??? 摘 要： 介紹了一種基于CPLD芯片的數字PWM超聲波清洗" title="超聲波清洗">超聲波清洗電源的設計，其中包括數字PWM信號產生電路、單片機控制電路、功率放大電路、保護電路以及超聲波電源與換能器" title="換能器">換能器的匹配和頻率跟蹤" title="頻率跟蹤">頻率跟蹤設計，并給出了系統軟件設計流程。
??? 關鍵詞： 超聲清洗 PWM信號? 功率放大? 匹配設計? 頻率跟蹤
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??? 超聲清洗技術在各種化學、物理以及機械的清洗中是最有效的一種手段，其核心是超聲波電源。目前它激式超聲波電源大多數采用專用集成控制芯片如SG3525、TL494產生PWM脈沖信號，經功率放大、阻抗和調諧匹配后，推動換能器將電信號轉換為機械振動，產生超聲波。這類電源的主要問題是頻率隨器件工作溫度而偏移、動態響應慢、參數調整復雜且不夠精確、實時跟蹤換能器諧振頻率" title="諧振頻率">諧振頻率困難，使得換能器難以工作在最佳諧振狀態，極大影響了清洗效果及穩定性。因此，研制性能穩定、控制調整簡便且成本低的數字化超聲波電源尤為關鍵[1]。本文介紹數字PWM芯片的設計原理以及以該類芯片為核心的新型它激式超聲波清洗電源的控制電路、功率驅動電路和頻率跟蹤電路的設計。
1 數字化超聲波電源設計原理
??? 數字超聲波電源結構示意圖如圖1所示。單片機AT89C2051控制數字PWM發生器，產生頻率為10kHz～1MHz、死區大小可調、波形互補的兩路脈沖信號；功率電路采用半橋放大方式，通過DC/AC變換電路產生的高壓信號經輸出變壓器隔離后去激勵由諧振電感和超聲換能器構成的串（或并）聯諧振回路,使其諧振,將電能轉換為機械能，產生超聲波，實現超聲清洗的目的。
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2 數字化超聲波電源電路設計
2.1 數字PWM信號發生器
??? 數字PWM信號發生器原理圖如圖2所示，它以計數器為核心，由周期預置計數器、邏輯延時計數器、協同控制信號以及各種觸發標志信號等組成。
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??? 在基準時鐘信號CLK的作用下，周期預置計數器和減1計數器開始做循環置數減1操作，當減至零值時，產生周期等于T的兩路觸發脈沖信號去控制兩個RS觸發器的翻轉時刻，并用邏輯延時計數器保證翻轉方向，從而形成兩路反向的PWM波形。PWM波形發生器輸出頻率f和頻率分辨率Δf由下式計算：
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式中，foscillator為晶振頻率；Q為對應的N位二進制計數值。顯然計數器位數越多，PWM發生器晶振頻率越高，頻率分辨率就越高，頻率可調范圍也就越寬。PWM信號發生器的具體實現電路一般采用大規?？删幊踢壿嬈骷﨏PLD或FPGA器件來完成，也可用專用集成電路(ASIC)來實現[2]。
??? 數字PWM發生器控制電路圖如3所示。整個電路以單片機AT89C2051為控制核心，用并行輸入的方式實現數字PWM發生器的頻率、延時時間、脈沖占空比等的設定，并實時處理鍵盤輸入的控制命令和顯示輸出，實現人機交互。
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??? 首先，通過A[0..2]總線向CPLD送入訪問地址，譯碼后D[0..3]上的數據寫入選中計數器，實現對PWM波形發生器的設置，按下Start_Key鍵啟動CPLD開始獨立工作。在工作過程中，頻率跟蹤電路將采樣反饋信號Feedback送入A/D轉換器形成四位二進制數值[PD0..PD3],用該數據調整PWM脈沖信號的死區延時預置計數器計數值即占空比，從而跟蹤諧振點的變化，穩定輸出功率。如果外部電路出現異常，則用保護信號Protect停止PWM信號的輸出。
2.2 半橋功放電路及其驅動電路
??? PWM發生器產生的兩路PWM信號電流小、驅動能力弱，需要通過電流放大后才能驅動功率場效應管MOSFET模塊或IGBT模塊，為此必須進行脈沖變壓器隔離放大。圖4為輸出功率放大電路，市電經高頻濾波電路后進入整流橋，將交流變換成直流再經C3、C4組成的濾波電路濾波得到約300V直流電壓U1作為開關功率放大電路電源，C3、C4同時也是橋式電路的兩個橋臂，通常它們上面要并聯一個33kΩ的均壓電阻以保證其中點電壓為U1/2(約150V)。功率開關器件V1、V2在雙路互補脈沖PWM信號作用下交替導通" title="導通">導通、截止，圖5為經過脈沖變壓器隔離的實際控制波形圖。當V1導通時，V2截止，電壓U1經V1、變壓器B的初級、電容C4到地形成通路將電能儲存在變壓器中，而當V1截止時，V2導通，電壓U1經C3、變壓器B的初級、V2到地構成通路將儲存在變壓器中的能量釋放，隨后重復上述工作過程，于是在輸出變壓器次級得到一個與主振信號同頻且電壓幅度較高的準方波信號，如圖6所示。此過程通常稱交－直－交變換（AC-DC-AC變換）。由于功率管在截止和飽和導通時的功耗很小，而開關時間較短，因此總的功耗較小，而且恒定 ，最高效率可以達到90％以上。
