一種小功率低成本超聲波電源的設(shè)計(jì)

肖 舫 丁慎平 張 娜 燕姍姍

(蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，江蘇 蘇州 215123)

一種小功率低成本超聲波電源的設(shè)計(jì)

肖 舫 丁慎平 張 娜 燕姍姍

(蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，江蘇 蘇州 215123)

在對(duì)超聲波清洗機(jī)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)以前超聲波電源的缺點(diǎn)，提出以AT89C51單片機(jī)控制的低成本小功率超聲波電源設(shè)計(jì)方案，并對(duì)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本電源具有工作穩(wěn)定、諧振良好和可靠性高的特點(diǎn)，在清洗過程中取得了預(yù)期的效果，對(duì)小功率超聲波清洗機(jī)的成本降低及進(jìn)一步深入研究具有重要的參考價(jià)值。

超聲波電源；單片機(jī)；設(shè)計(jì)

0 引言

超聲技術(shù)按其應(yīng)用大體可分為兩類：功率超聲和檢測(cè)超聲。功率超聲作為超聲學(xué)的一個(gè)重要分支，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于超聲清洗、超聲焊接、超聲加工、超聲馬達(dá)等領(lǐng)域。在除油、防銹、磷化等清洗過程中，超聲清洗只需兩三分鐘即可完成，其速度比傳統(tǒng)清洗方法提高了幾十倍，且清潔度很高[1-2]。

超聲清洗主要利用在聲場(chǎng)作用下存在于液體中的微氣泡會(huì)產(chǎn)生高頻振動(dòng)的超聲空化作用。凡是液體能浸到且聲場(chǎng)存在的地方都可應(yīng)用超聲清洗，其尤其適用于表面形狀復(fù)雜的零件。采用這一技術(shù)后，可減少化學(xué)溶劑的用量，從而大大減少環(huán)境污染。超聲波清洗機(jī)是目前在清洗領(lǐng)域性價(jià)比最高的設(shè)備[3]。超聲波電源作為超聲波清洗機(jī)的核心單元，是一種用于產(chǎn)生并向超聲波換能器提供超聲能量，使之工作于諧振頻率的裝置。

超聲波發(fā)生器產(chǎn)生高頻高壓，通過電纜傳輸給換能器，換能器與振動(dòng)板產(chǎn)生高頻共振，從而使超聲波清洗機(jī)清洗槽中的介質(zhì)受超聲波作用對(duì)污垢進(jìn)行洗凈。采用單片機(jī)控制開發(fā)超聲波電源，能夠?qū)崿F(xiàn)超聲波清洗機(jī)的通用化、低成本，并加快開發(fā)速度。

1 超聲波電源設(shè)計(jì)方案

超聲波電源包括超聲波主電路(超聲波發(fā)生電路)、超聲波輔助電路、單片機(jī)控制的超聲波控制電路。超聲波電源的作用是將電網(wǎng)工頻50 Hz的交流電轉(zhuǎn)變成上萬赫茲超聲頻率的振蕩電流，并通過匹配網(wǎng)絡(luò)傳遞給換能器。超聲振動(dòng)系統(tǒng)將它的交流電能轉(zhuǎn)變成同頻的超聲振動(dòng)機(jī)械能，經(jīng)過換能器放大傳遞給清洗槽負(fù)載做功。現(xiàn)有的超聲波電源大多采用逆變型功率放大電路，它一般由交流電輸入、AC/DC整流電路、DC/AC逆變電路、匹配電路、高頻變壓器、控制保護(hù)電路及換能器等組成。

采用AT89C51單片機(jī)的超聲波電源組成如圖1所示。由圖1可知，超聲波電源工作時(shí)，工頻交流電經(jīng)AC/DC變成平滑的直流電，再經(jīng)DC/AC逆變成交流電，并通過高頻功率變壓器對(duì)電壓進(jìn)行升壓和電氣隔離，經(jīng)過匹配電路將高頻交流電壓信號(hào)輸出至換能器，激勵(lì)換能器諧振，產(chǎn)生超聲波振動(dòng)。

