超声波电源的设计样本

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高频超声理疗仪驱动电源设计

高频超声理疗仪驱动电源设计

摘要现阶段,检测超声在医疗领域应用广泛。

而功率超声在医疗方面应用相对较少,处于研究阶段的如超声刀,靶向给药等。

超声的理疗作用已被广泛的认可,但理疗仪的驱动电源仍存在不足。

由于超声理疗频率较高大多在1MHz以上,若采用传统的功率芯片实现输出功率放大的功能,将存在输出功率是否可调节、输出电压波形是否畸变等问题。

在实际应用中,仅仅依靠超声电源的匹配网络难以完成精确的匹配。

且由于换能器发热、粘合剂的不同、老化等因素导致的换能器几个动态参数变化,换能器的谐振频率也会不断改变,此时要求超声电源能跟踪换能器的谐振频率,从而避免能量的大量损耗以及进一步发热灼伤病人。

本文参照超声理疗驱动电源的国内外的研究现状,就目前存在的问题,设计了驱动频率为1MHz输出功率为10W的数字化超声电源整体架构。

根据换能器电学等效阻抗模型,设计了超声换能器的静态匹配网络并计算了元器件参数。

分析比较了FFT变换法、相关函数法、过零点比较法等相位差检测方法,选择合适的相位差检测方法并设计相关的检测电路。

采用基于LCC功率谐振逆变器实现功率放大,对谐振逆变器各个模块进行分析,利用电路理论等知识给出LCC谐振逆变器参数的计算方法。

比较目前开关电源常用的功率调节方法,引入PDM方法实现输出功率的可调节。

针对理疗换能器自身谐振频率的漂移,引入频率自跟踪功能,并指出其不足。

针对换能器具有复杂的非线性、没有精确数学模型的特性提出基于模糊控制器的频率跟踪算法,并利用数学仿真工具Matlab中的模糊工具箱和Simulink仿真平台,搭建了基于模糊控制器的频率跟踪算法仿真模型。

其仿真结果验证了模糊控制器实现频率跟踪的可行性和快速性。

论文最后制作了超声理疗仪的实验平台,通过实验验证了基于LCC谐振逆变器和模糊锁相环构成的驱动器系统可以高效地驱动理疗换能器,能够实现换能器两端电压电流同相位,系统能够安全、稳定的持续运行。

