超声波电源说明书

第九届“挑战杯”

河南省大学生课外学术科技作品竞赛

作

品

说

明

书

作品名称：超声波振动筛自动控制电源

学校：河南师范大学

团队：ZJ小组

指导老师：袁延忠

前言

超声技术是声学中发展最迅速、应用最广泛的领域。尤其在近年来,随着电子技术和材料科学等方面的飞速发展,大功率超声技术如超声清洗、超声焊接、超声加工、超声雾化、超声乳化、超声粉碎等在国民经济相关行业中的应用越来越广,这又反过来促进了对功率超声机理和应用等方面的研究。

在超声振动加工中, 为得到大的振幅以提高加工质量, 发挥超声加工的优越性, 要求振动系统工作在谐振状态。一般, 换能器振动系统工作前, 通过调节电源的电频率, 可满足系统处于共振的工作条件。

但是, 在实际加工中, 由于负载的变化、系统发热等一系因素的影响, 使振动系统的固有频率发生变化, 此时, 若不及时调整换能器的电源频率即不采用自动频率跟踪, 振动系统将工作在非谐振状态, 从而使振动系统的输出振幅减小, 造成加工质量下降, 当失谐严重时, 超声振动加工的优越性消失。因此, 在超声振动加工中采用自动频率跟踪是非常必要的

目录

前言 (2)

一项目背景 (4)

二设计目的 (5)

三系统设计 (6)

3.1 电流控制型PWM的设计 (6)

3.2 单片机采集数据的设计 (7)

3.3 PID算法 (7)

3.4 自动跟踪频率

(8)

3.5 DDS高精度振荡源的应用 (8)

四系统流程图 (9)

五作品创新点与技术指标 (10)

六作品应用前景 (11)

七作品原理图 (12)

八作品部分代码 (13)

九附件 (16)

项目背景

超声振动筛是将220V、50Hz或110V、60Hz电能转化为18KHz 的高频电能，输入超声换能器，将其变成18KHz机械振动，从而达到高效筛分和清网的目的。该系统在传统的振动筛基础上在筛网上引入一个低振幅、高频率的超声振动波（机械波），以改善超微细分体的筛分性能。特别适合高附加值精细分体的用户使用作为超声波振动筛的核心部分——电源的设计尤为重要，就目前人工手动控制电源而言，由于振动筛筛选出的是200目以上的极微小颗粒，筛选成雾状，生产环境及其恶劣，不适于人长期工作。而且，人工控制准确度不高，不能及时地跟踪振动筛的频率。而本产品正是克服了以上种种缺点。自动控制电源采用PID控制，自动扫描振动筛的本振频率，已达到快速、精确地动态调节振源频率，使之始终工作在最合适的频率和电流，从而大大的提高了生产量。由于具有频率扫描功能，因此适应于所有型号的超声换能器。换能器频率偏移率低，能量转换率达到95%以上，实现功率输出最大化。系统兼容性好，自动调节程度高，有很宽的频率跟踪范围。电源可以输出平稳的能量和振幅，并对换能器的最大输出功率、振幅、电压进行限制，电源有过压、过温、过流等多重保护手段。我们设计的作品可适用于各种超声波系统中，制药、冶金、化工、选矿、食品等要求精细筛分过滤的行业，所以本作品具有很好的应用价值。