圖1 超聲波電源的組成

為了保證超聲波電源工作的可靠性，需對(duì)主電路的功率器件做一些硬件保護(hù)。同時(shí)，MCU(主控制器)還可以實(shí)時(shí)檢測(cè)故障信號(hào)，對(duì)主電路進(jìn)行軟件保護(hù)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)免維護(hù)的性能。

2 超聲波電源硬件設(shè)計(jì)

超聲波電源主電路圖如圖2所示。

圖2 超聲波電源主電路圖

從圖2可以看出，220 V、50 Hz的交流電經(jīng)過整流橋，通過電容C1、C2的濾波，得到較為平滑的直流電，該電壓加在VT1和VT2組成的逆變電路上，高頻脈沖電壓為半橋電路的輸出。調(diào)諧匹配電感L1和高頻變壓器T1組成匹配網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過匹配網(wǎng)絡(luò)的調(diào)諧以及阻抗變換之后，輸出給換能器。本系統(tǒng)MOSFET管VT1和VT2型號(hào)為J13009-2，UN=500 V，IN=20 A；整流橋由4個(gè)IN4007二極管組成。

2.1 逆變單元

逆變單元是超聲波電源功率主電路的核心單元，擔(dān)負(fù)著輸出高頻脈沖電壓的任務(wù)。高頻交流電的產(chǎn)生和頻率輸出調(diào)整都是通過逆變器來完成的。常用的逆變器主電路有單相半橋逆變電路、單相全橋逆變電路。

本文設(shè)計(jì)的超聲波電源輸出功率為300 W、40 kHz，屬于小功率。由于全橋逆變電路使用的開關(guān)元器件較多，驅(qū)動(dòng)電路較為復(fù)雜，相對(duì)半橋電路而言，其系統(tǒng)的可靠性較低。半橋式逆變電路具有開關(guān)器件少、抗電壓不平衡力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，綜合比較后選用單相半橋逆變電路，如圖3所示。

圖3 單相半橋逆變電路圖

圖中，電容C1和C2上的電壓相等，而且等于輸入電源電壓Ud的1/2。當(dāng)VT1導(dǎo)通時(shí)，電容C1兩端電壓便通過VT1加載到T1原邊繞組的兩端。此時(shí)，電容C1兩端電壓和變壓器T1原邊繞組兩端電壓相等，都等于Ud/2，變壓器輸出為正。當(dāng)VT1截止、VT2導(dǎo)通時(shí)，電容C2兩端電壓通過VT2加載到T1原邊繞組的兩端，使原邊繞組兩端電壓值等于-Ud/2，且極性反向。因此，VT1、VT2輪流截止和導(dǎo)通時(shí)，在高頻變壓器原邊繞組兩端產(chǎn)生的交流電壓幅值為Ud/2。半橋逆變電路中高頻變壓器原邊繞組上的電壓與電容C1、C2兩端的電壓相等，當(dāng)C1或C2向變壓器原邊放電時(shí)，如果VT1和VT2的開關(guān)頻率不高，C1或C2放電時(shí)間較長的情況下，電容兩端電壓會(huì)逐漸降低，從而使電壓的輸出端曲線頂部呈傾斜狀脈沖。同時(shí)，該電路輸出的交流電壓幅值為Ud/2，對(duì)電能的利用率高。因此，此種逆變電路適用于功率需求不大且輸出電壓頻率較高的場(chǎng)合。

2.2 功率控制電路

不同的清洗負(fù)載需要不同的超聲功率，因此要對(duì)超聲波電源的輸出功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)可分為無級(jí)調(diào)功和有級(jí)調(diào)功兩種。當(dāng)超聲波電源的輸出功率不需要連續(xù)可調(diào)時(shí)，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，可以采用有級(jí)調(diào)節(jié)功率的方式對(duì)電源的輸出功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。