关键词:超声换能;LCC谐振逆变器;频率控制;模糊锁控制器;超声理疗AbstractAt present, the detection of ultrasound is widely used in medical field. The application of power ultrasound in medical field is relatively small, in the research stage such as ultrasound knife, targeted drug delivery.Therapeutic effect of ultrasound has been widely recognized, but the driving power of physiotherapy instrument defects still exist.As the frequency of ultrasound therapy is mostly higher than 1MHz, if using the linear amplifier to achieve power amplification, there will be most questions such as whether output power can be adjusted, the output voltage waveform distortion.In practical applications, it is difficult to achieve accurate matching only by the matching network of ultrasonic power supply.And because of the transducer heating, adhesive, aging and other factors led to resonant frequency changes. So the ultrasonic power supply is required to track the resonant frequency of the transducer so as to avoid a large loss of energy as well as to further heat.In this dissertation, with reference to the research status of high-frequency low-power ultrasonic power supply at home and abroad, aiming at the existing problems, the overall architecture of digital ultrasonic power supply is designed with the driving frequency of 1MHz and the output power of 10 watts. According to the electrical equivalent model of the transducer, the static matching network is designed and the parameters of the components are calculated. The phase difference detection methods such as the FFT transform method, the correlation function method and the zero-crossing comparison method are analyzed and compared. The suitable phase difference detection method is selected and the related detection circuit is designed. The power amplifier based on LCC power resonant inverter is adopted, and each modules of the resonant inverter are analyzed, and the calculation method of the parameters of the LCC resonant inverter is given by using the circuit theory and other knowledge. Compared with the usual power regulation method of the switching power supply, PDM method is introduced to realize adjustable output power.Aiming at the drift of the resonant frequency of the physical therapy transducer, the frequency self-tracking function is introduced, which makes the transducer always in resonance state. The algorithm of frequency point search in the engineering application is improved and its deficiency is pointed out. Furthermore, due to the transducer has complex nonlinearity and no precise mathematical model, a fuzzy controller based frequency tracking algorithm is proposed. The simulation model of the frequency tracking algorithm based on the fuzzy controller is built by using the fuzzy toolbox and Simulink simulation platform in Matlab. The simulation results show that the fuzzy control can quickly to achieve frequency tracking.The experimental results show that the driving system based on LCC resonant inverter and fuzzy phase locked loop can drive the transducer efficiently and realize thevoltage and current in phase. The system can be safe, stable and continuous operation.Keywords:ultrasonic transducer, LCC resonant inverter, frequency control, fuzzy controller, ultrasonic physiotherapy目录摘要 (I)ABSTRACT (I)目录 ..................................................................................................................................................... I V 第1章绪论.. (1)1.1超声理疗简介 (1)1.1.1超声波生理效应 (1)1.2超声理疗仪现状、发展趋势 (3)1.2.1超声理疗仪的现状 (3)1.2.2发展趋势 (5)1.3论文的主要研究内容 (5)第2章整体方案与关键模块设计 (7)2.1总体架构设计 (7)2.2主控芯片选择 (8)2.3电端匹配网络 (9)2.3.1换能器的机电等效模型 (10)2.3.2换能器匹配网络的设计 (12)2.4直接数字频率合成 (14)2.4.1基本原理 (14)2.4.2DDS芯片选型 (15)2.5相位差检测 (15)2.5.1DFT变换法 (15)2.5.2函数相关法 (16)2.5.3DFT变换法和函数相关法仿真 (17)2.5.4过零比较法 (18)2.6本章小结 (19)第3章功率电路的设计与分析 (20)3.1谐振逆变器的主要组成部分 (20)3.2开关网络 (21)3.3谐振网络 (22)3.4功率谐振逆变器仿真 (28)3.5功率控制方案的选择与比较 (29)3.5.1 PFM调频调功 (30)3.5.2PS-PWM移相脉宽调节 (31)3.5.3PDM功率调节 (31)3.6本章小结 (33)第4章频率控制算法设计 (34)4.1换能器谐振频率点搜索算法 (35)4.1.1换能器谐振频率中心点计算 (35)4.1.2变步长频率点搜索 (36)4.2基于模糊-DDS的频率控制算法 (38)4.2.1模糊频率控制原理 (39)4.2.2模糊控制器的设计 (40)4.3基于模糊控制器频率跟踪的仿真与分析 (46)4.3.1仿真模型的搭建 (46)4.3.2仿真结果的分析 (48)4.4本章小结 (49)第5章实验测试 (50)5.1实验平台搭建 (50)5.2超声电源各功能模块测试 (50)5.2.1MOS管的驱动电路及其波形 (50)5.2.2 LCC谐振电路及其输入输出波形 (52)5.2.3功率控制相关波形 (53)5.2.4变步长频率搜索算法实验 (54)5.2.5基于模糊控制器的频率跟踪算法实验 (56)5.3本章小结 (57)结论 (58)参考文献 (60) (63)致谢 (64)第1章 绪 论1.1超声理疗简介1.1.1超声波生理效应频率高于20kHz 的声波即为超声波。

超声波电路设计指导

超声波电路设计指导

超声波电路设计指导1.超声波发射电路τ图1 发射电路T IRFP840 耐压500V以上,额定功率10W以上的场效应管U1 IR4426 电源电压用12V注1:若使用IR4427,当注意其输入输出波形不反相,故须正脉冲输入。

注2:U1极忌长时间导通。

在U1与T之间可以插入限流电阻保护U1,电阻不宜大,否则输出脉冲边沿会变得过缓;在正常工作状态,U1只在极短时内导通,即使无限流电阻也不致损坏。

R1 50K~1MΩ电阻取值与两次发射的最小间隔时间有关,间隔越长则回路充放电时间可越长,R1可以越大。

建议设法取1MΩ,以便减小250V电源的输出电流。

C1 1000pF/1000V 高压瓷片电容RL 510Ω简要工作原理如下:当T截止时,250V电压源通过R1和RL向C1充电。

一般认为,持续充电时间大于5倍的回路充放电常数,则C1两端电压能基本达到250V,为驱动超声波发射做好准备。

当T瞬时导通,T、C1和RL构成放电回路。

超声波传感器的阻抗约为50Ω,故C1中的电荷被快速释放,在超声波传感器上形成一个负向冲击脉冲,脉冲宽度约为0.5~1.5us。

图2 超声波传感器上信号波形示意2.超声波接收电路限幅限幅放大检波后级放大比较或1N60图3 接收电路图3中:(1)R1、R2取值一般为100~300Ω,与后级放大器输入阻抗大小有关。

