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1、頻率自動跟蹤超聲清洗裝置設(shè)計(jì)
摘要：為保障超聲波換能器工作在諧振狀態(tài)，設(shè)計(jì)了一款以ATMEGA328單片機(jī)為核心，結(jié)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(zhuǎn)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(guān)信號，再將鑒相結(jié)果反饋回單片機(jī)用于調(diào)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(yùn)行狀態(tài)和工作參數(shù)由液晶屏實(shí)時(shí)顯示。通過仿真證明，該款清洗裝置具有易調(diào)節(jié)、精度高、動態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，適用于機(jī)械、化學(xué)、醫(yī)療、電子等常用器件的清洗、除垢。
關(guān)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(shù)適用于表面形狀復(fù)雜，且質(zhì)量要求高的器件的清洗、除垢，如機(jī)械、電子、光學(xué)等領(lǐng)域[1-2]。超聲清洗裝置作為該技術(shù)的核心，為換能器提供超聲頻電能，通過機(jī)械振動、"空化效應(yīng)";、"剪切效應(yīng)";，完成清洗[3-4]。但在實(shí)際應(yīng)用中，換能器存在發(fā)熱、損耗和老化等問題，導(dǎo)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(shí)際工作頻率保持一致；此外，傳統(tǒng)超聲清洗裝置在功率調(diào)節(jié)方面，多采用變壓器調(diào)壓、移相調(diào)壓、直流斬波調(diào)壓等方法，大多存在不易設(shè)計(jì)、功率因數(shù)不高等問題，導(dǎo)致電源工作效率降低。綜上分析，本文設(shè)計(jì)了一款帶有頻率自動跟蹤、智能調(diào)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(shè)計(jì)
超聲清洗裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，包括主電路和控制電路。
1.1主電路設(shè)計(jì)
主電路采用AC-AC-DC-AC結(jié)構(gòu)，包括交流斬波調(diào)壓電路、整流濾波電路、逆變電路、匹配電路、驅(qū)動電路等，主要功能是將市電轉(zhuǎn)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(jié)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(shí)現(xiàn)調(diào)壓、調(diào)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(xì)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(diào)壓電路提供IGBT柵極脈沖信號，并根據(jù)鑒相反饋信號調(diào)整信號頻率。超聲波發(fā)生電路由高性能單片機(jī)芯片ATMEGA328、4*3鍵盤和LCD液晶模塊構(gòu)成。ATMEGA328具有6路PWM輸出，3個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器。本文中定時(shí)/計(jì)數(shù)器1(T/C1)的時(shí)鐘源為壓控振蕩器(VCO)的輸出信號，定時(shí)/計(jì)數(shù)器2(T/C2)的時(shí)鐘源為單片機(jī)系統(tǒng)外接的16MHz晶振。通過查詢ATMEGA328芯片資料[5]，進(jìn)行如下配置：(1)T/C1設(shè)置成相位頻率修正PWM模式，其中，TCCR1A=0XB0，TCCR1B
5、=0X17，此時(shí)ICR1為計(jì)數(shù)TOP值，TCNT1為計(jì)數(shù)初值，占空比為50%，即全橋逆變驅(qū)動信號20~60kHz范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)；(2)T/C2設(shè)置成CTC模式，TCCR2A=0X52，和TCCR2B=0X00，此時(shí)OCR2A為計(jì)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(yīng)的ACS712芯片，通過IP+/-引腳對換能器電流進(jìn)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(shí)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(qū)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(shí)，電路工作過程如下：(1)若14腳信號頻率低于3腳時(shí)，13腳輸出低電平，反之輸出高電平；(2)若兩引腳信號同頻時(shí)，當(dāng)14腳相位超前3腳，13腳輸出正脈沖，反之輸出負(fù)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(shí)，輸出為高阻；(4)由13腳輸出的鑒相電壓信號經(jīng)低通濾波后，輸入到9腳，即芯片內(nèi)部VCO；(5)由4腳輸出VCO信號，并作為ATMEGA328的T/C1外接時(shí)鐘源。綜上分析，全橋逆變驅(qū)動信號經(jīng)鑒相反饋電路后，逐漸逼近換能器實(shí)際諧振頻率，實(shí)現(xiàn)頻率的自動跟蹤和智能調(diào)節(jié)。圖3中，C8、R7、R8和D2
7、構(gòu)成他激啟振電路，解決無法自動進(jìn)入預(yù)定啟動的問題。
2軟件設(shè)計(jì)及電路仿真
2.1軟件設(shè)計(jì)
超聲清洗裝置軟件設(shè)計(jì)程序流程如圖4所示，由ARDUINO軟件進(jìn)行編譯，主程序功能包括判斷和調(diào)用子程序；子程序功能包括交流斬波控制信號的調(diào)節(jié)、全橋逆變驅(qū)動信號的調(diào)節(jié)及頻率跟蹤調(diào)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(jìn)行仿真。PROTEUS主要仿真控制電路，結(jié)合ARDUINO編譯的HEX文件聯(lián)合仿真，圖6為頻率跟蹤仿真結(jié)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(qū)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(diào)壓電路仿真結(jié)果。仿真結(jié)果表明，該款電源設(shè)計(jì)方案可行，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能，動態(tài)響應(yīng)快。
3結(jié)束語
研究了一款以ATMEGA328單片機(jī)為核心，利用外部晶振產(chǎn)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(diào)壓電路，結(jié)合鑒相反饋實(shí)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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頻率自動跟蹤超聲清洗裝置設(shè)計(jì)