项目设计目的

目前，超声波振动筛的应用越来越广泛，由于普通机械式振动筛只能筛分200目以下的颗粒，对于200-600目的颗粒，只有采用更高的振动频率。超声波振动的频率可以从20KHZ到60KHZ，对于微小颗粒筛分具有很好的效果。超声波振动的实现原理是：利用振荡源同步驱动PMW专用电路SG3525，驱动脉冲再经功率放大电路，驱动超声波换能器，从而产生高频振动。在超声振动加工中，为大幅提高加工质量，发挥超声加工的优越性，要求振动系统工作在谐振状态。一般，换能器振动系统工作前，通过调节电源的频率，使之满足系统处于共振状态。但是，在实际运行中，由于负载的变化、系统发热等一系列因素的影响，使振动系统的固有频率不断发生随机性变化。当换能器的频率偏离其供电频率时，便几乎停止振动。而在目前的生产工作中，超声波电源以人工手动控制居多，从而无法快速、精确、及时地调整换能器的电源频率, 振动系统将工作在非谐振状态，从而使振动系统的输出振幅减小，造成加工质量下降。因此，在超声振动加工中采用自动频率跟踪是非常必要的。为了弥补目前市场上超声共振筛存在的这些缺陷，我们想到了研制出一种在工作过程中可以自动扫描设备频率并进行调频的自动控制电源。

系统设计

3.1 电流控制型PWM的设计

脉冲宽度调制脉冲宽度调制（PWM）是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制。它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域。一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定。

脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM 进行编码。

3.2 单片机采集数据的设计

数据采集是分析模拟信号量数据的有效方法。而实时显示数据是自动化检测系统的现实需求。在测试空空导弹导引头的过程中，导引头的响应信号包括内部二次电源信号和模拟量电压信号。检测过程中要求检测系统实时显示导引头的工作状态，显示二次电源和模拟量响应电压信号，判断导引头性能，同时保证在非常情况下人为对导引头做出应急处理，保护导引头。对于模拟量电压信号，通常采用模数转换、

事后数据标定的方法实现。根

据现实需求，研制相应检测系统可作为导引头日常维护和修理的重要工具。

3.3 PID算法

在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象──“一阶滞后＋纯滞后”与“二阶滞后＋纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活（PI、PD、…）。控制点目前包含三种比较简单的ＰＩＤ控制算法，分别是：增量式算法，位置式算法，微分先行。这三种ＰＩＤ算法虽然简单，但各有特点，基本上能满足一般控制的大多数要求。

PID增量式算法

离散化公式：注：各符号含义如下

u(t)控制器的输出值。

e(t) 控制器输入与设定值之间的误差。

Kp 比例系数。

Ti积分时间常数。

Td 微分时间常数。

T调节周期

3.4 自动跟踪频率

在超声振动加工中, 为得到大的振幅以提高加工质量, 发挥超声加工的优越性, 要求振动系统工作在谐振状态。一般, 换能器振动系统工作前, 通过调节电源的电频率, 可满足系统处于共振的工作条件但是, 在实际加工中, 由于负载的变化、系统发热等一系列因素影响, 使振动系统的固有频率发生变化, 此时, 若不及时调整换能器的电源频率即不采用自动频率跟踪, 振动系统将工作在非谐振状态, 从而使振动系统的输出振幅减小, 造成加工质量下降, 当失谐严重时, 超声振动加工的优越性消失因此, 在超声振动加工中采用自动频率跟踪是非常必要的。

所谓自动频率跟踪, 是指在加工过程中, 当由换能器、变幅杆、刀具组成的振动系统在外界因素影响下, 其固有振动频率发生变化时, 控制系统能立即发现变化后的固有频率并及时调整供电频率与变化后的固有频率相同, 使振动系统始终工作在谐振状态, 以维持振动系统的最大振幅或者说是维持最大振动速度。若在所有情况下, 均能保证供电频率fg 与振动系统固有频率fo 相等, 则自动频率跟踪系统是理想的, 但这是非常困难和不易实现的。对于一个实际的跟踪系统来说, 只要能使供电频率fg 与振动系统的固有频率fo 比较接近, 频率失调f1= f o - f g 较小f 1 ≤f即可。2f称为振动系统的有效带宽, 在此带宽范围内, 系统的振幅不会下降

