壓電式脈沖超聲波發(fā)生器激勵(lì)電源的設(shè)計(jì)

姚 俊， 陳 驥， 張旭茹， 趙曉明

（重慶大學(xué) 生物工程學(xué)院， 重慶 400044）

隨著科學(xué)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步, 超聲波在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防建設(shè)和人民生活中的應(yīng)用越來越廣泛。 超聲技術(shù)的應(yīng)用可以大致分為兩類：檢測(cè)超聲和功率超聲[1]。 其中功率超聲是超聲學(xué)的一個(gè)重要分支，在國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門發(fā)揮了重要的作用[2]。

超聲電源是為超聲換能器提供電能的關(guān)鍵部件，它激勵(lì)壓電超聲換能器將超聲電源提供的電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。 目前的超聲電源基本是根據(jù)換能器進(jìn)行高度定制化設(shè)計(jì)，一個(gè)電源只適用于同一型號(hào)的換能器[3]。 文中提出了一種新型超聲電源的研制方案， 系統(tǒng)采用PWM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)輸出頻率的可調(diào)性，從而可以匹配不同固有頻率的壓電超聲換能器；本系統(tǒng)同樣采用PWM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)電源功率的可調(diào)， 克服了超聲電源的負(fù)載的阻抗經(jīng)常變動(dòng)給超聲電源和換能器容易造成損壞的缺陷。并且，用數(shù)字單片機(jī)產(chǎn)生PWM 控制超聲電源的輸出頻率與功率，克服了以前超聲電源模擬控制電路存在控制精度低、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、參數(shù)調(diào)整不便、溫度漂移嚴(yán)重等缺點(diǎn)。 數(shù)字化控制有利于變參數(shù)調(diào)節(jié)，調(diào)整控制方案只需通過改變程序軟件即可方便實(shí)現(xiàn),同時(shí)可減少元器件的數(shù)目、簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu), 提高超聲電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，從而提高系統(tǒng)的可靠性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

超聲電源實(shí)質(zhì)上是一個(gè)功率信號(hào)發(fā)生器，它產(chǎn)生一個(gè)與探頭諧振頻率一致的正弦（或類正弦或脈沖信號(hào)），經(jīng)過功率放大后在網(wǎng)絡(luò)匹配單元里通過阻抗匹配，使輸出的最終阻抗為純阻性，使得大功率電信號(hào)激勵(lì)探頭產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波[4]。

系統(tǒng)分為dsPIC30F4011 單片機(jī)主控部分和超聲電源主電路部分。 利用dsPIC30F4011 單片機(jī)產(chǎn)生PWM 調(diào)制信號(hào)，通過兩路AD 實(shí)現(xiàn)PWM 頻率和占空比的調(diào)節(jié)，并在1602 液晶上實(shí)時(shí)顯示超聲電源的頻率和功率等級(jí)。 單片機(jī)輸出的PWM 調(diào)制信號(hào)經(jīng)過隔離電路、 驅(qū)動(dòng)電路后送入超聲電源的核心電路逆變電路控制功率開關(guān)管的通斷實(shí)現(xiàn)將直流電壓轉(zhuǎn)化為脈沖電壓，然后再通過合理的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)得到驅(qū)動(dòng)換能器的正弦交流電壓或類正弦交流電壓。 超聲電源系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig. 1 Block diagram of the system

2 超聲電源主電路的設(shè)計(jì)

2.1 超聲電源主電路結(jié)構(gòu)

超聲電源主電路由隔離電路、驅(qū)動(dòng)電路、逆變電路以及阻抗匹配電路組成。其工作流程如下：?jiǎn)纹瑱C(jī)產(chǎn)生的PWM 波經(jīng)過隔離、 驅(qū)動(dòng)電路送入逆變電路用來驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)管，然后逆變電路輸出的脈沖波經(jīng)過阻抗匹配電路后激勵(lì)壓電超聲換能器工作。

2.2 超聲電源核心電路逆變電路的設(shè)計(jì)

逆變電路即DC/AC 變換電路，通過功率開關(guān)管的通斷實(shí)現(xiàn)將直流電壓轉(zhuǎn)化為脈沖電壓。 由于功率開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài)，它們的功耗低轉(zhuǎn)換效率高，能夠?qū)崿F(xiàn)大功率輸出。 逆變電路按照電路結(jié)構(gòu)可分為推挽式逆變、 半橋逆變和全橋逆變[5]。 由于半橋逆變電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，且抗磁通不平衡能力強(qiáng)，本系統(tǒng)采用半橋逆變電路，其電路結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 半橋逆變電路Fig. 2 The schematic of the half-bridge inverter circuit

