一种频率可调超声波发生器设计
发布时间：2022-02-11 21:12
不同清洗物所需的清洗频段不同,需要接入的超声波换能器也不同。为了提高超声波发生器对不同频段换能器的适应性,设计了一种由上位机进行频率给定、锁相环电路进行频率跟踪的闭环控制系统。整个系统由STM32主控制器产生脉冲宽度调制（PWM）脉冲信号,控制EXB841优化驱动电路,驱动高频全桥逆变电路;通过阻抗匹配和输出电流的检测,保证作用于换能器输出的功率值最大。同时对于不同频段的超声波换能器,需要调整给定输入,保持发生器在频率基准值的一定范围内进行频率跟踪。超声波换能器测试样机工作频率点为28.8 kHz,最大功率1 500 W,将本系统接入后谐振频率保持在28.8 kHz左右,输出功率近似为最大值。经测试,该系统对于工作频率点为20～40 kHz的超声波换能器都具有较好的适应性。
【文章来源】：太赫兹科学与电子信息学报. 2020,18(02)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
Fig.2Diagramoftheinvertercircuit图2逆变电路原理图T3UT4D5R4R5D5
非纯粹的电学量[11–12]。由于超声波换能器的整体负载呈现容性性质，一般在其等效阻抗前端串联一电感元件补偿容性阻抗，同时降低有功损耗和高次谐波的影响。但实际使用时，超声波换能器会在运行过程中由于温度、时间、损耗等不确定因素，造成超声波换能器的等效负载阻抗从谐振状态漂移为非谐振状态，减小T3FUC11C21C22D3LM317R1C7R6D2C28C9LM7812LM7805C13ICL7660C14C12D1U2U4+20VC10U5Fig.3Circuitofauxiliarypowersupply图3辅助电源电路220V24V123432inoutADJ13UinUoutGND2132UinUoutGND12345678BOOSTCAP+GNDCAP-U+OSCLVUoutPWM1GNDR33R31P2IGBTP31C37UCCR34+5VR43RGC38U5EXB841R38U6TLP521D5D7D9C35R35D3R37C36GNDC39R39UCC+5VQ4GNDU7SE555T&GNDFig.4Drivercircuit图4驱动电路12231915145342148627315SES55TR40
相位滞后于电流；若结果为低，则表明电压相位超前于电流。4系统软件设计STM32控制器可以通过自身定时器产生PWM脉冲信号，在定时器中ARR寄存器确定频率，CCRx寄存器确定占空比，BDTR寄存器决定死区时间，主控制器的时钟频率为72MHz，由预装载寄存器的值ARR、预分频系数PSC、捕获比较寄存器的值CCRx等参数可得出系统产生PWM脉冲信号的频率(FPWM)：6PWM7210(1)(1)FARRPSC(7)PWM波的占空比(dutycircle)为：dutycircleCCRx/ARR(8)Fig.5Resistancematchcircuit图5匹配阻抗电路L1L3C1C0LmRmCmFig.6Frequencytrackingcircuit图6频率跟踪电路C37R30P39U5GNDC38GNDUCC-5VAD736C36C31C33AD736174HC74R34GNDGNDU8R33U6BU7BP40GNDUCC+5VD3D4GNDUCC-5VUCC+5VC35UCC+5VUCC+5VUCC+5V2345678910111213235678R31C2910121113GND12345678U4C34
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于FPGA的宽频超声波电源频率跟踪系统设计[J]. 苏文虎,陈迅. 电子技术应用. 2017(03)
[2]超声电源频率自动跟踪的模糊控制算法研究[J]. 李夏林,刘雅娟,朱武. 应用声学. 2017 (02)
[3]超声波电源的复合频率跟踪策略研究[J]. 李长有,李帅涛,刘遵. 电子技术应用. 2016(10)
[4]压电超声换能器阻抗特性分析与匹配设计[J]. 王玉江,王志斌,宋雁鹏,解琨阳,赵同林. 压电与声光. 2016(04)
[5]基于可编程片上系统的宽频带超声波电源系统设计[J]. 屈百达,屈环宇,廖建庆. 声学技术. 2016(03)
[6]压电式脉冲超声波发生器激励电源的设计[J]. 姚俊,陈骥,张旭茹,赵晓明. 电子设计工程. 2015(24)
[7]大功率激光二极管驱动电源研制[J]. 李涛,胡和平,杨洪,黎明,甘孔银. 太赫兹科学与电子信息学报. 2015(03)
