频率自动跟踪超声清洗装置设计

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资源描述
频率自动跟踪超声清洗装置设计 摘要:为保障超声波换能器工作在谐振状态,设计了一款以ATMEGA328单片机为核心,结合模拟电路,带有频率自动跟踪功能的超声清洗装置,包含主电路和控制电路。主电路的作用是将市电转换为超声频电能供给换能器,控制电路的作用是根据键入频率值为IGBT器件提供开关信号,再将鉴相结果反馈回单片机用于调整输出频率,保障清洗装置工作于最佳谐振状态。此外,清洗装置的运行状态和工作参数由液晶屏实时显示。通过仿真证明,该款清洗装置具有易调节、精度高、动态响应快等优点,适用于机械、化学、医疗、电子等常用器件的清洗、除垢。关键词:超声波发生器;逆变电路;频率跟踪;交流斩波超声清洗技术适用于表面形状复杂,且质量要求高的器件的清洗、除垢,如机械、电子、光学等领域1-2。超声清洗装置作为该技术的核心,为换能器提供超声频电能,通过机械振动、空化效应;、剪切效应;,完成清洗3-4。但在实际应用中,换能器存在发热、损耗和老化等问题,导致谐振频率漂移,甚至换能器损坏,因此,需要超声清洗装置的输出频率与换能器实际工作频率保持一致;此外,传统超声清洗装置在功率调节方面,多采用变压器调压、移相调压、直流斩波调压等方法,大多存在不易设计、功率因数不高等问题,导致电源工作效率降低。综上分析,本文设计了一款带有频率自动跟踪、智能调节,以及输出功率数字控制的超声清洗装置,保障电源系统处于最佳工作状态。1超声清洗装置设计超声清洗装置系统结构框图如图1所示,包括主电路和控制电路。1.1主电路设计主电路采用AC-AC-DC-AC结构,包括交流斩波调压电路、整流滤波电路、逆变电路、匹配电路、驱动电路等,主要功能是将市电转换为超声频电能供给换能器。图2为交流斩波电路,采用软硬件结合方式,将斩波控制信号作用到IGBT器件,控制通、断,将连续的正弦电压斩成离散的片断,实现调压、调功的功能。1.2控制电路控制电路以ATMEGA328为核心,包括超声波发生电路和频率自动跟踪电路(见图3),其中频率自动电路又细分为电流采样及过零比较电路、鉴相反馈电路等,主要功能是为逆变电路和交流斩波调压电路提供IGBT栅极脉冲信号,并根据鉴相反馈信号调整信号频率。超声波发生电路由高性能单片机芯片ATMEGA328、4*3键盘和LCD液晶模块构成。ATMEGA328具有6路PWM输出,3个定时/计数器。本文中定时/计数器1(T/C1)的时钟源为压控振荡器(VCO)的输出信号,定时/计数器2(T/C2)的时钟源为单片机系统外接的16MHz晶振。通过查询ATMEGA328芯片资料5,进行如下配置:(1)T/C1设置成相位频率修正PWM模式,其中,TCCR1A=0XB0,TCCR1B=0X17,此时ICR1为计数TOP值,TCNT1为计数初值,占空比为50%,即全桥逆变驱动信号2060kHz范围内连续调节;(2)T/C2设置成CTC模式,TCCR2A=0X52,和TCCR2B=0X00,此时OCR2A为计数TOP值,占空比为50%,即交流斩波控制信号。电流采样及过零比较电路采用基于霍尔效应的ACS712芯片,通过IP+/-引脚对换能器电流进行采样,再由过零比较电路变为方波,即获得采样电流方波信号。鉴相反馈电路以集成芯片74HCT4046为核心,保障ATMEGA328输出信号频率与换能器实际工作频率保持一致6。该电路将采样电流方波信号和全桥逆变驱动信号分别接74HCT4046的14和3脚,并由13脚输出鉴相电压信号。在未发生谐振时,电路工作过程如下:(1)若14脚信号频率低于3脚时,13脚输出低电平,反之输出高电平;(2)若两引脚信号同频时,当14脚相位超前3脚,13脚输出正脉冲,反之输出负脉冲,脉冲宽度与两输入信号上升沿间相位差呈正比;(3)若两输入信号同频同相时,输出为高阻;(4)由13脚输出的鉴相电压信号经低通滤波后,输入到9脚,即芯片内部VCO;(5)由4脚输出VCO信号,并作为ATMEGA328的T/C1外接时钟源。综上分析,全桥逆变驱动信号经鉴相反馈电路后,逐渐逼近换能器实际谐振频率,实现频率的自动跟踪和智能调节。图3中,C8、R7、R8和D2构成他激启振电路,解决无法自动进入预定启动的问题。2软件设计及电路仿真2.1软件设计超声清洗装置软件设计程序流程如图4所示,由ARDUINO软件进行编译,主程序功能包括判断和调用子程序;子程序功能包括交流斩波控制信号的调节、全桥逆变驱动信号的调节及频率跟踪调节。2.2电路仿真利用PROTEUS7和SIMULINK8两款软件对图5所示的超声清洗装置电路进行仿真。PROTEUS主要仿真控制电路,结合ARDUINO编译的HEX文件联合仿真,图6为频率跟踪仿真结果,其中右面波形为采样电流方波信号,左面波形为全桥逆变驱动信号,可见换能器两端电压和流过电流逐渐同频同相,即换能器处于谐振状态。图7为交流斩波调压电路仿真结果。仿真结果表明,该款电源设计方案可行,实现了预期功能,动态响应快。3结束语研究了一款以ATMEGA328单片机为核心,利用外部晶振产生超频及高分辨率的PWM信号,以此控制全桥逆变电路和交流斩波调压电路,结合鉴相反馈实现频率自动跟踪,保障超声清洗装置系统工作在最佳谐振状态。参考文献:1倪作恒,王冠,马军,等.超声波技术在锌银电池极片清洗中的应用J.电源技术,2018,24(5):674-677.2王秀芝,程云飞,李艳聪,等.用于不同蔬菜中农药去除的超声波清洗器结构设计J.科技通报,2018,(5):240-243.3李长有,李帅涛,刘遵.超声清洗装置的复合频率跟踪策略研究J.电子技术应用,2016,42(10):135-137.4肖喜鹏,张加胜,刘祖超.基于单片机控制的超声波换能器设计与实现J.应用声学,2015,34(2):113-118.5StevenFBarrett.Arduino高级开发权威指南M.原书第2版.潘鑫磊,译.北京:机械工业出版社,2014.6李正生,陈浩,李萌蕊.CD4046中VCO的工作原理与外围元件试调选择J电子设计工程,2018,26(12):106-111.7周润景,刘晓霞.基于PROTEUS的电路设计、仿真与制版M.北京:电子工业出版社,2013.8王晶,翁国庆,张有兵,等.电力系统的MATLAB/SIMULINK仿真与应用M.西安:西安电子科技大学出版社,2012.
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