)設(shè)的比較電壓值.當負載發(fā)生短路時,監(jiān)測的信號會超過比較電壓值,放大器和光電耦合器均會輸出一個高電平,使EXB841的6端“懸空”,IGBT將截止關(guān)斷,發(fā)生短路保護.在2號和9號管腳之間外接穩(wěn)壓管7805(D4)和限流電阻R2,且從兩者之間引出驅(qū)動信號給開關(guān)管E極,避免EXB841內(nèi)部穩(wěn)壓管損壞時器件無法正常工作.

圖5 IGBT驅(qū)動保護電路

1.5 換能器等效電路

超聲換能器是一種非線性容性負載,在串聯(lián)支路諧振處工作時,若系統(tǒng)空載,則往往造成換能器的損壞,失諧嚴重,電流過大不易控制且輸出功率不能自動調(diào)節(jié),因此本設(shè)計采用在并聯(lián)諧振點工作.其等效電路如圖6所示.

注:C0—換能器靜態(tài)電容;R1—換能器機械損耗引起的動態(tài)電阻;C1—換能器力順造成的動態(tài)電容;L1—換能器質(zhì)量引起的動態(tài)等效電感.R1,C1,L1均為等效電參數(shù).

圖6 超聲換能器并聯(lián)諧振等效電路變換

由圖6可計算換能器的等效阻抗:

由此可知:

因此,靜態(tài)電容在并聯(lián)等效前后沒有改變,而R′與R1的大小成反比,換能器機械損耗功率:

與負載RL的大小成正比.即接大負載時,輸出功率增加,可實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)輸出功率的大小,從而使換能器端面的振動幅值跟隨負載的變化而變化,在超聲焊接和超聲加工等負載頻繁變動或劇烈變動的場合,該特性可以發(fā)揮極大的作用[6].

換能器工作在并聯(lián)諧振點時,為提高振動系統(tǒng)的功率因數(shù),還需對換能器進行電感調(diào)諧匹配,即串聯(lián)一個諧振電感L0.由于靜態(tài)電容C0數(shù)值很小,所以在其兩側(cè)并聯(lián)一個調(diào)阻電容C,其諧振匹配電路如圖7所示.

圖7 超聲換能器諧振匹配電路

在電路匹配中,由圖7b可知,諧振電感L0與換能器的等效電容C′(C′=C0+C)發(fā)生串聯(lián)諧振.其并聯(lián)諧振頻率和匹配電感分別為:

本文選取YP-5020-6D換能器,其具體的參數(shù)如下:最大輸入功率為2 200 W,機械損耗阻抗為4 Ω,動態(tài)電感為1.3 H,動態(tài)電容為31 pF,靜態(tài)電容為22 nF,調(diào)阻電容為200 nF.代入換能器參數(shù)可計算得到并聯(lián)諧振點頻率約為25.09 kHz,諧振電感為0.18 mH.

2 鎖相控制系統(tǒng)的設(shè)計

當超聲振動系統(tǒng)工作在諧振頻率點時,匹配網(wǎng)絡(luò)端的電壓、電流為同相位.因此,本文采用鎖相控制技術(shù),利用鎖相環(huán)原理對相位差進行控制,從而實現(xiàn)頻率的自動跟蹤[7].

鎖相環(huán)的原理很簡單,即將兩路輸入信號通過鑒相器比較兩者的相位,輸出一個代表相位差大小的電壓偏差信號,此信號通過低通濾波加在壓控振蕩器上,調(diào)節(jié)振蕩器的頻率,使相位差減小直至為零,達到頻率自動跟蹤的目的.而在鎖相控制中,相位檢測器設(shè)計的好壞能夠決定系統(tǒng)頻率自動跟蹤的性能.本文設(shè)計的相位檢測器不僅可以檢測出電壓電流信號的相位差,而且以電壓的正負來表明信號超前還是滯后,其電路如圖8所示.

