CHSD-1型超声波换能器电源的设计与实现

　　0 引言

　　近年来随着科学技术的不断发展,超声技术广泛地应用在军事、航海、工业生产、家用电器等行业。我国目前所用的超声波装置主要采用压电陶瓷做超声波换能头,其输出功率受到限制(仅几百瓦左右),自甘肃某稀土功能材料有限公司研发成功具有磁致伸缩效应的稀土功能材料后,为生产大功率超声波装置提供了性能良好的换能器材料,而研发高效率、性能优良的超声波换能器电源成为当务之急。该文基于PWM技术,应用单片机组成智能控制系统,对高性能、大功率超声波换能器电源进行了设计与实现。

　　1 系统硬件电路构成

　　系统采用Intel80C196MC单片机作为控制核心,主要考虑其输出信号将控制逆变器,而Intel80-C196MC是一种专门为控制逆变器设计的单片机。其内部有一个称为WG的PWM驱动信号发生器,占用CPU时间非常短,可由P6口直接输出4路SP-WM信号用于IPM的驱动。系统包含交-直-交主电路、基极驱动电路、单片机控制系统、电压、电流显示以及保护等主要环节。系统硬件电路构成如图1所示。

　　1.1 交-直-交主电路

　　主电路整流器采用单相半控桥式整流模块,由市电220V直接供电,以实现大功率超声波换能器电源的电压调节。逆变器则使用三菱公司专门设计的PM59RSA120智能功率模块,其内部的4只IGBT可用作4个逆变桥臂。IPM内部集成有各路IGBT的驱动电路及异常情况检测电路,如过压、过流、过温等。当检测信号之一不正常时,其F0输出端变为低电平,送至80C196MC的EXTINT端,发出相应故障信号。

　　1.2 单片机控制系统

　　系统由Intel80C196MC、EPROM2764构成最小微机系统,完成超声波频率给定,载频频率设定,模拟输出单极性正弦波恒幅脉宽调制信号SPWM,可实现电压、频率、电流显示以及过压、过流、过温保护控制。

　　1.3 SPWM信号的形成

　　脉宽调制逆变器简称PWM。其基本原理是控制逆变器开关元件的导通和关断时间比来控制交流电压的大小和频率。系统采用单极性正弦波恒幅脉宽调制方法(SPWM)。调制原理见图2。在单极性调制时,UC与UR始终保持同极性的关系,即正弦波处于正半周时,载频信号在正值范围内变化,产生正的调制脉冲列。而正弦波处于负半周时,载频信号通过倒相电路变成负值范围内变化,产生负的调制脉冲列。根据在正弦波半周内载频信号的频率,可以确定产生调制脉冲的数目,这样也同时决定了控制各功率开关管的通断次数。

　　SPWM产生的调制波是一系列等幅、等距而不等宽的脉冲列。其调制的基本特点是在半个周期内,中间位置的脉冲宽,两边的脉冲窄,各个脉冲之间等距,而脉宽和正弦曲线下的积分面积成正比,脉宽基本上成正弦分布。经倒相后正半周输出正脉冲列,负半周输出负脉冲列。在单片机控制时,可在EPROM中存入正弦函数的周期值、载频信号的周期值以及与对应的正弦曲线下的积分面积成正比的各脉宽值,然后通过查表和加减移位运算,将正弦函数的周期值、采样周期内的时间间隔Toff与脉宽Tpm的值一并送入定时器,利用定时中断接口电路送出相应的高低电平,实时产生SPWM波形的一系列脉冲。