基于DDS技术的超声电源系统的设计

李夏林, 朱 武

(上海电力学院 电子与信息工程学院, 上海 200090)



基于DDS技术的超声电源系统的设计

李夏林, 朱 武

(上海电力学院 电子与信息工程学院, 上海 200090)

针对超声电源系统出现的频率跟踪慢、精确度低、振动系统失谐等问题,且为了克服传统PWM专用芯片产生频率漂移大的缺点,采用了直接频率合成技术(DDS)来产生高频信号,实现具有高稳定性、高精度性的大功率超声电源.为提高振动系统的功率因数,对超声换能器进行电感调谐匹配,并根据匹配端采样得到的电压、电流信号,提出了利用锁相控制技术来实现频率自动跟踪的方法.

超声电源; 直接频率合成; 电感匹配; 频率跟踪; 锁相控制

近年来,随着电力电子技术的快速发展,大功率超声技术迅速崛起.如今,超声焊接、超声治疗、超声加工等技术在各行各业的应用十分广泛,并在国民经济建设中发挥越来越大的作用.因此,设计出大功率、低损耗、高稳定、智能化的超声电源系统具有重要意义[1-2].

对于超声焊接应用,其超声电源振动系统工作在高频状态,容易引起换能器的发热和工具头的磨损,且当所带负载频繁变动时,会使超声换能器的工作频率发生漂移,与谐振频率不匹配,导致振动系统的运动振幅减小,焊接效果差且效率降低;并且对应不同负载需要,输出振幅要求也不相同,需要随加工负载的变化而变化.因此,超声电源系统不仅要实现对输出功率的自动调节控制,还要对振动系统的谐振频率进行自动跟踪.

1 超声电源系统组成

1.1 系统总体设计

超声电源系统由超声发生器和超声振动系统两部分组成,系统框图如图1所示.超声发生器将220 V和50 Hz的工频交流电经二极管单相桥式组成的不可控整流电路得到直流信号,之后通过由IGBT构成的半桥逆变电路,将直流信号转换为高频交流电.高频变压器再将其升至为振动系统所需的电压值,串联电感进行调谐、变阻匹配,同时起到滤波的作用,此时出来的高频交流电为近似正弦波,然后激励超声振动系统工作.而其中控制系统部分根据在匹配网络端采样来的电压、电流信号进行相位检测,通过改变控制字来实现对频率的自动跟踪.

图1 超声电源总体结构示意

1.2 电源主回路的设计

主电源采用半桥逆变式开关电路作为超声波发生器电路,如图2所示.该电路工作原理为:VT1和VT2两个开关管采用轮流导通方式,如当VT1导通时,C1两端的电压通过VT1加在高频变

图2 超声电源主回路

压器T上,此时B点为高电平,A点为低电平;当VT1截止而VT2导通时,C2两端电压通过VT2加在高频变压器T上,此时A点为高电平,B点为低电平.通过控制IGBT栅极信号的开关频率使得在变压器的副边得到一个正负交变的激励信号,从而实现了半桥逆变的功能.而电路中选择合适的L值和C值使电感L与电容C的谐振频率和换能器谐振频率相同,通过这样的滤波作用可以将高频方波信号变成近似的正弦波,从而减少对开关管VT1和VT2以及高频变压器的损耗.

1.3 信号发生器

本设计选用美国AD公司推出的直接频率合成芯片AD9850,该芯片利用先进的CMOS工艺直接频率合成(Direct Digital Synthesizer,DDS)技术,并且支持5 V和3.3 V两种供电方式,采用28脚SSOP表面贴片封装形式[3].直接频率合成技术的理论依据奈奎斯特(Nyquist)抽样定理,且通常由频率控制字、相位累加器、正弦查询表、高速比较器、D/A转换器和低通滤波器组成.

