一种小功率低成本超声波电源的设计

肖 舫 丁慎平 张 娜 燕姗姗

(苏州工业园区职业技术学院机电工程系，江苏 苏州 215123)

一种小功率低成本超声波电源的设计

肖 舫 丁慎平 张 娜 燕姗姗

(苏州工业园区职业技术学院机电工程系，江苏 苏州 215123)

在对超声波清洗机进行分析的基础上，针对以前超声波电源的缺点，提出以AT89C51单片机控制的低成本小功率超声波电源设计方案，并对系统的硬件设计进行介绍。实验结果表明，本电源具有工作稳定、谐振良好和可靠性高的特点，在清洗过程中取得了预期的效果，对小功率超声波清洗机的成本降低及进一步深入研究具有重要的参考价值。

超声波电源；单片机；设计

0 引言

超声技术按其应用大体可分为两类：功率超声和检测超声。功率超声作为超声学的一个重要分支，已经广泛应用于超声清洗、超声焊接、超声加工、超声马达等领域。在除油、防锈、磷化等清洗过程中，超声清洗只需两三分钟即可完成，其速度比传统清洗方法提高了几十倍，且清洁度很高[1-2]。

超声清洗主要利用在声场作用下存在于液体中的微气泡会产生高频振动的超声空化作用。凡是液体能浸到且声场存在的地方都可应用超声清洗，其尤其适用于表面形状复杂的零件。采用这一技术后，可减少化学溶剂的用量，从而大大减少环境污染。超声波清洗机是目前在清洗领域性价比最高的设备[3]。超声波电源作为超声波清洗机的核心单元，是一种用于产生并向超声波换能器提供超声能量，使之工作于谐振频率的装置。

超声波发生器产生高频高压，通过电缆传输给换能器，换能器与振动板产生高频共振，从而使超声波清洗机清洗槽中的介质受超声波作用对污垢进行洗净。采用单片机控制开发超声波电源，能够实现超声波清洗机的通用化、低成本，并加快开发速度。

1 超声波电源设计方案

超声波电源包括超声波主电路(超声波发生电路)、超声波辅助电路、单片机控制的超声波控制电路。超声波电源的作用是将电网工频50 Hz的交流电转变成上万赫兹超声频率的振荡电流，并通过匹配网络传递给换能器。超声振动系统将它的交流电能转变成同频的超声振动机械能，经过换能器放大传递给清洗槽负载做功。现有的超声波电源大多采用逆变型功率放大电路，它一般由交流电输入、AC/DC整流电路、DC/AC逆变电路、匹配电路、高频变压器、控制保护电路及换能器等组成。

采用AT89C51单片机的超声波电源组成如图1所示。由图1可知，超声波电源工作时，工频交流电经AC/DC变成平滑的直流电，再经DC/AC逆变成交流电，并通过高频功率变压器对电压进行升压和电气隔离，经过匹配电路将高频交流电压信号输出至换能器，激励换能器谐振，产生超声波振动。

图1 超声波电源的组成

为了保证超声波电源工作的可靠性，需对主电路的功率器件做一些硬件保护。同时，MCU(主控制器)还可以实时检测故障信号，对主电路进行软件保护，以实现系统免维护的性能。

2 超声波电源硬件设计

超声波电源主电路图如图2所示。

图2 超声波电源主电路图

从图2可以看出，220 V、50 Hz的交流电经过整流桥，通过电容C1、C2的滤波，得到较为平滑的直流电，该电压加在VT1和VT2组成的逆变电路上，高频脉冲电压为半桥电路的输出。调谐匹配电感L1和高频变压器T1组成匹配网络，经过匹配网络的调谐以及阻抗变换之后，输出给换能器。本系统MOSFET管VT1和VT2型号为J13009-2，UN=500 V，IN=20 A；整流桥由4个IN4007二极管组成。

2.1 逆变单元

逆变单元是超声波电源功率主电路的核心单元，担负着输出高频脉冲电压的任务。高频交流电的产生和频率输出调整都是通过逆变器来完成的。常用的逆变器主电路有单相半桥逆变电路、单相全桥逆变电路。

本文设计的超声波电源输出功率为300 W、40 kHz，属于小功率。由于全桥逆变电路使用的开关元器件较多，驱动电路较为复杂，相对半桥电路而言，其系统的可靠性较低。半桥式逆变电路具有开关器件少、抗电压不平衡力强等优点，综合比较后选用单相半桥逆变电路，如图3所示。

图3 单相半桥逆变电路图

图中，电容C1和C2上的电压相等，而且等于输入电源电压Ud的1/2。当VT1导通时，电容C1两端电压便通过VT1加载到T1原边绕组的两端。此时，电容C1两端电压和变压器T1原边绕组两端电压相等，都等于Ud/2，变压器输出为正。当VT1截止、VT2导通时，电容C2两端电压通过VT2加载到T1原边绕组的两端，使原边绕组两端电压值等于-Ud/2，且极性反向。因此，VT1、VT2轮流截止和导通时，在高频变压器原边绕组两端产生的交流电压幅值为Ud/2。半桥逆变电路中高频变压器原边绕组上的电压与电容C1、C2两端的电压相等，当C1或C2向变压器原边放电时，如果VT1和VT2的开关频率不高，C1或C2放电时间较长的情况下，电容两端电压会逐渐降低，从而使电压的输出端曲线顶部呈倾斜状脉冲。同时，该电路输出的交流电压幅值为Ud/2，对电能的利用率高。因此，此种逆变电路适用于功率需求不大且输出电压频率较高的场合。

2.2 功率控制电路

不同的清洗负载需要不同的超声功率，因此要对超声波电源的输出功率进行调节。调节可分为无级调功和有级调功两种。当超声波电源的输出功率不需要连续可调时，为了简化设计，可以采用有级调节功率的方式对电源的输出功率进行调节。