在圖2 中，C1、C2與Q1、Q2 組成橋路，C1=C2，設(shè)Q1、Q2 導(dǎo)通壓降為Vces。 兩只功率開關(guān)管Q1 和Q2 在一對(duì)方波脈沖PWM1_15V 和PWM2_15V 的觸發(fā)下輪流導(dǎo)通和截止， 從而將直流電壓變換成高頻方波。 則其工作流程如下： 當(dāng)Q1 導(dǎo)通、Q2 截止時(shí)，因?yàn)镃1=C2，則VO=VCC/2-Vces。 當(dāng)Q1 截止，Q2導(dǎo)通時(shí)，V o=-（VCC/2-Vces），此時(shí)P2 端輸出變?yōu)樨?fù)。之后電路再進(jìn)入Q1 導(dǎo)通，Q2 截止的狀態(tài)，電路如此循環(huán)工作。 在這里兩只功率管只能交替的導(dǎo)通和截止，不能同時(shí)導(dǎo)通。 因?yàn)楫?dāng)兩只功率管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，會(huì)造成瞬間有一個(gè)大電流流過開關(guān)管，極容易燒毀管子繼而損壞其他元件。 因此需要根據(jù)開關(guān)管Q1 和Q2 的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間在PWM1_15V 和PWM2_15V之間設(shè)置一個(gè)死區(qū)時(shí)間。

逆變電路的輸出的頻率即為驅(qū)動(dòng)波形PWM1_15V 和PWM2_15V 的頻率，輸出功率為P o=V o2/Z，其中Z 為超生換能器的阻抗；Vo=VCC·η·n， 其中η 為驅(qū)動(dòng)方波的占空比，n為變壓器原副邊電壓比。 由于VCC 和n 為定值，因此本系統(tǒng)采用調(diào)節(jié)占空比的方式進(jìn)行超聲電源的功率調(diào)節(jié)。

2.3 隔離電路的設(shè)計(jì)

由于逆變器所使用的功率開關(guān)管Q1、Q2 的導(dǎo)通截止均需要一定電壓、電流的柵極驅(qū)動(dòng)才能較好的工作。 同時(shí)逆變器的驅(qū)動(dòng)電路是連接單片機(jī)系統(tǒng)與逆變器的橋梁，為了整個(gè)電路安全，驅(qū)動(dòng)電路必須有良好的隔離效果。

本系統(tǒng)采用光耦隔離的方式實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)和超聲電源主電路的隔離。 在選用光耦隔離的時(shí)候需要注意的是光耦的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)該與開關(guān)管的響應(yīng)時(shí)間相當(dāng)，否則會(huì)影響逆變電路性能。 本設(shè)計(jì)采用的是高速光耦6N137，其速度可達(dá)到10 Mbps，而超聲電源的工作頻率為20K 到60K，6N137 足以滿足系統(tǒng)的需要。

2.4 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

由于功率開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)對(duì)電壓電流以及上升、下降時(shí)間具有較高的要求， 本系統(tǒng)采用專用驅(qū)動(dòng)芯片IR2110 作為驅(qū)動(dòng)電路的核心。 IR2110 具有獨(dú)立的低端和高端輸入通道；高端和低端輸出通道可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩路IGBT 功率管[6]；輸出的電源端（即功率器件的柵極驅(qū)動(dòng)電壓）電壓范圍VCC 為10～20 V，本系統(tǒng)采用的是15 V；邏輯電源電壓范圍VDD 采用5 V，可方便地與TTL，CMOS 電平相匹配。隔離和驅(qū)動(dòng)電路如圖3 所示。

2.5 阻抗匹配電路的設(shè)計(jì)

由于超聲電源的輸出阻抗和傳輸線的特性阻抗均呈純阻性，而壓電換能器為電抗性元件，直接驅(qū)動(dòng)它會(huì)產(chǎn)生反射功率，使換能器溫度升高，電聲轉(zhuǎn)換效率降低，嚴(yán)重時(shí)甚至燒毀換能器，因此必須對(duì)阻抗進(jìn)行匹配。 匹配網(wǎng)絡(luò)起到調(diào)諧、變阻和濾波的作用， 使超聲系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)提高輸出效率、將超聲系統(tǒng)的阻抗變換至適當(dāng)值并濾除超聲電源輸出的諧波成分減小開關(guān)管的負(fù)擔(dān)[7]。

因?yàn)閴弘姵晸Q能器等效電路呈容性，因此最簡(jiǎn)單的匹配方法就是使用單個(gè)電感與換能器串聯(lián)或并聯(lián)，其中串聯(lián)匹配可以降低有功電阻且兼有濾波作用。 本系統(tǒng)采用的是單個(gè)電感與換能器串聯(lián)的方式來實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

2.6 電源模塊的設(shè)計(jì)

電源模塊包括單片機(jī)系統(tǒng)的5 V 電源、 隔離電路的5 V電源、 驅(qū)動(dòng)電路的兩路電源5 V、15 V 電源以及逆變電路的電源。 其中隔離電路的5 V 電源和驅(qū)動(dòng)電路的5 V 電源可以共用，但必須和單片機(jī)系統(tǒng)的5 V 電源隔離。 電源模塊的電路如圖4 所示。