通過采樣匹配電端的電壓信號u和電流信號i,將兩路信號分別接兩個過零比較器,輸入u和i的信號值與零電位進行比較,從而將兩路取樣信號變成邏輯高電平“1”及邏輯低電平“0”.在A和B兩點取邏輯信號異或后輸出一個脈沖信號,此信號的寬度等于兩路取樣信號的相位差.脈沖信號經(jīng)過RC電路平滑濾波后,得到一幅值與相位差成正比的直流電壓.當電壓與電流相位超前或滯后同一角度時,在D點所得的電壓幅值相等.所以利用運放電路的正反相輸入放大特性來使鑒相電路具有方向性,即可以判斷是超前還是滯后.

D觸發(fā)器的時鐘信號由電壓邏輯信號觸發(fā),當電壓超前電流相位時,A點為高電平,B點為低電平,此時D觸發(fā)器的輸出端(Q)將輸出邏輯低電平.此時開關(guān)三極管將截止,放大器A3起同相跟隨作用,即對D點的電壓幅值進行同相放大.而當電壓滯后電流相位時,D觸發(fā)器將輸出邏輯高電平,開關(guān)三極管飽和導(dǎo)通,放大器A3同相端相當于接地,構(gòu)成放大倍數(shù)為-1的反相放大器.

圖8 相位檢測電路

令θ=φu-φi(φu和φi分別為采樣電壓和電流信號的相位角),當經(jīng)過相位檢測電路時,輸出電壓為:

式中:β——放大器A3和A4及低通濾波器總的增益系數(shù);

UE——異或門邏輯高電平電壓值.

因此,可以根據(jù)輸出電壓的正負來判斷采樣電壓、電流信號相位的超前與滯后.

3 結(jié) 論

(1) 通過直接頻率合成技術(shù),利用AD9850芯片產(chǎn)生高穩(wěn)定性的方波作為開關(guān)管IGBT柵極的驅(qū)動信號,從而形成可靠穩(wěn)定的高頻交流電;

(2) 通過電感匹配使換能器工作在并聯(lián)諧振頻率點處,可使輸出功率自動調(diào)節(jié),并采用鎖相控制技術(shù)實現(xiàn)頻率的自動跟蹤.

[1] 朱武,張佳民.功率超聲波在廢橡膠再生中的應(yīng)用[J].聲學(xué)技術(shù),2008,27(1):61-65.

[2] 張佳民,洪軒,翟成強.基于PWM移相串聯(lián)諧振式大功率超聲波電源的研制[J].焊接,2013(12):57-60.

[3] 邢進進,王東林.數(shù)字頻率合成芯片AD9850及其在超聲波發(fā)射電路中的應(yīng)用[J].電子元器件應(yīng)用,2007(7):11-14.

[4] 肖廣大,閆強華,王建民,等.基于EXB841的IGBT驅(qū)動電路設(shè)計[J].電氣開關(guān),2009,47(5):25-27.

[5] 孫佃升,白連平.一種基于EXB841的IGBT驅(qū)動與保護電路設(shè)計[J].微電機,2007,40(6):98-100.

[6] 徐曉偉.壓電超聲換能器的阻抗匹配分析[J].壓電與聲光,2014(5):745-747.

[7] 朱武,張佳民,金長善,等.大功率高Q值超聲振動系統(tǒng)頻率自動跟蹤[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用,2000,19(4):8-10.

(編輯 胡小萍)

Design of the Ultrasonic Power Supply System Based on DDS

LI Xialin, ZHU Wu

(SchoolofElectronicsandInformationEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

In improving the speed and precision of frequency tracking and eliminating the frequency mismatch of vibrating system of ultrasonic power supply,the traditional PWM special-purpose chip has a big frequency drift.Direct Digital Synthesizer technology (DDS) is used to produce the high frequency signal,and the high power ultrasonic electric generator with the high stability and accuracy is realized.Through the external inductance series matching of the ultrasonic transducer to enhance the power factor of vibrating system,then samples of the voltage and current signal of the electric matching end are taken,using the phase-locked loop control to realize the automatic frequency tracking.

ultrasonic power supply; DDS; inductance matching; frequency tracking; phase-locked loop control

10.3969/j.issn.1006-4729.2017.01.018

2016-03-16

李夏林(1991-),女,在讀碩士,河南焦作人.主要研究方向為超聲電源,電能質(zhì)量檢測.E-mail:273060904@qq.com.

TB552;TB559

A

1006-4729(2017)01-0081-05