3.5 DDS高精度振荡源的应用

一块DDS芯片中主要包括频率控制寄存器、高速相位累加器和正弦计算器三个部分（如Q2220）。频率控制寄存器可以串行或并行的方式装载并寄存用户输入的频率控制码；而相位累加器根据频率控制码在每个时钟周期内进行相位累加，得到一个相位值；正弦计算器则对该相位值计算数字化正弦波幅度（芯片一般通过查表得到）。DDS芯片输出的一般是数字化的正弦波，因此还需经过高速D/A转换器和低通滤波器才能得到一个可用的模拟频率信号频率分辨率高，输出频点多，可达2的N次方个频点(N为相位累加器位数)；

频率切换速度快，可达us量级；

频率切换时相位连续；

可以输出宽带正交信号；

输出相位噪声低，对参考频率源的相位噪声有改善作用；

可以产生任意波形；

全数字化实现，便于集成，体积小，重量轻。

在各行各业的测试应用中，信号源扮演着极为重要的作用。但信号源具有许多不同的类型，不同类型的信号源在功能和特性上各不相同，分别适用于许多不同的应用。目前，最常见的信号源类型包括任意波形发生器，函数发生器，RF信号源，以及基本的模拟输出模块。信号源中采用DDS技术在当前的测试测量行业已经逐渐称为一种主流的做法。

系统流程图

核心A：频率跟踪，调整程序

开机——频段一初始化扫描——谐振电流是否合适（否转B）——A ——电流是否合适——继续原频率——转至A

B ：切换频段2——谐振频率是否合适（否转C）——A——电流是否合适（否转D）——继续原频率——转至A

C ：LED显示错误信息

D ：PID算法送出新的频率

作品创新点与技术指标

创新点：

采用PID控制算法实现振动系统频率的自动跟踪，从而自动调节振源频率，程序中有频率扫描和跟踪功能，并快速分析出频率变化和功率变化的区别，匹配调整电路，可以方便的根据负载的变化为换能器找到最佳的工作点，从而自动调节振源频率和占空比，巧妙地避免了因为频率的失谐而造成的设备工作缺陷。

技术关键：

1：PID算法的单片机实现。

2：PMW控制芯片的实现

3：频率跟踪和功率调整电路的实现。

4：DDS高精度振荡源的应用。

5：12864显示屏的应用。

6：单片机AD和DA的应用

技术指标：

1.跟踪时间：2秒钟

2.频率调整精度：3赫兹

3.频率稳定度：20PPM

4.AD、DA为12位精度

5.频率分辨率：0.004赫兹

作品应用前景

本产品在市场上现有的为数很少的频率自动跟踪电源的基础上进行了创新设计。通过对目前各种频率跟踪方法的比较,本产品选用了可以使系统获得较高功率因数的锁相式频率跟踪方式进行研究。为了改善锁相系统在用于跟踪换能器串联谐振频率时的性能,提出了一种新的方案。针对谐振频率附近采样信号差的问题,我们采用带通滤波器对电流采样信号进行整形,分析了滤波器对换能器频率跟踪的影响,并设计了具体的跟踪电路。锁相式频率跟踪结合换能器并联谐振频率的自动功率调节,在超声设备中是一种理想的工作方式,它能够在不增加电路复杂性的情况下实现换能器功率的自动调节,同时保持系统有较高的功率因数。这对于简化超声设备、提高适应负载能力都是十分有意义的。

本产品克服了其他相关产品的种种缺点，为自动化、高效率生产，高精度调节提供了方便，具有跟随速度快、频率跟踪准确、电路设计简单、工作可靠等优点，这种自动跟踪频率技术可应用于各种超声设

备以及行业当中，如清洗、焊接、粉碎筛选等等，

具有很好的市场前景。作品原理图

作品部分代码

振动筛程序该程序为cpuda自动调整的程序

;

$NOMOD51

#include // SFR declarations

;;ad频率最高200k

;---------------------------------------------

;标记位定义

;SPEAKER BIT P1.0

SDAT EQU P0.3

SCLK EQU P0.2

TFS EQU P0.1

ERR_BIT BIT 00H ;;20.0

RATIO_CHANGE_BIT BIT 01H

SCAN_OK_FLG BIT 02H ;;;电流扫描正确标记