(2)Ci不宜太大,否则超声波发射后电路会有一段时间无法正常接收回波信号,故一般可小于0.1uF;也不宜太小,否则信号损耗会比较大。

(3)通路上放大器的总增益应大于50dB,大于60dB则更佳。

(4)检波电路时间常数的选取要得当,太大则造成包络展宽,太小则单个回波脉冲会被检测成多个脉冲。

可根据超声波工作频率确定,并通过观测检波输出波形加以矫正。

3.脉冲间隔测量电路请参考并分析ultrasonic.ddb中图纸。

4.声波传导耦合剂实验中,使用超声波传感器探头探测实验样块。

样块与探头的接触面、多个样块层叠时样块之间的接触面,可能因不平整而有空气间隙,影响声波传导,带来较严重的界面衰耗,故建议实验中使用清水在接触面涂抹填充,作为耦合剂,并压实接触面,减小声波传导损耗。

超声电源的研制

超声电源的研制

超声电源的研制本文采用移相脉宽控制(PSPWM)方式通过改变全桥逆变器桥臂脉冲的移相角来调节输出功率,逆变器承担着逆变和调功两种功能,并采用软开关技术,使功率开关器件工作在零电压开通和关断状态,开关损耗小,可以实现输出功率的调节。

硬开关PWM可以应用于超声电源,但其开关损耗大、效率低、EMI大,高频时不能实现调功;对PFM方式而言,因负载系统为超声换能器,其谐振频率范围较窄,不能用来实现调功; PDM、PSM属于有级调功,输出的正弦波幅值不是恒定的,不利于负载换能器的稳定工作,因此PDM、PSM方式不能用来实现调功。

超声电源主电路采用全桥逆变拓扑结构,如图2所示,Z1—Z4为主开关管IGBT,D1—D4为Z1—Z4内部反并联寄生二极管,C1—C4为外接并联的电容或者功率管的寄生电容,T为高频脉冲变压器,L0为串联调谐匹配电感, PZT为超声换能器。

选取的超声换能器型号是中国科学院上海声学实验室的DH-6160F-15S-3,其谐振频率为25kHz,谐振阻抗为15Ω,静态电容为27000pF,通过计算,匹配电感为0. 75mH。

电路输入直流电压E=120V, 根据PSPWM控制策略,实际应用中可以采用移相控制专用芯片UC3875组成控制系统,它能产生4路PWM波形控制全桥逆变器的4个功率开关管。

芯片设有死区时间保证同一桥臂上下两管不能直通,同时相移角可调,实现输出功率调节。

(2)采用DSP 控制DSP(Digital Signal Processing,数字信号处理)是近年来迅速崛起的新一代可编程处理器当前在超声换能器的应用中,主要选用压电陶瓷换能器。

传统的超声波换能器大多采用压控振荡和锁相环来实现超声波发生,此类设备只能进行窄频域调节,精度低,更不能实时控制。

波形发生模块采用DDS 芯片,通过控制系统调节,可实时发生精度为1Hz 的50MHz 以下任意频率。

要想驱动换能器正常工作,DDS输出的超声波必须经过功放模块放大之后才能驱动换能器正常工作,所以功放模块必不可少。

超声波电源驱动电路的设计

超声波电源驱动电路的设计

超声波换能器驱动电路的设计

针对过流产生时,设计的软件和硬件电路双重封锁PWM信号。 创新点: 创新点: 1 2 解释: 解释: 硬件电路上双重控制PWM 信号。当没有过流发生时, EXB841的5引脚不输出故 障信号,此时5引脚输出 的是高电平,三极管VA0 不导通,此时,与门1引 脚为高电平,由单片机产 生的PWM使三极管VA1导 3 通,此时,与门2引脚为 高电平,与门输出高