在系统时钟信号fclk的控制下,相位累加器的输出以步长k递加,k的值由CPU控制的频率控制字决定,通过改变k值来调节DDS的输出频率.本文设计的超声波发生器以STC89C52RC单片机为核心,采用并行的写入方式对系统进行控制,通过程序控制改变控制字以产生频率可调的方波波形.

由AD9850输出方波,通过反相器翻转得到两路互补的方波.由于桥臂容易发生误导通,这两路高频信号还不能用来控制开关管,因此需要设置死区时间,如图3所示.

图3 死区时间形成电路

图3中,当P点为低电平时,经过反相器为高电平,通过RC回路进行充电;当P点为高电平时,开关管导通,电容两端快速放电.在A和B处得到一列锯齿波,再将此波形通过电压比较器,实现带有死区时间的波形,其波形如图4所示.而通过改变电压比较器的比较电压可以实现对占空比的调节,从而满足对功率的控制.

图4 死区时间形成波形

1.4 IGBT的驱动模块

本设计采用针对IGBT的专用混合集成驱动电路,即日本富士公司开发的EXB系列模块.而EXB841适合驱动300 A/1 200 V以下的IGBT,其最高工作频率为40 kHz,单20 V电源供电,内部产生-5 V的负偏电压,有过流保护和软关断功能,满足本设计要求.采用EXB841专用模块不仅提高了电路的可靠性,而且简化了IGBT驱动和保护电路的设计[4-5].

IGBT的驱动保护电路如图5所示.EXB841本身的6号管脚与开关管集电极之间只接了一个二极管来保护,这样容易造成EXB841烧毁或无法正常使用,而此驱动保护电路中主电路的电流波形由电流传感器监测,LM358放大器的同相端与监测转换的输出电压信号相连,而放大器的反相端有一个预设的比较电压值.当负载发生短路时,监测的信号会超过比较电压值,放大器和光电耦合器均会输出一个高电平,使EXB841的6端“悬空”,IGBT将截止关断,发生短路保护.在2号和9号管脚之间外接稳压管7805(D4)和限流电阻R2,且从两者之间引出驱动信号给开关管E极,避免EXB841内部稳压管损坏时器件无法正常工作.

图5 IGBT驱动保护电路

1.5 换能器等效电路

超声换能器是一种非线性容性负载,在串联支路谐振处工作时,若系统空载,则往往造成换能器的损坏,失谐严重,电流过大不易控制且输出功率不能自动调节,因此本设计采用在并联谐振点工作.其等效电路如图6所示.

注:C0—换能器静态电容;R1—换能器机械损耗引起的动态电阻;C1—换能器力顺造成的动态电容;L1—换能器质量引起的动态等效电感.R1,C1,L1均为等效电参数.

图6 超声换能器并联谐振等效电路变换

由图6可计算换能器的等效阻抗:

由此可知:

因此,静态电容在并联等效前后没有改变,而R′与R1的大小成反比,换能器机械损耗功率:

与负载RL的大小成正比.即接大负载时,输出功率增加,可实现自动调节输出功率的大小,从而使换能器端面的振动幅值跟随负载的变化而变化,在超声焊接和超声加工等负载频繁变动或剧烈变动的场合,该特性可以发挥极大的作用[6].

换能器工作在并联谐振点时,为提高振动系统的功率因数,还需对换能器进行电感调谐匹配,即串联一个谐振电感L0.由于静态电容C0数值很小,所以在其两侧并联一个调阻电容C,其谐振匹配电路如图7所示.

图7 超声换能器谐振匹配电路

在电路匹配中,由图7b可知,谐振电感L0与换能器的等效电容C′(C′=C0+C)发生串联谐振.其并联谐振频率和匹配电感分别为:

本文选取YP-5020-6D换能器,其具体的参数如下:最大输入功率为2 200 W,机械损耗阻抗为4 Ω,动态电感为1.3 H,动态电容为31 pF,静态电容为22 nF,调阻电容为200 nF.代入换能器参数可计算得到并联谐振点频率约为25.09 kHz,谐振电感为0.18 mH.

