基于DSP的超声波电源硬件电路设计*

赫亮 刘晓光 蒋晓明 王攀

（广东省自动化研究所 广东省现代控制技术重点实验室 广东省现代控制与光机电技术公共实验室）

基于DSP的超声波电源硬件电路设计*

赫亮 刘晓光 蒋晓明 王攀

（广东省自动化研究所 广东省现代控制技术重点实验室 广东省现代控制与光机电技术公共实验室）

针对传统模拟超声波电源存在功率损耗大、通用性差、控制不灵活等问题，提出基于DSP的数字化超声波电源设计，介绍超声波电源硬件电路的总体方案、主电路及控制电路设计。通过试验验证了所设计的超声波电源频率自动跟踪效果良好。

DSP；IGBT逆变；频率跟踪

0 引言

超声波电源是把电能转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号设备。传统模拟控制的超声波电源实现需要设计大量复杂的控制电路，电路元件易老化、温漂严重、参数调整不方便，且在动态响应和控制精度等方面不够理想，存在功率损耗大、通用性差和控制不灵活等问题[1]。数字化控制主要通过对DSP进行软件编程并辅以少量的外围电路，即可实现超声波电源的主要控制功能，大大节约成本，提高设备使用的灵活性。随着微电子技术、计算机技术、自动控制理论和电力电子技术的发展，超声波电源正朝着大功率、高频化、低功耗、高功率因数、智能化、复合化的方向发展。

本文提出基于DSP的数字化超声波电源，其基于TMS320F28335型数字信号处理器的大功率、高频超声波电源，通过功率采样电路、频率采样电路及反馈电路等电路设计，实现超声波电源的功率可调、频率自动跟踪等功能。

1 基于DSP的数字化超声波电源

数字化超声波电源由主电路、控制电路、IGBT驱动电路3部分组成。主电路主要包括：输入整流器、软启动电路、滤波器、IGBT逆变器、高频变压器及其匹配电路。控制电路采用TMS320F28335作为核心控制器，充分利用该处理器的IO、ADC、EPWM、捕捉、中断等内部资源，并辅以外围的电流、电压检测电路、光耦隔离、继电驱动等电路。IGBT驱动电路采用大功率TX-DA962D4驱动板。基于DSP的数字化超声波电源框图如图1所示。

图1 基于DSP的数字化超声波电源框图

电源上电后，输入整流器将50 Hz单相工频交流电转变为直流电；为避免上电瞬间浪涌电流过大，对滤波器中的大电容器组和IGBT造成冲击，DSP控制直流接触器的通断实现主电路的软启动；将直流电滤波得到更为平滑的直流电；DSP的PWM信号驱动主电路中IGBT的开通及关断，将平滑的直流电逆变为高频交流方波电流；高频交流方波通过高频变压器及其匹配网络的谐振变换，输出高频正弦交流电作用于换能器，换能器将电能转换为超声机械振动输出。同时，通过电压检测电路和电流检测电路分别采集匹配网络中的电压信号和电流信号，并将采集的电压与电流信号一路通过乘法器送入功率调节电路，实现超声波电源的功率调节功能；另一路用于信号调理，实现超声波电源的频率自动跟踪功能。

2 主电路拓扑结构设计

基于DSP的数字化超声波电源主电路原理图如图2所示。

图2 基于DSP的数字化超声波电源主电路原理图

2.1 逆变电路拓扑结构的选择

超声波电源中常用的逆变拓扑结构有全桥式、半桥式和推挽式3种[2]。本文采用全桥式逆变拓扑结构。

输入交流电通过整流桥BR1和RC电路整流滤波变为直流电；再由IGBT构成的全桥逆变器变换为高频方波交流电。当驱动电路使TR1、TR4导通，TR2、TR3关断时，输出变压器T1的次级会形成一个正半周的电压波形；同理，当驱动电路使TR2、TR3导通，TR1、TR4关断时，形成一个负半周的电压波形，因此，通过驱动电路的有效控制，实现了从直流到交流的逆变过程。其中Cs1、D1、R9和Cs2、D2、R10为IGBT的缓冲吸收电路；Cs3和Cs4为突波吸收电容；Cg为隔直电容。