实验中所使用的为1 000 V耐压换能器。压电陶瓷谐振时，只要改变其两端的电压幅值即可调节电源输出功率。在主电路逆变单元的输出环节中，串联一个较高变比的高频变压器，用来升压和隔离换能器两端电压。为了减小主电路设计难度、提高系统可靠性，超声波电源的功率输出采用有级调节的方式，为200 V、300 V两档可调。为了得到这两档的电压信号，可以通过整流变压器或高频变压器来实现调压。直接通过开关器件选择高频变压器二次边不同匝数线圈抽头，得到不同的提供给负载的电压幅值，来达到调节功率的目的。

2.3 整流滤波稳压电路

本文采用Multisim10.0软件设计电路，并对设计的电路进行仿真。整流滤波稳压电路如图4所示。

图4 整流滤波稳压电路图

图4中，T1为互感器，作用是过滤掉超声波回路中的杂波，同时防止电网被污染。T2为变压器，作用是变压，将220 V转化成较低的交流电压。电压通过整流桥整成带有脉动的直流电，通过C5的滤波、7805芯片的稳压，变成平稳的5 V直流电，为超声波控制电路供电。

2.4 驱动电路

驱动电路的形式有直接驱动、脉冲变压器隔离驱动、光偶隔离驱动3种。本文采用光偶驱动，如图5所示。

图5 光偶驱动电路图

驱动电路向MOSFET栅极提供所需要的栅荷，以保证器件的开关性能、主电路与控制电路的隔离。光偶隔离最典型的应用是对光偶芯片进行隔离，具有体积小、结构简单的优点。本文选用MOC223型光偶芯片实现控制电路与功率主电路的隔离。MOC223是输入阻抗高线性光偶芯片，驱动功率小，开关速度大，适合做一些连续变化的数据的隔离与传输，适合应用于小功率超声波电源。

2.5 控制电路

单片机控制电路的主要功能是控制温度、超声波电源工作时间，启动与停止加热驱动电路，复位控制以及其他保护电路控制。主控制器采用AT89C51单片机。按键电路由4个按键组成，分别完成对温度、超声波电源启动时间和复位的设置。

3 实验

根据本超声波电源的参数要求，设计清洗机控制界面。控制界面由4组LED高清数码管组成，分别显示设置温度、实际温度、超声波清洗时间(s)、超声波清洗时间(s)。其中，两组上下箭头表示温度的增减(每次增减1 ℃)和超声工作时间的增减(每次增减5 min)。

温度最高设置为80 ℃，由温度传感器控制。当温度传感器测得实际温度小于设定温度时，加热膜不工作；反之，加热膜开始加热，直到达到设定温度为止。超声控制时间设置：按键每按一次时间加5 min，最大时间设定为30 min。可以在工作的过程中实现时间的调节，即时间的增加或减少。

在超声波电源的焊接以及调试实验中，需要用到的设备有LCR数字电桥、数字示波器、功率计、恒温电烙铁。实验平台包括清洗槽、振子、加热膜、超声波电源、超声波电源控制器。焊接后的电路板用示波器、功率计、电桥等设备进行测试。研制的超声波电源用示波器测试波形输出情况，如图6、图7所示。示波器表笔选择100×1档，采样电阻采用0.1 Ω，将采样电阻串联，示波器探头夹在其两端，测量出来的超声波波形频率为38.7 kHz，基本满足40 kHz的设计要求。

图6 实验波形1

图7 实验波形2

图6结果显示仍有杂波，瞬时频率很高，达150 kHz，电路中的电感元件、电容元件仍有干扰存在，有待在今后的工作中继续改进。以超声波电源为主体的超声波清洗机作为实验装置，以眼镜为实验对象进行清洗，清洗前后眼镜外观有了明显的改观。超声波清洗机清洗眼镜温度设定在40 ℃，实验水槽5 L，添加2 mL医用多酶强效清洗液。清洗实验前，可以清晰地看到眼镜有较多的油污、汗渍、灰尘，如图8所示。将眼镜放入超声波清洗机清洗槽中，设置条件为：清洗时间5 min，清洗温度36.3 ℃，清洗槽容量5 L，清洗液(水)3 L，加热膜功率200 W。清洗过程中不对清洗物体——眼镜进行任何操作。

图9为眼镜清洗完毕后未经擦拭图。清洗5 min后，用镊子将眼镜取出。镜片有部分水珠附着在上面。镜片及镜架上原有的油污、汗渍、灰尘已经被洗掉，镜架螺丝连接处的油污去除干净。用镜片擦拭纸对眼镜进行擦拭后进行眼镜清洗前后对比，结果为：眼镜的清晰度大大增加，镜片及镜架的油污等杂质明显去除，效果分明。超声波电源发热测量最高温度为51 ℃，属于可控范围。

图8 清洗实验前的眼镜

图9 清洗实验后的眼镜

4 结语

本文提出了基于单片机控制的超声波电源设计方案，成本低，市场竞争力强。实验表明，本电源低谐波，清洗效果好，发热量在可控范围内，延长了电源的整体寿命。此设计方法可以为超声波技术的后续研究与产品化提供借鉴。

[1]孟令东.装甲装备器材自动化保养设备集成设计与工艺性能试验研究[D].北京：装甲兵工程学院，2006

[2]黄凯.基于神经网络的动态匹配超声波铸造电源的研究[D].长沙：中南大学，2011

[3]齐延兴，杨雪银.基于SPACE061A单片机的超声波清洗机设计[J].中国测试，2009(4)

2014-05-26

肖舫(1965—)，男，江苏苏州人，高级工程师，研究方向：电子技术应用。