[8]基于FPGA与DDS技术的可调超声波驱动电源设计[J]. 张兴红,蔡伟,邱磊,陈鑫,何涛. 仪表技术与传感器. 2015(06)
[9]换能器驱动电路的设计及实验研究[J]. 于泽旭,宋锦春,王天骄,袁聪. 机械与电子. 2015(03)
[10]基于磁通控制可调电抗器的超声波换能器动态匹配策略[J]. 刘润华,王丙义,彭星. 电气应用. 2013(19)
本文编号：3620956
【文章来源】：太赫兹科学与电子信息学报. 2020,18(02)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
Fig.2Diagramoftheinvertercircuit图2逆变电路原理图T3UT4D5R4R5D5
非纯粹的电学量[11–12]。由于超声波换能器的整体负载呈现容性性质，一般在其等效阻抗前端串联一电感元件补偿容性阻抗，同时降低有功损耗和高次谐波的影响。但实际使用时，超声波换能器会在运行过程中由于温度、时间、损耗等不确定因素，造成超声波换能器的等效负载阻抗从谐振状态漂移为非谐振状态，减小T3FUC11C21C22D3LM317R1C7R6D2C28C9LM7812LM7805C13ICL7660C14C12D1U2U4+20VC10U5Fig.3Circuitofauxiliarypowersupply图3辅助电源电路220V24V123432inoutADJ13UinUoutGND2132UinUoutGND12345678BOOSTCAP+GNDCAP-U+OSCLVUoutPWM1GNDR33R31P2IGBTP31C37UCCR34+5VR43RGC38U5EXB841R38U6TLP521D5D7D9C35R35D3R37C36GNDC39R39UCC+5VQ4GNDU7SE555T&GNDFig.4Drivercircuit图4驱动电路12231915145342148627315SES55TR40
相位滞后于电流；若结果为低，则表明电压相位超前于电流。4系统软件设计STM32控制器可以通过自身定时器产生PWM脉冲信号，在定时器中ARR寄存器确定频率，CCRx寄存器确定占空比，BDTR寄存器决定死区时间，主控制器的时钟频率为72MHz，由预装载寄存器的值ARR、预分频系数PSC、捕获比较寄存器的值CCRx等参数可得出系统产生PWM脉冲信号的频率(FPWM)：6PWM7210(1)(1)FARRPSC(7)PWM波的占空比(dutycircle)为：dutycircleCCRx/ARR(8)Fig.5Resistancematchcircuit图5匹配阻抗电路L1L3C1C0LmRmCmFig.6Frequencytrackingcircuit图6频率跟踪电路C37R30P39U5GNDC38GNDUCC-5VAD736C36C31C33AD736174HC74R34GNDGNDU8R33U6BU7BP40GNDUCC+5VD3D4GNDUCC-5VUCC+5VC35UCC+5VUCC+5VUCC+5V2345678910111213235678R31C2910121113GND12345678U4C34
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于FPGA的宽频超声波电源频率跟踪系统设计[J]. 苏文虎,陈迅. 电子技术应用. 2017(03)
[2]超声电源频率自动跟踪的模糊控制算法研究[J]. 李夏林,刘雅娟,朱武. 应用声学. 2017 (02)
[3]超声波电源的复合频率跟踪策略研究[J]. 李长有,李帅涛,刘遵. 电子技术应用. 2016(10)
[4]压电超声换能器阻抗特性分析与匹配设计[J]. 王玉江,王志斌,宋雁鹏,解琨阳,赵同林. 压电与声光. 2016(04)
[5]基于可编程片上系统的宽频带超声波电源系统设计[J]. 屈百达,屈环宇,廖建庆. 声学技术. 2016(03)
[6]压电式脉冲超声波发生器激励电源的设计[J]. 姚俊,陈骥,张旭茹,赵晓明. 电子设计工程. 2015(24)
[7]大功率激光二极管驱动电源研制[J]. 李涛,胡和平,杨洪,黎明,甘孔银. 太赫兹科学与电子信息学报. 2015(03)
[8]基于FPGA与DDS技术的可调超声波驱动电源设计[J]. 张兴红,蔡伟,邱磊,陈鑫,何涛. 仪表技术与传感器. 2015(06)
[9]换能器驱动电路的设计及实验研究[J]. 于泽旭,宋锦春,王天骄,袁聪. 机械与电子. 2015(03)
[10]基于磁通控制可调电抗器的超声波换能器动态匹配策略[J]. 刘润华,王丙义,彭星. 电气应用. 2013(19)
本文编号：3620956
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