隨著科學的發展和技術的進步．超聲波在超聲焊接、超聲清洗、干燥、霧化、導航、測距、育種等領域的應用日趨廣泛。現在的大功率超聲波電源大都采用頻率跟蹤控制或功率控制。這種單一控制方法不僅會降低超聲波電源效率，而且會影響輸出精度和強度。如何使超聲波電源根據實際負載實時，動態調節輸出諧振頻率和功率，從而保證超聲波加工等操作的要求具有重要的理論研究和實際應用價值。

2　超聲波電源系統的組成

超聲波電源系統主要由220V電源、整流濾波、高頻逆變單元、匹配網絡、檢測電路、PWM產生電路和驅動電路組成，如圖1所示。

220V單相交流電經過二極管不可控整流電路得到直流電壓，然后經過由MOSFET組成的高頻逆變電路得到滿足換能器要求的高頻電壓。為減少高頻工作條件下MOSFET的開關損耗，高頻逆變電路采用帶輔助網絡的全橋結構，如圖2所示。此電路結構解決了傳統零電壓開關(ZVS)PWM電路變壓器漏感小且滯后橋臂難于實現ZVS的問題。同時，根據電流增強原理，此電路結構可在任意負載和輸入電壓范圍內實現零電壓開關，大大減少了占空比丟失。超聲波電源與換能器匹配的好壞將決定整個電路的控制效果。因此，應該對匹配網絡每個參量(高頻變壓器匝比K，輸出匹配電感Lf)進行嚴格的計算。匹配主要指為使發生器輸出額定電功率，進行阻抗變換匹配。以及為使發生器輸出最高效率進行調諧匹配。

采用56F803型DSP作為控制電路的核心處理器．它內置2 KB SRAM，31．5 KB FLASH，同時，其40 MHz的CPU時鐘頻率比其他單片機具有更強的處理能力。6路PWM信號可以實現高頻逆變電路開關管MOSFET的移相控制。12位A／D轉換器采集可以實現電壓和電流采樣并滿足采樣數據精度的要求。利用56F803型DSP中定時器的捕獲功能可以精確計算相位差大小，實現系統的頻率跟蹤控制。串行外設接口SPI與MCl4489配合使用可以實現對5位半數碼管的控制．從而實現系統頻率和功率的顯示。另外，56F803還支持C語言與匯編語言混合編程的SDK軟件開發包．可以實現在線調試。

驅動電路采用IR21lO型驅動模塊．它具有集成度高，響應速度快(tar/taff=120 ns／94 ns），偏值電壓高(<600 V),驅動能力強，成本低和易于調試等優點。IR2110是基于自舉驅動原理的功率MOSFET驅動電路．驅動信號延時為納秒級，開關頻率可以從數十赫茲到數百千赫茲。同時,IR2110還具有比較完善的保護功能(如欠壓檢測、抗干擾、外部保護閉鎖等)。一個IR2110可以同時驅動單橋臂的上下二個MOSFET,因此,使用少量分立元件和一路控制電源就可以實現一個橋臂MOSFET 的驅動控制，這樣大大減小了驅動電路的體積和成本。

3　系統的控制策略

超聲波電源系統采用頻率跟蹤和功率調節相結合的控制策略，從而使發生器在輸出最大功率時可達到最高效率。此種控制策略主要通過控制PWM的周期(也就是控制開關頻率)和PWM控制波形的移相角來實現。

3．1　頻率跟蹤控制的實現

采用鎖相法實現頻率跟蹤控制。使用KT20A/P型電流傳感器和KV20A／P型電壓傳感器分別檢測換能器二端的電壓和電流，經過滯環控制得到電壓和電流的方波信號，如圖3所示。該滯環的回差為lV。然后，對二路方波信號經過異或門和D觸發器得到相位差波形和相位差符號。相位差波形送入DSP的捕獲口,計算出相位差大小T，相位差符號送入GPIOA7口．獲得符號標志量flag。當T≠O，flag=o時，表示電壓超前電流。此時，應該減小開關管的頻率f；當T≠O，flag=l時，表示電壓滯后電流，此時，應該增加開關管的頻率f,然后把頻率量轉化成時間量附給DSP模值寄存器,從而改變輸出PWM信號的周期。