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2.3 匹配電路
??? 超聲波電源匹配電路包括輸出變壓器、電感和換能器。該電路將功率放大后的高壓信號用輸出變壓器隔離后，去激勵由諧振電感和超聲換能器構成的串（并）聯諧振回路,使其諧振,將電能最有效地轉換為機械能，實現超聲清洗的目的。雖然結構簡單（通常只有一個匹配電感），卻具有重要作用。匹配調得好的清洗效果好；匹配調得差的則清洗效果差。匹配電路包括阻抗匹配和調諧匹配兩個方面。
??? 阻抗匹配是指變換負載的阻值，使之與PWM波形發生器的最佳負載值相等，即起阻抗變換的作用，應根據換能器的激勵電壓、等效阻抗以及開關電路的輸出阻抗進行精心設計。
??? 壓電換能器在諧振頻率附近的等效電路如圖7所示。圖中，C0為靜態電容，是一個真實的電學量。L1、C1和R1分別是動態電感、動態電容和動態電阻，它們不是真正的電學量，而是從換能器的質量、機械特性和損耗分別折算過來的等效參數。當換能器處于機械諧振狀態時,諧振頻率近似為：
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??? 由式（2）和式（3）可知，諧振時整個網絡等效于純電阻性，電壓和電流的相位差近似為零，因此需要動態調整電感L，保證諧振頻率f0與PWM發生器所產生信號的頻率相匹配。
2.4 頻率跟蹤設計
??? 換能器的諧振頻率會由于發熱、負載變化、老化等原因發生改變，引起換能器諧振頻率的漂移，因此要求PWM發生器能自動調節頻率，即自動跟蹤頻率。理論上換能器諧振時，在換能器兩端的電壓信號和電流信號（除去靜態電容的電流分量）相位差為零，故可用相位差作為反饋信號調整頻率的變化。然而這種方法在工程中使用較少。(1)由于動態電容和靜態電容，存在一個電流分量，實際上換能器諧振時電壓和電流的相位差不為零。(2)當換能器處于偏諧振狀態時，電流取樣波形不再是正弦波形，波形復雜不易進行相位比較，而且鑒相器檢測出來的相位差變化范圍很小，線性差，也不易作為反饋控制信號。
??? 考慮在諧振狀況下，換能器阻抗最小，回路電流最大，因此采用單片機搜索諧振頻率附近的工作電流最大值，便可使換能器處于最佳工作狀態。如果換能器的諧振頻率發生漂移，電流i將因系統失諧而減小，反饋給智能控制系統，將單片機的采樣電流值與諧振頻率時的最大電流imax比較，若不等則單片機發出指令，以一定的步長Δf改變PWM發生器的工作頻率，如頻率改變電流減小，單片機會使頻率朝相反方向改變，直到最大電流值出現，于是系統又回到了V和I同相的諧振狀態。采樣電流通常檢測功放級的直流電流，也可以檢測流過換能器的超聲波電流。
2.5 保護電路設計
??? 超聲波清洗機電源是一種大功率設備,常因種種原因致使設備過流、過熱以及負載短路而損壞驅動源。為此,超聲波清洗機電源設置了過流、過熱及輸出短路保護電路,以確保驅動源穩定可靠工作[3]。圖8和圖9分別為過流保護電路和過壓保護電路。圖10是過熱保護信號產生電路，當溫度低于65°C時，68L065長閉型熱繼電閉合，P為低電平，電路處于正常工作狀態；而當溫度高于65°C時，熱繼電器斷開，P為高電平，通過保護信號合成電路產生過熱保護信號，控制振蕩電路停振，并經故障指示板發出過熱指示信號。
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3 數字化超聲波電源軟件設計
??? 軟件設計主要對PWM發生器進行編程，實現頻率設置和調整、鍵盤輸入和LED顯示等控制，同時監控頻率跟蹤電路的反饋信號，調整占空比改變輸出功率，完成掃頻和軟啟動功能等，程序流程圖如圖11所示。
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??? 本文設計的超聲波清洗電源采用數字PWM發生器，產生的頻率穩定性好，且連續可調。為了提高駐波場的均勻性，增強清洗效果，還設計了掃頻功能。本系統用大功率的VDMOS管和變壓器輸出，轉換效率高,達90%以上，不但輸出功率大，而且具有軟啟動功能，避免開關電源啟動時的沖擊，使啟動時功率由小變大，從而提高了系統的可靠性。該系統還具有過流、過熱、過壓保護功能，可靠性高，并能夠跟蹤換能器諧振頻率的漂移及時調整數字PWM發生器的輸出頻率，輸出功率穩定。
參考文獻
[1] 馬伯志，吳敏生. 基于DDS技術的智能超聲波功率源的研究. 電子技術應用, 2004，30(8).
[2] ?徐 濤. 超聲波發生器電源技術的發展[J]. 洗凈技術，2003,(7).
[3] ?傅友登. CDXX-2002系列超聲波清洗機電源說明書.四川大學新星技術研究所, 2002.