超声水处理功率放大技术研究

论文摘要

论文研制了一台用于水处理的驱动超声换能器的功率放大器，实现了对最大幅值1.5V左右频率为18kHz～30kHz正弦波的功率放大，输出电压可调最大幅值为210V，输出最大功率为300W。 论文分析了适合于开关功率放大器的控制方案。文章以单相全桥电路为拓扑主回路，对单极性和双极性正弦脉宽调制(SPWM)波形进行了分析比较，找出了调制深度和载波比与调制极性、谐波成分和基波电压的关系。为了提高等效开关频率，改善输出波形质量，选择单极性调制方式。 论文分析了超声换能器电声频率特性及单级LC滤波器和两级LC滤波器的特点，结合换能器匹配和频率跟踪选择了两级LC滤波器对开关功率放大器输出波形进行滤波。 控制电路要求简单、可靠、容易实现灵活控制。论文选择7MS320F2812这种具有强大的运算能力和丰富内部资源的专用数字电机控制的DSP作为控制核心芯片，通过TMS320F2812内置的12位AD转换器采用规则采样法生成SPWM波形，实现对功率开关管的数字控制。 经过仿真实验和实际装置实验的结果对比，验证了本论文所述方案的正确性和可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 水处理功率超声技术的现状与展望
• 1.2 超声参数对水处理的影响
• 1.2.1 超声波频率
• 1.2.2 超声功率强度
• 1.3 课题来源及意义
• 1.4 超声水处理实验对功放的要求
• 1.5 本论文的结构及研究内容
• 第二章 开关功率放大原理与 SPWM调制及波形分析
• 2.1 功率放大器简介
• 2.2 开关功率放大器的放大原理
• 2.3 SPWM的基本原理
• 2.4 SPWM调制方式
• 2.4.1 双极性调制
• 2.4.2 单极性调制
• 2.5 SPWM波形分析
• 2.5.1 频率调制比N奇偶性与输出频谱的关系
• 2.5.2 输出谐波幅值与频率调制比N的关系
• 2.5.3 输出谐波幅值与幅值调制深度 D的关系
• v与幅值调制深度 D的关系'>2.5.4 总谐波失真度 THD_v与幅值调制深度 D的关系
• 2.6 SPWM波的采样方式
• 2.6.1 自然采样法
• 2.6.2 规则采样法
• 2.7 本章小结
• 第三章 开关功率放大器逆变主电路设计
• 3.1 主回路结构
• 3.1.1 推挽式电路
• 3.1.2 半桥电路
• 3.1.3 全桥电路
• 3.2 功率开关管选择
• 3.3 快速二极管选择
• 3.3.1 开通特性
• 3.3.2 关断特性
• 3.4 驱动电路设计
• 3.4.1 栅极驱动的特点及其要求
• 3.4.2 高压侧 MOSFET的驱动要求
• 3.4.3 驱动芯片选择
• 3.5 滤波电路设计
• 3.5.1 滤波器的基本类型和设计要求
• 3.5.2 单级 LC滤波器
• 3.5.3 两级 LC滤波器
• 3.5.4 压电换能器频率特性分析
• 3.5.5 滤波器参数设计与仿真
• 3.6 本章小结
• 第四章 开关功率放大器的电源设计
• 4.1 主电路直流电源设计
• 4.1.1 直流电源整体电路框图
• 4.1.2 BUCK变换电路
• 4.1.3 BUCK电路的驱动电路
• 4.2 辅助电源设计
• 4.3 DSP供电电源设计
• 4.3.1 TPS767D301的主要特点
• 4.3.2 TMS320F2812电源电路
• 4.4 本章小结
• 第五章 开关功率放大器控制电路及软件设计
• 5.1 TMS320F2812功能及特点
• 5.1.1 主要特性
• 5.1.2 开发环境
• 5.2 硬件电路设计
• 5.2.1 正弦调制信号调理电路
• 5.2.2 负载电流检测调理电路
• 5.2.3 负载电压检测调理电路
• 5.2.4 SPWM和 PWM输出电路
• 5.3 软件设计
• 5.3.1 初始化模块
• 5.3.2 数据采集模块
• 5.3.3 数据处理模块
• 5.3.4 显示处理模块
• 5.4 本章小结
• 第六章 系统测试
• 6.1 系统测试
• 6.2 本章小结
• 第七章 全文总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间论文发表