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1、頻率自動跟蹤超聲清洗裝置設計
摘要:為保障超聲波換能器工作在諧振狀態(tài),設計了一款以ATMEGA328單片機為核心,結合模擬電路,帶有頻率自動跟蹤功能的超聲清洗裝置,包含主電路和控制電路。主電路的作用是將市電轉換為超聲頻電能供給換能器,控制電路的作用是根據(jù)鍵入頻率值為IGBT器件提供開關信號,再將鑒相結果反饋回單片機用于調整輸出頻率,保障清洗裝置工作于最佳諧振狀態(tài)。此外,清洗裝置的運行狀態(tài)和工作參數(shù)由液晶屏實時顯示。通過仿真證明,該款清洗裝置具有易調節(jié)、精度高、動態(tài)響應快等優(yōu)點,適用于機械、化學、醫(yī)療、電子等常用器件的清洗、除垢。
關鍵詞:超聲波發(fā)生器;逆變電路;頻率跟蹤;
2、交流斬波
超聲清洗技術適用于表面形狀復雜,且質量要求高的器件的清洗、除垢,如機械、電子、光學等領域[1-2]。超聲清洗裝置作為該技術的核心,為換能器提供超聲頻電能,通過機械振動、"空化效應";、"剪切效應";,完成清洗[3-4]。但在實際應用中,換能器存在發(fā)熱、損耗和老化等問題,導致諧振頻率漂移,甚至換能器損壞,因此,需要超聲清洗裝置的輸出頻率與換能器實際工作頻率保持一致;此外,傳統(tǒng)超聲清洗裝置在功率調節(jié)方面,多采用變壓器調壓、移相調壓、直流斬波調壓等方法,大多存在不易設計、功率因數(shù)不高等問題,導致電源工作效率降低。綜上分析,本文設計了一款帶有頻率自動跟蹤、智能調節(jié),以及輸出功率數(shù)
3、字控制的超聲清洗裝置,保障電源系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài)。
1超聲清洗裝置設計
超聲清洗裝置系統(tǒng)結構框圖如圖1所示,包括主電路和控制電路。
1.1主電路設計
主電路采用AC-AC-DC-AC結構,包括交流斬波調壓電路、整流濾波電路、逆變電路、匹配電路、驅動電路等,主要功能是將市電轉換為超聲頻電能供給換能器。圖2為交流斬波電路,采用軟硬件結合方式,將斬波控制信號作用到IGBT器件,控制通、斷,將連續(xù)的正弦電壓斬成離散的片斷,實現(xiàn)調壓、調功的功能。
1.2控制電路
控制電路以ATMEGA328為核心,包括超聲波發(fā)生電路和頻率自動跟蹤
4、電路(見圖3),其中頻率自動電路又細分為電流采樣及過零比較電路、鑒相反饋電路等,主要功能是為逆變電路和交流斬波調壓電路提供IGBT柵極脈沖信號,并根據(jù)鑒相反饋信號調整信號頻率。超聲波發(fā)生電路由高性能單片機芯片ATMEGA328、4*3鍵盤和LCD液晶模塊構成。ATMEGA328具有6路PWM輸出,3個定時/計數(shù)器。本文中定時/計數(shù)器1(T/C1)的時鐘源為壓控振蕩器(VCO)的輸出信號,定時/計數(shù)器2(T/C2)的時鐘源為單片機系統(tǒng)外接的16MHz晶振。通過查詢ATMEGA328芯片資料[5],進行如下配置:(1)T/C1設置成相位頻率修正PWM模式,其中,TCCR1A=0XB0,TCCR1B
5、=0X17,此時ICR1為計數(shù)TOP值,TCNT1為計數(shù)初值,占空比為50%,即全橋逆變驅動信號20~60kHz范圍內連續(xù)調節(jié);(2)T/C2設置成CTC模式,TCCR2A=0X52,和TCCR2B=0X00,此時OCR2A為計數(shù)TOP值,占空比為50%,即交流斬波控制信號。電流采樣及過零比較電路采用基于霍爾效應的ACS712芯片,通過IP+/-引腳對換能器電流進行采樣,再由過零比較電路變?yōu)榉讲?,即獲得采樣電流方波信號。鑒相反饋電路以集成芯片74HCT4046為核心,保障ATMEGA328輸出信號頻率與換能器實際工作頻率保持一致[6]。該電路將采樣電流方波信號和全橋逆變驅動信號分別接74HCT
6、4046的14和3腳,并由13腳輸出鑒相電壓信號。在未發(fā)生諧振時,電路工作過程如下:(1)若14腳信號頻率低于3腳時,13腳輸出低電平,反之輸出高電平;(2)若兩引腳信號同頻時,當14腳相位超前3腳,13腳輸出正脈沖,反之輸出負脈沖,脈沖寬度與兩輸入信號上升沿間相位差呈正比;(3)若兩輸入信號同頻同相時,輸出為高阻;(4)由13腳輸出的鑒相電壓信號經低通濾波后,輸入到9腳,即芯片內部VCO;(5)由4腳輸出VCO信號,并作為ATMEGA328的T/C1外接時鐘源。綜上分析,全橋逆變驅動信號經鑒相反饋電路后,逐漸逼近換能器實際諧振頻率,實現(xiàn)頻率的自動跟蹤和智能調節(jié)。圖3中,C8、R7、R8和D2
7、構成他激啟振電路,解決無法自動進入預定啟動的問題。
2軟件設計及電路仿真
2.1軟件設計
超聲清洗裝置軟件設計程序流程如圖4所示,由ARDUINO軟件進行編譯,主程序功能包括判斷和調用子程序;子程序功能包括交流斬波控制信號的調節(jié)、全橋逆變驅動信號的調節(jié)及頻率跟蹤調節(jié)。
2.2電路仿真
利用PROTEUS[7]和SIMULINK[8]兩款軟件對圖5所示的超聲清洗裝置電路進行仿真。PROTEUS主要仿真控制電路,結合ARDUINO編譯的HEX文件聯(lián)合仿真,圖6為頻率跟蹤仿真結果,其中右面波形為采樣電流方波信號,左面波形為全橋逆變驅動信號,
8、可見換能器兩端電壓和流過電流逐漸同頻同相,即換能器處于諧振狀態(tài)。圖7為交流斬波調壓電路仿真結果。仿真結果表明,該款電源設計方案可行,實現(xiàn)了預期功能,動態(tài)響應快。
3結束語
研究了一款以ATMEGA328單片機為核心,利用外部晶振產生超頻及高分辨率的PWM信號,以此控制全橋逆變電路和交流斬波調壓電路,結合鑒相反饋實現(xiàn)頻率自動跟蹤,保障超聲清洗裝置系統(tǒng)工作在最佳諧振狀態(tài)。
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