针对EXB841芯片内部提供的-5V负偏压不足重新设计的电路。 创新点: 创新点: 解释: 解释: EXB841使用单一的20V电 源产生+15V和-5V偏压。 在高电压大电流条件下, 开关管通断会产生干扰, 使截止的IGBT误导通,针 对负偏压不足的问题,设 计了外部负栅压成型电路, 用外接8V稳压管VA9代替 了EXB841芯片内部的5V VA9为8V稳压管 稳压管。电源电压升为 24V。
超声波换能器驱动电路的设计
EXB841芯片简介
EXB841芯片包含正常开通过程、正常关断过程和过流保护动作三项功能. 当1 4和15两脚 间外加PWM控制信号时候,15和14脚有10mA ~ 25mA,在GE两端产生约15v ~ 18v的 IGBT开通电压;当触发控制脉冲电压撤消时,在GE两端产生约-5.1 V的IGBT关断电压. 过流保护动作过程是根据IGBT的CE极间电压Uce的大小判定是否过流而进行保护的,
超声波换能器驱动电路的设计

针对过流产生时,设计的软件和硬件电路双重封锁PWM信号。 创新点: 创新点: 1 2 解释: 解释: 电平,三极管VA2导通, 驱动EXB841芯片工作, 当出现过流时,5引脚输 出故障信号,一路信号输 出至触发器S端,此时,S 端为高电平,Q端输出高 电平,使三极管VA0导通, 此时,与门1引脚为低电 3 平; 另一路信号,输至单 片机,经过单片机

超声波电路设计指导

超声波电路设计指导

超声波电路设计指导1.超声波发射电路τ图1 发射电路T IRFP840 耐压500V以上,额定功率10W以上的场效应管U1 IR4426注1电源电压用12V。

U1极忌长时间导通。

在U1与T之间可以插入限流电阻保护U1,电阻不宜大,否则输出脉冲边沿会变得过缓;在正常工作状态,U1只在极短时内导通,即使无限流电阻也不致损坏。

R1 50K~1MΩ电阻取值与两次发射的最小间隔时间有关,间隔越长则回路充放电时间可越长,R1可以越大。

建议取1MΩ,以便减小250V电源的输出电流。

C1 1000pF/1000V 高压瓷片电容RL 510Ω注1:若使用IR4427,应当注意其输入输出波形不反相,所以在本电路中输入使用正脉冲信号。

简要工作原理如下。

当T截止时,250V电压源通过R1和RL向C1充电。

一般认为,持续充电时间大于5倍的回路充放电常数,则C1两端电压能基本达到250V,为驱动超声波发射做好准备。

当T瞬时导通,T、C1和RL构成放电回路。

超声波传感器的阻抗约为50Ω,故C1中的电荷被快速释放,在超声波传感器上形成一个负向冲击脉冲,脉冲宽度约为0.5~1.5us。

图2 超声波传感器上信号波形示意2.超声波接收电路限幅限幅放大检波后级放大比较或1N60图3 接收电路图3中:(1)R1、R2取值一般为100~300Ω,与后级放大器输入阻抗大小有关。

