数字化控制超声波电源的研究

论文摘要

近年来,超声波清洗设备因其节省人力、清洁度高和清洗效果好等优点,在越来越多行业得到广泛应用。本文以超声波清洗机的电源部分为研究对象,通过分析超声波电源的谐振槽路和拓扑结构,选择更适合超声波清洗机的串联型逆变器,并分析了串联型超声波电源的各种调功方式,在对各种功率调节方式分析的基础上,得出在整流侧调功有利于超声波电源频率和功率提高,选择不控整流加斩波器调功方式。在逆变控制电路的实现中,研究基于DSP的具有最佳死区的频率跟踪控制系统。用锁相环作为频率跟踪的核心器件,根据死区效应和最佳死区的理论,用DSP实现死区的在线调节。设计以TMS320LF2407A为控制核心的硬件控制平台,包括了采样电路、保护电路、相位补偿电路、驱动等外围电路,在此基础上编制了程序软件。在分析各种斩波调功方法的基础上,超声波电源采用电压电流双闭环的控制策略,并根据电路系统参数非恒定特性,将模糊控制引入超声波电源的功率调节中。为实现超声波清洗系统高效率运行,超声波清洗机还必须包括阻抗和调谐两种匹配电路。阻抗匹配使超声波电源的输出电阻与负载阻抗相一致,调谐匹配使负载呈现纯电阻性,使电路处于谐振状态。文中就这两种匹配电路分别给出设计方法。最后,本文还给出了实验结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 超声及超声清洗简介
• 1.2 超声波电源的发展概况和发展趋势
• 1.3 本文的研究背景及主要工作
• 第二章 超声波电源系统的主电路分析
• 2.1 超声波发生器的组成原理
• 2.2 整流单元方案比较
• 2.2.1 二极管不控整流电路
• 2.2.2 晶闸管相控整流电路
• 2.2.3 SPWM 整流电路
• 2.3 功率逆变器拓扑方案比较
• 2.3.1 负载串联谐振逆变器
• 2.3.2 负载并联谐振逆变器
• 2.3.3 逆变电路拓扑结构的选择
• 2.4 功率控制方案比较
• 2.4.1 直流侧调功
• 2.4.2 逆变侧调功
• 2.4.3 功率控制方案的选择
• 2.5 主电路的设计
• 2.5.1 主电路拓扑结构的确定
• 2.5.2 主电路的参数计算
• 第三章 逆变器控制系统设计
• 3.1 锁相环频率自动跟踪
• 3.2 锁相环CD4046 结构及其数学模型
• 3.2.1 CD4046 内部结构和外围器件选择
• 3.2.2 CD4046 的数学模型及性能分析
• 3.3 死区宽度对逆变器性能的影响
• 3.3.1 死区处于不同位置时对逆变器性能的影响
• 3.3.2 最佳死区时间的选择
• 3.4 逆变控制系统的硬件设计与实现
• 3.4.1 TMS320LF2407A DSP 控制器
• 3.4.2 逆变控制系统的硬件设计与实现
• 3.4.3 采样模块与外围电路设计
• 3.5 控制系统的软件设计与实现
• 3.5.1 TMS320LF2407A DSP 软件编程特点
• 3.5.2 程序设计和流程图
• 第四章 调功控制系统设计
• 4.1 功率控制问题
• 4.2 BUCK 调功系统
• 4.2.1 电压单闭环调功系统
• 4.2.2 带截压或截流的闭环调功系统
• 4.2.3 功率闭环调节系统
• 4.2.4 电流电压双闭环调功系统
• 4.3 电压、电流双闭环BUCK 控制系统的数学模型分析
• 4.4 功率控制器设计
• 4.4.1 Buck 变换器的模糊控制
• 4.4.2 PI 调节器设计
• 4.5 基于DSP 的功率调节流程图
• 第五章 超声波电源匹配电路
• 5.1 超声波换能器动态调谐匹配
• 5.2 阻抗匹配
• 5.2.1 输出变压器的变比计算
• 5.2.2 输出变压器的设计
• 第六章 驱动和保护电路设计
• 6.1 IGBT 的驱动电路
• 6.2 保护电路
• 6.2.1 过流过压保护
• 6.2.2 过温保护
• 6.2.3 缓冲电路
• 第七章 试验结果和结论
• 7.1 调功系统试验结果
• 7.2 逆变部分实验波形
• 7.3 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 附录一 超声波电源主电路
• 附录二 基于IR2100 芯片的驱动电路
• 附录三 控制系统电路
• 附录四 作者在攻读硕士期间发表的论文