3．2　功率控制的實現

為了使高頻逆變電路的輸出功率滿足換能器所需要的額定功率，要采用功率控制電路，即采集直流側的電流信號與給定的電流值進行比較,并對偏差進行數字PI調節，從而改變移相控制波形的移相角．進而改變高頻逆變電路的輸出電壓。

采集直流側的電流來實現功率控制的主要原因是通過換能器的電壓和電流是交流，需要檢波、濾波等處理過程才能檢測到,這樣比較困難。而直流側電壓是直流量,基于這種考慮,采用了檢測直流側電流的方法。采用增量式數字PI運算減小偏移量,從而達到無靜差控制。直流側電流實時跟蹤給定電流,改變軟開關控制信號的移相角,從而改變高頻逆變電路的輸出電壓，當移相角增大時輸出電壓也增大,所以高頻逆變電路最終會輸出換能器所要求的功率。

3．3　周期分段實現移相控制

本系統的開關采用占空比為50％的PWM信號移相控制。傳統移相控制方法有二種：一種是采用UC3875產生移相控制波形．但電路復雜，不便于調試。精度低：另一種是采用單片機，這種方法大部分采用正弦表產生移相波形，程序冗長、復雜、可讀性差。本系統采用周期分段控制方法實現移相控制波形。在每個PWM周期中把開關管的控制波形分為4段．每段波形中DSP模值寄存器PWMCM的值等于計數器PWMVAL的值。變量Count代表輸出的是第幾段波形,當Count=l或Count=3時．把波形I或Ⅲ的模值MODUL01(I和Ⅲ的模值相同)賦給模值寄存器。當Count=l時,PWM模塊的0通道和3通道分別輸出高電平和低電平。當Count=3時．PWM模塊的0通道和2通道分別輸出低電平和高電平；當Count=2或Count=4時．把波形Ⅱ或IV的模值MODULO 2(Ⅱ和IV的模值相同)賦給模值寄存器．當Count=2時，PWM模塊的O通道和3通道都輸出高電平。當Count=4時．PWM模塊的0通道和2通道都輸出低電平。然后，按照上述方式循環輸出波形，如圖4所示程序框圖。

圖5為主程序框圖。在程序中，頻率跟蹤部分出現相位差時，先給頻率賦一個較大步長(m=100)．然后隨著相位差的減小．逐漸減小步長．直到相位差為零。

4　實驗結果分析

上述超聲波電源的主要參數是直流側電壓270 V；開關頻率fS=20 kHz；高頻變壓器匝比K=38：15；諧振電感Lf=3 mH；換能器采用工作頻率為20 kHz．內阻為10Ω ,電容為12 000pF，最大輸出功率為l 500 W。

圖6(a)給出逆變橋輸出電壓和電流實驗波形。

圖6(b)是Q1管控制波形和漏一源極間電壓實驗波形。可見，當控制信號使開關管導通時。其漏極和源極之間的電壓已經為零,實現了開關管零電壓導通

圖6(c)是換能器二端電壓實驗波形。換能器處于固有頻率諧振狀態時為純阻性負載，所以二端電壓為正弦。

5　結束語

采用頻率跟蹤和功率協調控制的數控式新型超聲波電源具有以下特點：

(1)采用帶輔助電路、電流增強型的ZVS全橋變換器．實現了所有開關管的ZVS；(2)實現了頻率跟蹤與功率控制的協調控制策略，跟蹤精度可達4Hz．能夠滿足超聲焊接、超聲清洗等控制的要求；(3)采用周期分段控制策略實現ZVS的移相控制，使得程序簡化；(4)采用IR2110型集成驅動，驅動簡單．減小了系統的體積，降低了成本。

