低频超声二次雾化喷头智能驱动电路开发

　　0 引言

　　低频超声雾化利用超声换能器将液体雾化，其工作频率为20～80kHz。针对低频雾化不能调节雾滴大小以及难以形成超细雾滴(粒径≤3μm)的两个技术瓶颈，提出了基于聚焦式超声悬浮的低频超声二次雾化[1]。其原理为: 在聚焦式超声悬浮声场中，雾滴在超声雾化面经过第一次雾化后，与悬浮金属钢球发生碰撞，产生二次雾化，再由超声雾化面与金属钢球之间的间隙挤出，因此雾滴更细小均匀。由于二次雾化中金属钢球的运动变化较快，其加速度与时间的关系在LS-DYNA中的仿真图形[2]如图1所示。这表明，喷头振动所产生的声场是非常不稳定的，其负载也复杂多变。

　　传统的换能器由于频率固定、压电换能器发热及老化等原因，存在工作效率低与稳定性差等缺点，针对这些不足，本文开展了基于低频超声2次雾化喷头智能驱动电路研究。

　　1 智能驱动电路的设计

　　本文设计的智能驱动电路[3]的系统框架如图2所示。其包括PWM发生模块、逆变电路、高频变压器、匹配电路和频率跟踪等。

　　1.1 数字PWM系统

　　本文设计的数字PWM系统采用的是友善之臂ARM9 MINI2440[4]，其采用Samsung S3C2440微处理器。S3C2440共有5个定时器，其中0，1，2，3有PWM功能，可以通过定时器来控制引脚周期性的高低电平变化; 本电路使用定时器0和1。PWM发生过程: 定时部件的时钟源为PCLK，首先通过两个8位预分频器降低频率，设定TCMPB0与TCNTB0两个寄存器来表示定时器n的比较值和初始计数值; 启动定时器0，通过设置TCON，TCMPB0与TCNTB0的值装入TCMP0和TCNT0中; 在定时器0的工作频率下，TCNT0开始减1计数; 当TCNT0的值等于TCMP0的值时，定时器0的输出管脚TOUT1反转; TCNT1继续减1计数; 当TCNT0的值到达0时，其输出管脚TOUT0再次反转，并触发定时器0的中断; 定时器0的输出管脚TOUT0初始状态为高电平，当TCNT0的值等于TCMP0的值、TCNT0的值等于0时，都会发生反转; 通过设置TC-MPB0与TCNTB0的值，可以设置管脚TOUT输出信号的占空比。

　　1.2 逆变主回路及驱动

　　超声波驱动电路的主电路是能量传递和变换的部分，是超声波驱动的功率系统。本设计采用了半桥逆变做为主回路电路[5]，如图3所示。

　　输入工频220V，经降压变压器T1降压并通过全桥整流桥D1整流滤波后，得到直流电压U。两只分压电容容量相等(C3=C4) 。当Q1导通时，电容C3将通过Q1和变压器原边放电，同时电源通过Q1和变压器T2放电，为电容C3充电，变压器原边的电压为U/2; 当Q2导通时，Q1截止，电容C3被充电，C4被放电，变压器原边的电压为-U/2。由于ARM9中发出的PWM信号电流小，驱动能力弱，不能够直接驱动开关管Q1和Q2，因此采用IR2103[7]半桥驱动芯片来驱动开关管，一个周期内变压器初级形成了幅值为U/2的交流电压。通过调节导通开关时间的占空比，就能改变变压器2次侧整流输出平均电压V0，从而达到输出功率可调的目的。