(2)Ci不宜太大,否则超声波发射后电路会有一段时间无法正常接收回波信号,故一般可小于0.1uF;也不宜太小,否则信号损耗会比较大。

(3)通路上放大器的总增益应大于50dB,大于60dB则更佳。

(4)检波电路时间常数的选取要得当,太大则造成包络展宽,太小则单个回波脉冲会被检测成多个脉冲。

可根据超声波工作频率确定,并通过观测检波输出波形加以矫正。

(5)后级放大电路中运放无需再使用AD818,推荐使用NE5532。

3.脉冲间隔测量电路请参考并分析ultrasonic.ddb中图纸。

基于DSP的超声波电源硬件电路设计

基于DSP的超声波电源硬件电路设计

T RI 、T R 4关断时 ,形成一个 负半周 的 电压波形 ,因
此 ,通过驱动 电路 的有效控制 ,实现 了从直流到交流
的逆 变过程 。其 中 C s l 、D1 、R 9和 C s 2 、D2 、R1 0 为I G B T的缓冲吸收 电路 ;C s 3和 C s 4为突波吸收 电 容 ;c g为隔直 电容 。 2 . 2 匹配 电 路设 计 本 文 匹配 电路 是指 将超 声波 发 生器 输 出 的 电能 送到换 能器 的通道 。匹配 电路的结构相对简单 ,却有
动控制理论和 电力 电子技术 的发展,超声波 电源正朝
捕捉 、中断等 内部资源 ,并辅 以外围的 电流、电压检
测 电路、光耦隔离、继 电驱动等 电路 。I GB T 驱动 电
着大功率 、高频化 、低 功耗、高功率因数、智能化 、 复合化 的方 向发展 。
本文提 出基 于 D S P的数字化超 声波 电源 ,其 基
数 字化超 声波 电源 由主 电路 、控 制 电路 、I G B T 驱动 电路 3部分组成 。 主电路 主要包 括: 输入整流器 、 软启动 电路、滤波器 、I G B T 逆变器 、高频变压器及 其匹配 电路。 控 制电路 采用 T MS 3 2 0 F 2 8 3 3 5 作为核心
路采用 大功率 T X- D A9 6 2 D 4驱动板 。基于 D S P的数 字化超 声波 电源框 图如 图 l 所示 。
图1 基于 DS P的数字化超 声波 电源框 图
2 4 基 金 项 目 :广 东 省 科 技 计 划 项 目 ( 2 0 1 2 B 0 9 1 1 0 0 2 6 2 )
电源 上 电后 ,输入整流器将 5 0 Hz 单相 工频 交流

DDS的智能超声波电源

DDS的智能超声波电源

DDS的智能超声波电源功率超声设备利用超声波的能量改变材料的某些状态,需要产生相当大或比较大的功率。

超声波功率源(或称发生器)向超声换能器提供连续的电能量,其性能特点直接影响着各种功率超声的研究工作。

近年来,我国关于功率超声的研究十分热门,尤其是超声化学和超声的生物效应,更是声学研究的热点。

上述研究需要超声波具有高分辨率、高稳定性、大功率、频率大范围可调等特点,为此,研制了一种基于DDS技术的超声波功率源,并已将其应用在实际的声学研究中。

1 系统原理及特点系统原理如图1所示。

用单片机AT89C51控制DDS芯片AD9850产生频率为1kHz~1MHz的波形信号;功率放大采用半桥放大方式,其中,功率开关使用MOSFET模块;通过输出变压器和电感组成的匹配网络驱动压电换能器激发超声波。

本系统的主要特点有:(1)采用数字DDS技术产生波形信号,分辨率高、稳定性好、频率范围大,系统频率不会随工作时间出现漂移。

(2)功率放大器件采用大功率的MOSFET模块,功率可达2000W 以上。

(3)采用变压器输出,通过串联谐振提高换能器两端电压,提高了电能的利用率。

(4)系统通过2 系统硬件实现2.1 DDS原理及电路实现2.1.1 008电路工作原理DDS技术是一种用数字控制信号的相位增量技术,具有频率分辨率高、稳定性好、可灵活产生多种信号的优点。

