基于56F803型DSP的大功率超聲波電源的設計

針對大功率超聲波電源高精度、高功率輸出的特點．對超聲波電源控制策略進行了改進。提出一種基于56F803型DSP的頻率跟蹤與功率調節相結合的周期分段移相控制策略．研究了基于此控制方法的超聲波電源。

關鍵詞：超聲波電源;頻率跟蹤與功率協調控制;超聲波發生器;數字信號處理器;56F803

1 引言

隨著科學的發展和技術的進步．超聲波在超聲焊接、超聲清洗、干燥、霧化、導航、測距、育種等領域的應用日趨廣泛。現在的大功率超聲波電源大都采用頻率跟蹤控制或功率控制。這種單一控制方法不僅會降低超聲波電源效率,而且會影響輸出精度和強度。如何使超聲波電源根據實際負載實時,動態調節輸出諧振頻率和功率,從而保證超聲波加工等操作的要求具有重要的理論研究和實際應用價值。

2 超聲波電源系統的組成

超聲波電源系統主要由220V電源、整流濾波、高頻逆變單元、匹配網絡、檢測電路、PWM產生電路和驅動電路組成,如圖1所示。

220V單相交流電經過二極管不可控整流電路得到直流電壓,然后經過由MOSFET組成的高頻逆變電路得到滿足換能器要求的高頻電壓。為減少高頻工作條件下MOSFET的開關損耗,高頻逆變電路采用帶輔助網絡的全橋結構,如圖2所示。此電路結構解決了傳統零電壓開關(ZVS)PWM電路變壓器漏感小且滯后橋臂難于實現ZVS的問題。同時,根據電流增強原理,此電路結構可在任意負載和輸入電壓范圍內實現零電壓開關,大大減少了占空比丟失。超聲波電源與換能器匹配的好壞將決定整個電路的控制效果。因此,應該對匹配網絡每個參量(高頻變壓器匝比K,輸出匹配電感Lf)進行嚴格的計算。匹配主要指為使發生器輸出額定電功率,進行阻抗變換匹配。以及為使發生器輸出最高效率進行調諧匹配。

采用56F803型DSP作為控制電路的核心處理器．它內置2 KB SRAM,31．5 KB FLASH,同時,其40 MHz的CPU時鐘頻率比其他單片機具有更強的處理能力。6路PWM信號可以實現高頻逆變電路開關管MOSFET的移相控制。12位A／D轉換器采集可以實現電壓和電流采樣并滿足采樣數據精度的要求。利用56F803型DSP中定時器的捕獲功能可以精確計算相位差大小,實現系統的頻率跟蹤控制。串行外設接口SPI與MCl4489配合使用可以實現對5位半數碼管的控制．從而實現系統頻率和功率的顯示。另外,56F803還支持C語言與匯編語言混合編程的SDK軟件開發包．可以實現在線調試。

驅動電路采用IR21lO型驅動模塊．它具有集成度高,響應速度快(tar/taff=120 ns／94 ns）,偏值電壓高(600 V),驅動能力強,成本低和易于調試等優點。IR2110是基于自舉驅動原理的功率MOSFET驅動電路．驅動信號延時為納秒級,開關頻率可以從數十赫茲到數百千赫茲。同時,IR2110還具有比較完善的保護功能(如欠壓檢測、抗干擾、外部保護閉鎖等)。一個IR2110可以同時驅動單橋臂的上下二個MOSFET,因此,使用少量分立元件和一路控制電源就可以實現一個橋臂MOSFET 的驅動控制,這樣大大減小了驅動電路的體積和成本。

3 系統的控制策略

超聲波電源系統采用頻率跟蹤和功率調節相結合的控制策略,從而使發生器在輸出最大功率時可達到最高效率。此種控制策略主要通過控制PWM的周期(也就是控制開關頻率)和PWM控制波形的移相角來實現。