實(shí)驗(yàn)中所使用的為1 000 V耐壓換能器。壓電陶瓷諧振時(shí)，只要改變其兩端的電壓幅值即可調(diào)節(jié)電源輸出功率。在主電路逆變單元的輸出環(huán)節(jié)中，串聯(lián)一個(gè)較高變比的高頻變壓器，用來升壓和隔離換能器兩端電壓。為了減小主電路設(shè)計(jì)難度、提高系統(tǒng)可靠性，超聲波電源的功率輸出采用有級(jí)調(diào)節(jié)的方式，為200 V、300 V兩檔可調(diào)。為了得到這兩檔的電壓信號(hào)，可以通過整流變壓器或高頻變壓器來實(shí)現(xiàn)調(diào)壓。直接通過開關(guān)器件選擇高頻變壓器二次邊不同匝數(shù)線圈抽頭，得到不同的提供給負(fù)載的電壓幅值，來達(dá)到調(diào)節(jié)功率的目的。

2.3 整流濾波穩(wěn)壓電路

本文采用Multisim10.0軟件設(shè)計(jì)電路，并對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真。整流濾波穩(wěn)壓電路如圖4所示。

圖4 整流濾波穩(wěn)壓電路圖

圖4中，T1為互感器，作用是過濾掉超聲波回路中的雜波，同時(shí)防止電網(wǎng)被污染。T2為變壓器，作用是變壓，將220 V轉(zhuǎn)化成較低的交流電壓。電壓通過整流橋整成帶有脈動(dòng)的直流電，通過C5的濾波、7805芯片的穩(wěn)壓，變成平穩(wěn)的5 V直流電，為超聲波控制電路供電。

2.4 驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路的形式有直接驅(qū)動(dòng)、脈沖變壓器隔離驅(qū)動(dòng)、光偶隔離驅(qū)動(dòng)3種。本文采用光偶驅(qū)動(dòng)，如圖5所示。

圖5 光偶驅(qū)動(dòng)電路圖

驅(qū)動(dòng)電路向MOSFET柵極提供所需要的柵荷，以保證器件的開關(guān)性能、主電路與控制電路的隔離。光偶隔離最典型的應(yīng)用是對(duì)光偶芯片進(jìn)行隔離，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。本文選用MOC223型光偶芯片實(shí)現(xiàn)控制電路與功率主電路的隔離。MOC223是輸入阻抗高線性光偶芯片，驅(qū)動(dòng)功率小，開關(guān)速度大，適合做一些連續(xù)變化的數(shù)據(jù)的隔離與傳輸，適合應(yīng)用于小功率超聲波電源。

2.5 控制電路

單片機(jī)控制電路的主要功能是控制溫度、超聲波電源工作時(shí)間，啟動(dòng)與停止加熱驅(qū)動(dòng)電路，復(fù)位控制以及其他保護(hù)電路控制。主控制器采用AT89C51單片機(jī)。按鍵電路由4個(gè)按鍵組成，分別完成對(duì)溫度、超聲波電源啟動(dòng)時(shí)間和復(fù)位的設(shè)置。

3 實(shí)驗(yàn)

根據(jù)本超聲波電源的參數(shù)要求，設(shè)計(jì)清洗機(jī)控制界面?？刂平缑嬗?組LED高清數(shù)碼管組成，分別顯示設(shè)置溫度、實(shí)際溫度、超聲波清洗時(shí)間(s)、超聲波清洗時(shí)間(s)。其中，兩組上下箭頭表示溫度的增減(每次增減1 ℃)和超聲工作時(shí)間的增減(每次增減5 min)。

溫度最高設(shè)置為80 ℃，由溫度傳感器控制。當(dāng)溫度傳感器測(cè)得實(shí)際溫度小于設(shè)定溫度時(shí)，加熱膜不工作；反之，加熱膜開始加熱，直到達(dá)到設(shè)定溫度為止。超聲控制時(shí)間設(shè)置：按鍵每按一次時(shí)間加5 min，最大時(shí)間設(shè)定為30 min?？梢栽诠ぷ鞯倪^程中實(shí)現(xiàn)時(shí)間的調(diào)節(jié)，即時(shí)間的增加或減少。