基于DDS的波形发生器是通过改变相位增量寄存器的值△phase(每个时钟周期的度数)来改变输出频率的。

如图2所示,每当N位全加器的输出锁存器接收到一个时钟脉冲时,锁存在相位增量寄存器中的频率控制字就和N位全加器的输出相加。

在相位累加器的输出被锁存后,它就作为波形存储器的一个寻址地址,该地址对应的波形存储器中的内容就是一个波形合成点的幅度值,然后经D/A转换变成模拟值输出。

当下一个时钟到来时,相位累加器的输出又加一次频率控制字,使波形存储器的地址处于所合成波形的下一个幅值点上。

用于超声加工的小功率电源设计

用于超声加工的小功率电源设计
s e r i a l e o m m u n i c a t I / O n b e t w e e n I P C a n d MC U . T h e o u t e r c i r c u i t s i d e s i g n e d f o r t h e MC U w h i c h c o n t a i n s u l t r so a n i c c i r c u i t , t h e
相应 的焊盘连接 。
容易通过串口R S 2 3 2协议进行通信。下位机以 S T C 1 2 C 5 A 6 0 S 2 单 片机为核心, 并包含功率调节 电路 , 时间控制 电路 、 超声波发生电 路、 串口通信 电路及锁相 电路等 。 系统总体结构, 如图 I 所示 。 超
声波发生及功率 时间调整 电路( 图略) 。 由于超声波电源为高频 电
Ab s t r a c t : A p o w e r a d j u s t a b l e a n d t i m e c o n t r o l l bl a e s t bl a e u l t r a s o n i c p o w e r s u p p l y i s d e s i g n e d w h i c h s i u s e d f o r t h e R S 2 3 2
源, 因此要求单片机要有很强的抗干扰能力 , 同时为了功能扩展
的需要 ,选择 内部 资源 丰富的单 片机 ,综 合 以上 考虑选 取 了 S T C 1 2 C 5 A 6 0 S 2 单 片机作为下位机控制模块 的核心 ,他是 一款 C 8 0 5 1系列中功能较全且抗干扰能力较强的一款单片机 , 此单片 机具备 6 0 K B y e t e s 的可编程 F l a s h , 1 2 8 0 字节 的数据存储器 , 支持 大容量 的程序代码 ; 2 个1 6 位定时器计 数器 ,具有最多可达 4 4 个 的数 字 I / 0引脚 , 处理器还包括看 门狗 、 D A C、 可编程 时钟等 , 并具备多种 总线接 口, 包括 U A R T 、 S P I 等, 足以满座工业控制的
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集美大学毕业设计论文毕业设计题目超声波电源设计专业机械设计制造及其自动化班级机制0614 姓名陈曦曦学号710175指引教师胡玉生职称副专家机械工程学院6月2日超声波电源设计[摘要]几十年来,超声加工技术发展迅速,在型孔和型腔加工、切割加工、超声波清洗、超声复合加工、超声波焊接领域均有较广泛研究和应用,解决了许多核心性工艺问题,获得了良好效果。

本文一方面简介了国内外在超声波电源方面发展状况,然后详细分析了超声波设备构成、核心技术以及设计难点,并以一种200w超声加工电路为方案设计、制作了超声波发生器,应用于超声加工。

通过对模仿与数字超声电源基本电路简介,理解超声波电源频率跟踪、功率控制、稳速、过电压、过电流以及阻抗匹配等核心技术。

接着对所设计电路各部位电路进行分析和设计。

在此基本上,详细简介了整流电路、滤波电路、半桥逆变电路、超声波发生器与换能器匹配设计以及用Protel软件设计PCB图,然后进行电路板制作和实验。

最后对所设计电路特点进行归纳与总结。

[核心词]::超声波发生器;超声波换能器;频率跟踪;阻抗匹配;半桥逆变电路The Design Of Ultrasonic PowerAbstract The development of ultrasonic machining technology is rapid for decades. Type holes and cavity machining,cutting,ultrasonic cleaning,ultrasonic processing,and ultrasonic welding have a wider field of research and application,solves many key technology issues ,achieved good resultsThis paper introduces the domestic and international aspects in the development of ultrasonic power first. Then a detailed analysis of the composition of ultrasonic equipment Key technologies and design difficulties And design a 200w ultrasonic generator which is used in ultrasonic machining .Through the power of analog and digital ultrasound description of the basic circuit,Learn about the frequency of ultrasonic power tracks,power control,steady speed,overvoltage,overcurrent and impedance matching key technologies. Then designed circuits to all parts of the circuit analysis and design. On this basis ,Details of the rectifier circuit,filter circuit,push-pull inverter circuit,impedance ,Ultrasonic generator and the matching design of transducer and PCB design using Protel software ,and then proceed to circuit board production and testing.Finally,the design characteristics of the circuit of induction have summed up and summarized.Key words:ultrasonic generator;ultrasonic transducer;frequency tracking;Impedance matching;half-bridge inverter circuit目录摘要·····················································································错误!未定义书签。

Abstract ················································································错误!未定义书签。

引言·····················································································错误!未定义书签。

1 超声加工技术····································································错误!未定义书签。

1.1 超声波加工原理·······························································错误!未定义书签。

1.2 超声波加工特点·······························································错误!未定义书签。

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