超声波筛分系统电源的设计*

2010-06-13李飞亮张松林潘传红

河南工学院学报 2010年3期

李飞亮，张松林，潘传红

(河南机电高等专科学校，河南新乡 453002)

随着电子技术和计算机技术的迅猛发展，功率超声技术的创新和开发应用已在工业处理的各个领域得到了越来越广泛的应用。超声波筛分系统作为功率超声技术的一个重要应用部分，简单、实用、可靠且可筛分过滤精度高，能有效解决因团聚、静电、强吸附性卡堵网孔等筛分难题，成为当前解决网孔堵塞的最有效方法，已广泛应用于选矿、冶金、制药、化工、食品等要求精细筛分过滤的行业。

该系统的核心部分是超声波电源。本文在分析系统工作原理的基础上，对超声波电源进行了设计。

1 系统工作原理

超声波筛分主要用到的是超声波振动性能。超声振动系统相当于一个谐振元件，换能器受迫振动，只有当激励电流频率和振动频率一致时，电声换能效率才最高。在实际设计中，由于振动系统的温度及负载变化会使换能器的谐振频率发生漂移，造成电声转换效率下降，甚至没有超声波输出。因此，超声波电源应设有频率跟踪系统来检测和反馈超声系统的谐振频率，使超声波电源具备频率自动跟踪能力。

超声波电源采用交－直－交变频技术［1］。通过超声波电源把市电转换为超声波频段的超音频交流电，然后驱动超声波振动系统将此电能转换为同频率的声能传递给外界负载做功。

2 超声波电源设计方案

超声波电源的主要功能是产生超声波换能器所需的频率信号，并将其放大到系统所需要的功率，然后通过电缆将信号传入换能器，换能器将高频电能转换为机械能，使共振环产生共振，然后由共振环将振动均匀传输至筛面。该电源的总体框架如图1所示:

图1 超声波电源总体框架图

在本设计中，使用单片机控制系统对整个系统进行控制，单片机控制直接数字频率合成模块AD9833产生系统所需的频率，用脉宽调制芯片SG3525对主逆变回路进行功率调节和半桥驱动，用MOSFET搭建了脉宽调制的半桥逆变器产生高频交流信号，用电流互感器检测换能器的工作状态参数作反馈信号。

当超声波电源启动后，先由单片机对频率发生电路中的AD9833和脉宽调制控制电路中的SG3525进行初始化操作。完成初始化操作以后，频率发生电路将产生一个由单片机控制的特定频率的方波信号，这个信号作为脉宽调制电路的同步信号。脉宽调制以这一频率产生脉宽调制信号，脉宽调制信号经过逆变回路的放大和逆变作用后，产生一个大功率的类似正弦信号，该信号经过匹配电路的滤波，变成一个频率较单一的正弦信号后送入换能器。用检测电路采集换能器的工作状态参数，送入单片机控制系统。通过单片机控制系统对反馈数据进行处理和运算后，分别对频率发生电路和脉宽调制电路进行调整，从而实现了频率及功率的自动调节，使系统达到最佳工作状态。

2.1 主回路逆变电路

主回路逆变电路是超声电源电路的主体部分，主要用来产生符合系统要求的超音频交流电。逆变电路的组成形式和控制方法决定了整个系统的性能。根据本文的设计要求，综合各种逆变器的优缺点考虑，决定采用半桥式逆变器作为主回路逆变电路。逆变电源主电路图如图2所示。

图2 逆变电源主电路图

工作原理:当两组开关管M3和M4都截止时，因两只电容相等(即C3=C8)，则两电容中点的电压为输入电压的一半。当M3导通，M4截止时，电流流经R1、R2、M3、变压器原边到达电位中点，形成一个方向上的回路。当M4导通，M3截止时，电流流经C3到达电位中点、然后经过变压器原边、M4、R23、R24到电位零点，完成相反方向上的回路，从而形成由直流到高频交流的逆变，所产生的交流的频率由M3、M4的开关频率决定。