2 锁相控制系统的设计

当超声振动系统工作在谐振频率点时,匹配网络端的电压、电流为同相位.因此,本文采用锁相控制技术,利用锁相环原理对相位差进行控制,从而实现频率的自动跟踪[7].

锁相环的原理很简单,即将两路输入信号通过鉴相器比较两者的相位,输出一个代表相位差大小的电压偏差信号,此信号通过低通滤波加在压控振荡器上,调节振荡器的频率,使相位差减小直至为零,达到频率自动跟踪的目的.而在锁相控制中,相位检测器设计的好坏能够决定系统频率自动跟踪的性能.本文设计的相位检测器不仅可以检测出电压电流信号的相位差,而且以电压的正负来表明信号超前还是滞后,其电路如图8所示.

通过采样匹配电端的电压信号u和电流信号i,将两路信号分别接两个过零比较器,输入u和i的信号值与零电位进行比较,从而将两路取样信号变成逻辑高电平“1”及逻辑低电平“0”.在A和B两点取逻辑信号异或后输出一个脉冲信号,此信号的宽度等于两路取样信号的相位差.脉冲信号经过RC电路平滑滤波后,得到一幅值与相位差成正比的直流电压.当电压与电流相位超前或滞后同一角度时,在D点所得的电压幅值相等.所以利用运放电路的正反相输入放大特性来使鉴相电路具有方向性,即可以判断是超前还是滞后.

D触发器的时钟信号由电压逻辑信号触发,当电压超前电流相位时,A点为高电平,B点为低电平,此时D触发器的输出端(Q)将输出逻辑低电平.此时开关三极管将截止,放大器A3起同相跟随作用,即对D点的电压幅值进行同相放大.而当电压滞后电流相位时,D触发器将输出逻辑高电平,开关三极管饱和导通,放大器A3同相端相当于接地,构成放大倍数为-1的反相放大器.

图8 相位检测电路

令θ=φu-φi(φu和φi分别为采样电压和电流信号的相位角),当经过相位检测电路时,输出电压为:

式中:β——放大器A3和A4及低通滤波器总的增益系数;

UE——异或门逻辑高电平电压值.

因此,可以根据输出电压的正负来判断采样电压、电流信号相位的超前与滞后.

3 结 论

(1) 通过直接频率合成技术,利用AD9850芯片产生高稳定性的方波作为开关管IGBT栅极的驱动信号,从而形成可靠稳定的高频交流电;

(2) 通过电感匹配使换能器工作在并联谐振频率点处,可使输出功率自动调节,并采用锁相控制技术实现频率的自动跟踪.

[1] 朱武,张佳民.功率超声波在废橡胶再生中的应用[J].声学技术,2008,27(1):61-65.

[2] 张佳民,洪轩,翟成强.基于PWM移相串联谐振式大功率超声波电源的研制[J].焊接,2013(12):57-60.

[3] 邢进进,王东林.数字频率合成芯片AD9850及其在超声波发射电路中的应用[J].电子元器件应用,2007(7):11-14.

[4] 肖广大,闫强华,王建民,等.基于EXB841的IGBT驱动电路设计[J].电气开关,2009,47(5):25-27.

[5] 孙佃升,白连平.一种基于EXB841的IGBT驱动与保护电路设计[J].微电机,2007,40(6):98-100.

[6] 徐晓伟.压电超声换能器的阻抗匹配分析[J].压电与声光,2014(5):745-747.

[7] 朱武,张佳民,金长善,等.大功率高Q值超声振动系统频率自动跟踪[J].自动化技术与应用,2000,19(4):8-10.

(编辑 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,在读硕士,河南焦作人.主要研究方向为超声电源,电能质量检测.E-mail:273060904@qq.com.

TB552;TB559

A

1006-4729(2017)01-0081-05