圖3 隔離、驅(qū)動(dòng)電路Fig. 3 The Schematic of drive and isolation circuit

圖4 電源模塊電路圖Fig. 4 The Schematic of power circuit

在圖4 中， 逆變電源采用VIN 為24 V 的直流供電，24 V的直流電壓VIN 經(jīng)電源芯片LM2596S-5 降至5 V，給隔離電路和驅(qū)動(dòng)電路提供5 V 的電源；然后5 V 電壓再經(jīng)過電源芯片LM2577S-ADJ 升至15 V，給驅(qū)動(dòng)電路提供另一路15 V 電源； 同時(shí)該5 V 電壓經(jīng)過電源隔離芯片B0505S 給單片機(jī)系統(tǒng)提供VCC（5 V）的電源，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)數(shù)字部分電源和超聲主電路電源的隔離。

3 dsPIC30F4011 單片機(jī)主控電路設(shè)計(jì)

3.1 半橋逆變電路的驅(qū)動(dòng)波形PWM 的產(chǎn)生

dsPIC30F4011 單片機(jī)主控電路的主要工作是產(chǎn)生兩路調(diào)制PWM 波。 這兩路PWM 用來驅(qū)動(dòng)超聲電源核心電路半橋逆變電路的[8]，因此這兩路PWM 要求滿足半橋逆變電路對(duì)驅(qū)動(dòng)波形的要求：1）頻率和占空比相等；2）兩路PWM 相位差180 度；3）兩路PWM 之間有一定的死區(qū)時(shí)間。 此死區(qū)時(shí)間需根據(jù)逆變電路所使用的功率開關(guān)管的響應(yīng)特點(diǎn)來確定。 本系統(tǒng)功率開關(guān)管采用的是SGH80N60UFD， 其導(dǎo)通與截止的響應(yīng)時(shí)間最長為：td（on）+tr+td（off）+tf=353 ns，因此 死區(qū)時(shí)間 至 少要 大于這段時(shí)間，就可以防止兩路功率管同時(shí)導(dǎo)通。 再考慮到驅(qū)動(dòng)芯片可能帶來的響應(yīng)延時(shí)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的死區(qū)時(shí)間為1 μs，足夠保證系統(tǒng)安全。

3.2 單片機(jī)其他控制部分的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的超聲電源可以實(shí)現(xiàn)電源的頻率和功率可調(diào)。 超聲電源輸出波的頻率即為驅(qū)動(dòng)波形PWM 的頻率，由2.2 節(jié)知，超聲電源的功率為：

式中， 逆變電路的供電電壓Vcc 和變壓器的原副邊比n是定值。 因此，超聲電源的輸出功率不僅和PWM 的占空比η有關(guān)，還和超聲換能器的阻抗Z 有關(guān)。 當(dāng)超聲電源接不同的超聲換能器時(shí)，超聲電源的功率將不同。 因此，本系統(tǒng)采用的是以PWM 的占空比來衡量功率， 當(dāng)調(diào)節(jié)PWM 的占空比時(shí)，將在1602 液晶上顯示不同的功率等級(jí)。

因此， 單片機(jī)除了需產(chǎn)生符合3.1 節(jié)所述要求的PWM波形，還要求PWM 波形的頻率和占空比可變。 PWM 波形頻率和占空比的調(diào)節(jié)采用單片機(jī)的AD 轉(zhuǎn)換模塊完成。 本系統(tǒng)的超聲電源頻率范圍為20K 到60K。 由3.1 節(jié)中可知兩路PWM 間各需留出1 us 的死區(qū)時(shí)間，兩路PWM 在一個(gè)周期內(nèi)除了各自的高電平時(shí)間，至少要有2 us 的死區(qū)時(shí)間。 因此兩路PWM 的最大占空比為：

式中Tm 為最大占空比時(shí)間，T 為PWM 的周期，Tm和T的單位都為us。可以看出，最大占空比時(shí)間Tm與PWM 的周期T 有關(guān)，因此不同的PWM 頻率下的最大占空比時(shí)間不同。 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的PWM 占空比可從0 調(diào)到該頻率下的最大占空比。

3.3 單片機(jī)軟件程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)軟件程序子程序主要包括:PWM 模塊的控制、AD模塊的控制和1602 液晶的顯示。 主程序流程圖如圖5 所示。

圖5 主程序流程圖Fig. 5 Flow chart of the main program

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

超聲電源最后的輸出波形如圖6 所示。由圖6（a）可以看出未接壓電超聲換能器電源空載時(shí)， 電路的阻抗不匹配，類正弦波振蕩很嚴(yán)重，而圖6（b）超聲電源接了壓電超聲負(fù)載后，電路的阻抗匹配了，類正弦波上的震蕩消失，電源輸出類正弦波激勵(lì)壓電超聲換能器。

5 結(jié) 論

圖6 超聲電源的輸出波形圖Fig. 6 The Output waveform of ultrasonic power supply diagram

采用dsPIC30F4011 單片機(jī)基于半橋逆變電路設(shè)計(jì)了一種性能優(yōu)越的超聲電源， 通過PWM 調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)超聲電源頻率和功率的調(diào)節(jié)。 實(shí)驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)的超聲電源可以實(shí)現(xiàn)頻率和功率的連續(xù)調(diào)節(jié)， 并實(shí)時(shí)顯示電源頻率和功率等級(jí)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能優(yōu)良，基本達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

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