2.2 驱动电路

MOSFET驱动电路的设计对电力电子设备的效率、可靠性、寿命都有重要的影响。本文采用PWM控制芯片SG3525对半桥逆变回路进行驱动。

SG3525是电流控制型PWM控制器，电流控制型脉宽调制器是靠反馈电流来调节脉宽的［2］。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环和电流环双环系统，因此，开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。

本系统中，当超声电源启动以后，先由单片机对频率发生电路中的AD9833和脉宽调制控制电路中的SG3525进行初始化操作。完成初始化操作以后，频率发生电路将产生一个由单片机控制的特定频率的方波信号，作为脉宽调制电路的同步信号送入SG3525的同步端(引脚3)，经 SG3525模块内部处理后，从SG3525的11和14引脚分别送出相位相差180度的两路特定频率方波信号，该信号送入逆变回路的前级隔离电路，进而驱动逆变回路按设定频率工作，即完成频率控制。

单片机将特定频率的方波信号送入SG3525同步端(引脚3)的同时，将另一电流反馈信号送入SG3525内误差放大器反相输入端(引脚1)，通过调节占空比控制逆变回路两个MOSFET的导通时间来调节输出电压，进而达到调节输出功率的目的，即完成功率自动调节。

驱动电路原理图如图3所示:

图3 驱动电路原理图

2.3 频率信号产生电路

该部分主要是采用单片机C8051F410控制DDS芯片AD9833产生系统所需频率信号，从而得到高精度、高稳定性的正弦波信号，该信号送给SG3525同步端去控制后续电路的工作。

2.3.1 频率跟踪设计

换能器的谐振频率会由于发热、负载变化、老化等原因发生改变，引起换能器谐振频率的漂移，因此，要求控制电路能自动调节频率，即自动跟踪频率［3］。考虑在谐振状况下，换能器阻抗最小，回路电流最大，因此采用单片机搜索谐振频率附近的工作电流最大值，便可使换能器处于最佳工作状态。如果换能器的谐振频率发生漂移，电流I将因系统失谐而减小，反馈给智能控制系统，由单片机采样电流值与谐振频率时的最大电流Imax比较，不相等则单片机发出指令，以一定的步长Δf改变工作频率，如频率改变电流减小，单片机会使频率朝相反方向改变，直到最大电流值出现，于是系统又回到了V和I同相的谐振状态。

2.3.2 DDS 技术实现

DDS是一种全数字化的频率合成器，具有频率分辨率高，频率切换速度快，频率切换时相位连续，输出相位噪声低以及能产生任意波形等优点［4］。

本设计采用 AD9833型 DDS芯片，以单片机C8051F410作为控制器，采用SPI接口对AD9833编程，输出需要的频率可变方波信号。SDATA是数据线，用于C8051F410与AD9833传递数据，SCLK是时钟信号，用于同步SDATA数据传输，FSYNC是使能信号，低电平有效。对于输入数据进行以下处理:AD9833将数据输入按帧计算，每两个字节为一帧，检测每帧数据的前几位，确定数据的性质，分别写入不同的寄存器［5］。改变频率寄存器的设定值K，就能改变相位值ΔP，从而改变合成信号频率f0=kfc/2N。

本设计中所使用的AD9833模块的硬件电路原理图如图4所示。

图4 AD9833硬件电路原理图

2.4 控制电路

该控制电路主要由单片机C8051F410芯片及外围器件构成，为整个控制系统的核心部件，其主要作用包括:初始频率的设置、频率自动跟踪、功率自动调节、显示控制及人工调整等。

本设计中，C8051F410芯片的P2口控制数码显示管的位选信号，P1口控制数码显示管的片选信号;P0.5口为反馈电流输入口，P0.0口为反馈输出端口，反馈输出信号通过光耦电路送入SG3525的误差放大器反向输入端，从而调节输出功率的大小;P0.3口、P0.1口、P0.4口分别控制DDS芯片AD9833的串行数据输入口、串行时钟输入口、控制输入口，从而实现C8051F410对AD9833的控制，以得到高精度、高稳定性的特定频率信号。