研制智能大功率超声波清洗电源的要求及技术要素

1.超声波电源的组成及原理框图
    超声波电源主要由主电路和控制电路两部分组成，其结构示意图如图1所示。主电路采用交直交结构，单相交流电经过整流和滤波，形成直流电，经全桥逆变器实现直流电压转变为频率与换能器谐振频率一致的交变电压，逆变输出交变电流，再通过匹配网络，送至负载换能器。控制电路主要为逆变主电路提供开关脉冲信号，驱动逆变主电路工作，并借助反馈回路和给定电路来实现对逆变器的闭环控制。

2.超声波电源电路设计
    3.1 PWM信号发生器
    PWM信号发生器原理图如图2所示，它采用单片机与模拟电路相结合的方式产生PWM信号。首先通过Rt设定压控振荡器的输出频率，并将该输出送入单片机作为定时/计数器1（T/C1）的时钟源。将单片机的T/C1置于相位和频率可调PWM工作模式，此时，计数器的上限值决定PWM的频率，而比较匹配寄存器的值决定了占空比的大小。PWM频率的计算公式为：
    PWM频率=压控振荡器输出频率/（1+计数器上限值）   

 该信号发生器在扫频控制，保护信号的处理以及自动频率跟踪等方面具有很大的优势，采用模拟电路与单片机控制相结合的方法，提高了扫描信号的频率精度，同时实现了对扫频信号频率和幅度的数字化控制。在保护信号的处理方面，当外部电路出现异常时，可以用保护信号OV_I快速关断与门，停止PWM信号的输出，同时通过指示灯给出相应的报警信号。另外，单片机通过检测反馈回来的换能器两端电压信号和电流信号的相位差，可以实时调整PWM信号的输出频率，实现频率自动跟踪。 

 鉴于超声波清洗机效果好、效率高、成本低等优点，超声波清洗机被广泛应用于电子、机械、钟表、光学、医疗、化纤、电镀等行业[1]。在超声波清洗设备中，超声波电源是其重要组成部分之一。现有的超声波电源大多数采用专用集成控制芯片（如SG3525、TL494） 或单片机产生PWM 脉冲信号, 经功率放大、阻抗和调谐匹配后, 推动换能器将电信号转换为机械振动, 产生超声波。这两种电源都存在着各自的局限性，前一种控制方法动态响应慢，参数调整不方便且温度漂移严重[2]，而采用单片机直接产生PWM信号，虽然能够得到高精度和高稳定度的控制特性，实现灵活多样的控制功能，但是由于受其工作频率的限制，输出的PWM信号频率分辨率较低，难以满足频率的微调。针对以上超声波电源存在的诸多问题，本文基于PWM技术，应用单片机结合模拟集成电路组成智能控制系统，研制了一种性能稳定、控制调整简便且成本低的数字化超声波电源。