在超聲波電源的焊接以及調(diào)試實(shí)驗(yàn)中，需要用到的設(shè)備有LCR數(shù)字電橋、數(shù)字示波器、功率計(jì)、恒溫電烙鐵。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括清洗槽、振子、加熱膜、超聲波電源、超聲波電源控制器。焊接后的電路板用示波器、功率計(jì)、電橋等設(shè)備進(jìn)行測(cè)試。研制的超聲波電源用示波器測(cè)試波形輸出情況，如圖6、圖7所示。示波器表筆選擇100×1檔，采樣電阻采用0.1 Ω，將采樣電阻串聯(lián)，示波器探頭夾在其兩端，測(cè)量出來的超聲波波形頻率為38.7 kHz，基本滿足40 kHz的設(shè)計(jì)要求。

圖6 實(shí)驗(yàn)波形1

圖7 實(shí)驗(yàn)波形2

圖6結(jié)果顯示仍有雜波，瞬時(shí)頻率很高，達(dá)150 kHz，電路中的電感元件、電容元件仍有干擾存在，有待在今后的工作中繼續(xù)改進(jìn)。以超聲波電源為主體的超聲波清洗機(jī)作為實(shí)驗(yàn)裝置，以眼鏡為實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行清洗，清洗前后眼鏡外觀有了明顯的改觀。超聲波清洗機(jī)清洗眼鏡溫度設(shè)定在40 ℃，實(shí)驗(yàn)水槽5 L，添加2 mL醫(yī)用多酶強(qiáng)效清洗液。清洗實(shí)驗(yàn)前，可以清晰地看到眼鏡有較多的油污、汗?jié)n、灰塵，如圖8所示。將眼鏡放入超聲波清洗機(jī)清洗槽中，設(shè)置條件為：清洗時(shí)間5 min，清洗溫度36.3 ℃，清洗槽容量5 L，清洗液(水)3 L，加熱膜功率200 W。清洗過程中不對(duì)清洗物體——眼鏡進(jìn)行任何操作。

圖9為眼鏡清洗完畢后未經(jīng)擦拭圖。清洗5 min后，用鑷子將眼鏡取出。鏡片有部分水珠附著在上面。鏡片及鏡架上原有的油污、汗?jié)n、灰塵已經(jīng)被洗掉，鏡架螺絲連接處的油污去除干凈。用鏡片擦拭紙對(duì)眼鏡進(jìn)行擦拭后進(jìn)行眼鏡清洗前后對(duì)比，結(jié)果為：眼鏡的清晰度大大增加，鏡片及鏡架的油污等雜質(zhì)明顯去除，效果分明。超聲波電源發(fā)熱測(cè)量最高溫度為51 ℃，屬于可控范圍。

圖8 清洗實(shí)驗(yàn)前的眼鏡

圖9 清洗實(shí)驗(yàn)后的眼鏡

4 結(jié)語

本文提出了基于單片機(jī)控制的超聲波電源設(shè)計(jì)方案，成本低，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)表明，本電源低諧波，清洗效果好，發(fā)熱量在可控范圍內(nèi)，延長了電源的整體壽命。此設(shè)計(jì)方法可以為超聲波技術(shù)的后續(xù)研究與產(chǎn)品化提供借鑒。

[1]孟令東.裝甲裝備器材自動(dòng)化保養(yǎng)設(shè)備集成設(shè)計(jì)與工藝性能試驗(yàn)研究[D].北京：裝甲兵工程學(xué)院，2006

[2]黃凱.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)匹配超聲波鑄造電源的研究[D].長沙：中南大學(xué)，2011

[3]齊延興，楊雪銀.基于SPACE061A單片機(jī)的超聲波清洗機(jī)設(shè)計(jì)[J].中國測(cè)試，2009(4)

2014-05-26

肖舫(1965—)，男，江蘇蘇州人，高級(jí)工程師，研究方向：電子技術(shù)應(yīng)用。