2.2 匹配电路设计

本文匹配电路是指将超声波发生器输出的电能送到换能器的通道。匹配电路的结构相对简单，却有非常重要的作用。匹配电路的好坏直接决定着能量的传输效率、能量的损耗程度以及设备的安全性等。超声波发生器与换能器之间的匹配包括阻抗匹配和调谐匹配[3]。从变压器的次级输出端可以测得本系统主要呈现电感性，而作为负载的压电换能器通常呈现电容性。要使超声波电源及换能器系统具有最大的输出功率及效率，应尽可能使负载呈现电阻性的工作状态。通过反复试验和比较，本文采用并联谐振的匹配电路，即在高频变压器的输出端并联一定容量电容器组（见图2中C10），从而使变压器、匹配电容以及换能器形成接近于电阻性工作负载。

3 基于DSP的控制电路设计

3.1 超声波电源控制系统

基于DSP的超声波电源控制系统主要由TMS320F28335信号处理器、电流采样、电压采样、功率运算、频率相位捕捉、供电电路、复位电路、晶振电路、保护电路等组成，其框图如图3所示。

图3 基于DSP的超声波电源控制系统框图

3.2 采样电路设计

采样电路包括功率采样和电流、电压相位差采样。在不影响主电路输出的前提下，准确采集换能器的电流、电压信号和相位信号，是实现电源恒功率调节和频率自动跟踪的前提，也是保证超声波电源系统稳定工作的关键。本文通过分压电路获取电压信号U-Samp，采用电流互感器获取电流信号I-Samp，并通过运放电路、电压比较器、AD633、光耦以及阻容元件控制等，实现超声波电源的功率采样以及相位差捕捉，相位差捕捉电路如图4所示。DSP的CAP2和CAP1口分别捕捉到电流和电压的相位后，通过软件计算电流电压的相位之差，并根据相位差调整IGBT的开关频率，达到锁相及频率自动跟踪的目的。

采样的另一重要目的是对采集的电流、电压信号进行相乘获取相应的功率信号。DSP根据功率信号的变化，进行PI调节，控制全桥逆变的移相角，从而控制电源的输出功率。功率采样电路如图5所示，AD633JN为一乘法器，对电流、电压采样信号I-Samp和U-Samp进行乘法运算，得到对应的功率信号，再经过后续调理、跟随以及分压等电路，变换为能够被DSP采集的信号，通过DSP的ADCIN0口进行AD采集和转换。

图4 相位差捕捉电路

图5 功率采样电路

4 实验及分析

利用本文设计的基于DSP的数字化超声波电源，配合超声波焊接机头和数字示波器，搭建了如图6所示的实验平台。图7为设定振幅为50%时超声波电源输出的电流和电压波形，其中曲线（1）为电流波形，曲线（2）为电压波形；为了更清楚地看到电压与电流的相位差，将波形放大一倍，其中曲线（3）为放大后的电流波形，曲线（4）为放大后的电压波形。由波形图可以看到，电流和电压波形都是约为20 kHz的近似正弦的交流波形，且电流电压的相位差值接近于0，实现了良好的匹配和频率跟踪效果。

图6 基于DSP的数字化超声波电源的实验平台

图7 超声波电源输出电流电压波形

5 结论

通过上述设计及实验分析表明，所提出的超声波电源总体方案及控制系统方案设计合理，采样电路能有效保证电源输出电流、电压及功率的采样精度，同时也保证了电流、电压相位差准确检测，电源工作稳定，频率跟踪效果好。

[1] 陈道炼.DC-AC 逆变技术及其应用[M].北京：机械工业出版社,2003:20-159.

[2] 张铁民.超声电机的驱动控制[J].现代制造工程,2001,6(11): 51-51.

[3] 曾东红.数字化超声波电源系统的研究与设计[D].长沙:湖南师范大学,2011:18-20.

Hardware Design of Ultrasonic Power Based on DSP

He Liang Liu Xiaoguang Jiang Xiaoming Wang Pan
(Guangdong Institute of Automation Guangdong Key Laboratory of Modern Control Technology Guangdong open Laboratory of Modern Control & O-M-E Technology)

The design of digital ultrasonic power based on DSP is proposed for the shortcomings of traditional analog ultrasonic power, such as large power loss, poor versatility and non-flexible control. The hardware design is introduced for the overall program, the main circuit and the control circuit of the digital ultrasonic power. Through the relevant experiment, it is verified that the ultrasonic power designed has good automatic frequency tracking performance.

DSP; IGBT Invert; Frequency Tracking

赫亮，女，1985年生，硕士研究生，研究方向：电力电子技术、数控技术，E-mail: heliangheben@126.com

24 *基金项目：广东省科技计划项目（2012B091100262）