1200W 功率可調(diào)超聲波電源發(fā)生器系統(tǒng)分為驅(qū)動電源和負載兩部分,其作用是將電能轉(zhuǎn)換成與負載相匹配的高頻交流電信號。負載通常為超聲波換能器,由單晶材料構(gòu)成,內(nèi)部參數(shù)易受多種因素影響而發(fā)生改變,從而導(dǎo)致系統(tǒng)工作在非諧振狀態(tài),造成系統(tǒng)損耗增加及輸出功率不穩(wěn)定。本文圍繞以上問題,設(shè)計了一款工作穩(wěn)定、效率高,且能夠?qū)崿F(xiàn)頻率自動跟蹤、輸出功率可調(diào)的超聲波電源。

首先,對1200W 功率可調(diào)超聲波電源發(fā)生器主電路進行研究。設(shè)計了由單相橋式整流濾波電路、BUCK斬波電路、單相全橋逆變電路、負載匹配網(wǎng)絡(luò)電路構(gòu)成的主電路拓撲結(jié)構(gòu),并對主電路元器件進行參數(shù)計算與選型。在頻率匹配方面,選擇串聯(lián)諧振頻率作為換能器的工作頻率方式,在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種改進型數(shù)字電感匹配網(wǎng)絡(luò)電路。在阻抗匹配方面,利用高頻變壓器實現(xiàn)阻抗變換,并對變壓器結(jié)構(gòu)參數(shù)進行詳細設(shè)計。

其次,對1200W 功率可調(diào)超聲波電源發(fā)生器算法進行研究。在頻率自動跟蹤技術(shù)方面,提出了一種基于模糊-PI-DDS技術(shù)的諧振頻率自動識別算法,解決了傳統(tǒng)超聲波電源存在頻率漂移、跟蹤響應(yīng)慢的問題。在相位差檢測技術(shù)方面,選擇過零比較法作為相位差檢測方法,以提高檢測精度。在功率控制技術(shù)方面,采用二階滑模變結(jié)構(gòu)算法自動控制BUCK驅(qū)動信號的占空比,以實現(xiàn)功率穩(wěn)定調(diào)節(jié)。利用Matlab-Simulink搭建仿真模型,分別對上述算法的有效性及優(yōu)越性進行驗證。再次,對超聲波電源控制系統(tǒng)的軟硬件進行設(shè)計。在硬件方面,選擇的主控芯片型號為STM32F103RCT6,分別對芯片外圍電路、采樣電路、鑒相電路、驅(qū)動電路、DDS信號發(fā)生電路、保護電路進行設(shè)計。在軟件方面,本文采用C語言作為控制系統(tǒng)的開發(fā)語言,分別對主程序及各功能子程序進行設(shè)計。最后,對所設(shè)計的超聲波電源實物進行測試,以驗證超聲波電源的整體功能及相關(guān)控制算法的穩(wěn)定性。