超聲波電源的基本知識

超聲波電源也叫超聲波發生器或者超聲波發生源，它的主要作用是把我們的市電（220V或380V，50或60Hz）轉換成與

超聲波換能器相匹配的高頻交流電信號。隨著超聲波技術的發展，工業清洗、焊接、打孔、拋光、均質等領域。

超聲波電源原理

首先由超聲波電源來產生一個特定頻率的信號，這個信號可以是正弦信號，也可以是脈沖信號，這個特定頻率就是超聲波換能器的頻率，一般在超聲波設備中使用到的超聲波頻率為25KHz、28KHz、35KHz、40KHz；1OOKHz，100KHZ以上的頻率尚未大量使用，但隨著技術的不斷發展，相信使用面會逐步擴大．比較完善的超聲波電源還應有反饋環節，主要提供二個方面的反饋信號：

第一個是提供輸出功率信號，我們知道當超聲波電源的電壓發生變化時．超聲波電源的輸出功率也會發生變化，這時反映在超聲波換能器上就是機械振動忽大忽小，導致清洗效果不穩定．因此需要穩定輸出功率，通過功率反饋信號相應調整功率放大器，使得功率放大穩定.第二個是提供頻率跟蹤信號．當超聲波換能器工作在諧振頻率點時其效率最高，工作最穩定，而超聲波換能器的諧振頻率點會由于裝配原因和工作老化后改變，當然這種改變的頻率只是漂移，變化不是很大，頻率跟蹤信號可以控制信號超聲波電源，使信號超聲波電源的頻率在一定范圍內跟蹤超聲波換能器的諧振頻率點．讓超聲波電源工作在最佳狀態。

超聲波電源分類

超聲波電源按設計分自激方式電源和他激方式電源。自激電路沒有信號源，是把振蕩、功放、輸出變壓器及換能器集為一體，形成一閉環回路，回路在滿足幅度、相位反饋條件，組成一個有功率放大的振蕩器。并諧振于換能器的機械共振頻率上。一般應用于超聲波換能器數量少的小型設備；但是對于超聲波換能器數量多的情況下，無法調試達到共振效果。所以目前工業用超聲波洗凈設備的超聲波電源大都采用他激方式。

他激式電源結構上主要包括兩部分，前級是振蕩器，后級是放大器。一般通過輸出變壓器耦合，把超聲能量加到換能器上。他激方式的電路由兩部分組成，既信號源部分和信號放大部分。

信號源部分采用CPU為核心的信號發生和控制部分，一般都采用12-15V電壓驅動，產生方波信號供給信號放大電路;超聲波電源的定時控制、調節等外加功能都可以通過控制信號源的信號輸出方式完成，采用低電壓控制，安全可靠性會肯定高。

信號放大部分是將信號源產生的信號放大后輸出給超聲波換能器。不同電路的超聲波電源，其輸出電路、電壓的不同是導致傳播效率高低的重要原因。輸出電壓低，發生器消耗電能自然就大，同時振子還容易發熱，產生的感應電場強。適當的調整電路，增大輸出給超聲波換能器的電壓可能會取得很好的效果。

此外，如果按末級功放管所采用的器件類型分，又可分四種：電子管式超聲波電源；可控硅逆變式超聲波電源；晶體管式超聲波電源及功率模塊超聲波電源。電子管式與可控硅逆變式目前基本已淘汰，當前廣泛使用的是晶體管式電源。這方面我們就不作具體介紹了。

超聲波電源與超聲波換能器匹配問題在實際應用中，如何讓超聲波電源與換能器功率更匹配呢？主要從以下兩個方面去考慮：

首先，是通過匹配使電源向換能器輸出額定的電功率，這是由于電源需要一個最佳的負載才能輸出額定功率所致，把換能器的阻抗變換成最佳負載，也即阻抗變換作用。

其次，通過匹配使超聲波電源輸出效率最高，這是由于超聲波換能器有靜電抗的原因，造成工作頻率上的輸出電壓和電流有一定相位差，從而使輸出功率得不到期望的最大輸出，使電源輸出效率降低，因此在電源輸出端并上或串上一個相反的抗，使電源負載為純電阻，也即調諧作用。由此可見與超聲波換能器匹配的好壞直接影響著超聲波電源的效率。