智能化大功率超声电源的研制
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摘要
功率超声技术在国民经济各部门的日益广泛应用，越来越需要一种通用型智能化大功率超声电源。本文旨在研制一种多方面性能优越的新一代智能化大功率超声电源，内容包括：
（1） 在分析超声振动系统的电声特性和工作特性的基础上，构造了智能化超声电源总体设计方案，提出了控制系统的工作原理。
（2） 建立了超声电源主电路，其中包括：整流、直流斩波、推挽逆变器和匹配网络等部分，实现了大功率超声频交流电的输出，输出频率的脉频调制（PFM）和输出功率的脉宽调制（PWM）。
（3） 开发了单片机测控系统软硬件，实现了电源输出四类电参数的实时采集，完成了频率自动跟踪和比功率恒定两类控制任务。
（4） 设计了电源的人机对话接口，为用户提供了工作状态指示和四类电参数的数字显示，支持两类控制系统给定值键盘输入、手/自动无扰切换和键盘手动操作等功能。
（5） 采取了一些保护设计及抗干扰措施（硬件、软件），以保证系统稳定可靠地工作。
With the increasingly wide use of power ultrasonic technology in many areas of national economy, a new type of general high-power ultrasonic power supply is urgently required. The purpose of the thesis is to develop a new type of intelligent high-power ultrasonic power supply, which has many excellent performances . It includes:
（1） The article firstly analyses the electrical impedance and working characteristics of ultrasonic vibration system. Based on these, the overall scheme of power supply has been set up and operational principle of control systems has been proposed.
（2） The major circuit has been established, composed of rectifier、BUCK-chopper、push-pull inverter and matching network, which realizes high-power supersonic AC output. To achieve maximal output power, the pulse frequency modulation (PFM) has been applied to auto-adjustment of output frequency, which corresponds to the load's resonant frequency. Output power can be regulated through changing the output voltage of BUCK circuit by the pulse width modulation (PWM), with the purpose of the consent specific load' power.
（3） The micro-controller(80C196) measurement and control system has been presented, including hardware and software，which implement the real-time electrical data acquisition and accomplish the tasks of two kinds of control systems, which are frequency auto-tracking control system and constant output specific power control system.
（4） The man machine interface has been devised, which can show the working status and digitally display multichannel electrical parameters.Via keyboard, users can input the set point of two kinds of auto-control system and manually operate control systems, whose manual/auto switch is unperturbed.
（5） Many protective designs have been made in the power supply and a lot of anti-jamming measures have been taken in terms of both software and hardware, aiming at ensuring the power supply to run stably and reliably.
（1） 在分析超声振动系统的电声特性和工作特性的基础上，构造了智能化超声电源总体设计方案，提出了控制系统的工作原理。
（2） 建立了超声电源主电路，其中包括：整流、直流斩波、推挽逆变器和匹配网络等部分，实现了大功率超声频交流电的输出，输出频率的脉频调制（PFM）和输出功率的脉宽调制（PWM）。
（3） 开发了单片机测控系统软硬件，实现了电源输出四类电参数的实时采集，完成了频率自动跟踪和比功率恒定两类控制任务。
（4） 设计了电源的人机对话接口，为用户提供了工作状态指示和四类电参数的数字显示，支持两类控制系统给定值键盘输入、手/自动无扰切换和键盘手动操作等功能。
（5） 采取了一些保护设计及抗干扰措施（硬件、软件），以保证系统稳定可靠地工作。
With the increasingly wide use of power ultrasonic technology in many areas of national economy, a new type of general high-power ultrasonic power supply is urgently required. The purpose of the thesis is to develop a new type of intelligent high-power ultrasonic power supply, which has many excellent performances . It includes:
（1） The article firstly analyses the electrical impedance and working characteristics of ultrasonic vibration system. Based on these, the overall scheme of power supply has been set up and operational principle of control systems has been proposed.
（2） The major circuit has been established, composed of rectifier、BUCK-chopper、push-pull inverter and matching network, which realizes high-power supersonic AC output. To achieve maximal output power, the pulse frequency modulation (PFM) has been applied to auto-adjustment of output frequency, which corresponds to the load's resonant frequency. Output power can be regulated through changing the output voltage of BUCK circuit by the pulse width modulation (PWM), with the purpose of the consent specific load' power.
（3） The micro-controller(80C196) measurement and control system has been presented, including hardware and software，which implement the real-time electrical data acquisition and accomplish the tasks of two kinds of control systems, which are frequency auto-tracking control system and constant output specific power control system.
（4） The man machine interface has been devised, which can show the working status and digitally display multichannel electrical parameters.
（5） Many protective designs have been made in the power supply and a lot of anti-jamming measures have been taken in terms of both software and hardware, aiming at ensuring the power supply to run stably and reliably.
引文
[1] 鲍善惠．压电换能器的动态匹配．应用声学,1998,17（2）：16～19
[2] 林仲茂．20世纪功率超声在国内外的发展．声学技术，2000，19（2）：101～105
[3] 林书玉．功率超声技术研究现状及其最新进展．陕西师范大学学报（自然科学版），2000，29（1）:101～106
[4] 鲍善惠.压电换能器与匹配电感的耦合振荡.陕西师范大学学报（自然科学版），1998，26（3） 48～51
[5] 闫久春、扬士勤.超声波塑料焊机功率自动调节电路的分析．哈尔滨工业大学学报，1997，26（2）：97～99
[6] 朱武、张佳民.基于数字电感的压电换能器动态匹配的研究.应用声学，2000，19（2）：31～34
[7] 张梅、候振程．一种新型超声波电源．电力电子技术，1999，（4）：13～15
[8] 陆庆扬 .大功率超声清洗机研制中的一些技术问题.声学技术，1998，17（2）：78～81
[9] 闫久春、扬金．功率超声换能器电声效率测试装置的研究．声学技术，1997，16（1）：29～31
[10] 李国良、闫久春.功率超声电信号的实时检测.声学技术，1999，18（3）：120～122
[11] 朱武、金长善．超声波换能器电功率分析仪的研究．声学技术， 1998，17（3）：128～131
[15] 张德俊、程建政．功率超声振动系统的电声效率测量．声学技术， 1997，15（4）：173～174
[16] 鲍善惠．用电流法分析超声换能器的匹配问题．声学技术 1997，15（4）：175～176
[17] 张东卓、刘昭和．功率超声电源的研制．声学技术，2000，19（2）：64～67
[18] 寥华丽、周军．功率超声加工中超声波发生器的研究．煤矿自动化，1999，（6）：11～12
[19] 董震、闫久春．超声波塑料焊接声学系统电参数的检测．哈尔滨工业大学学报，1999，31（6）：5～7
[20] 陈志伟、司怀吉．20KHZ IGBT PWM型高效大功率超声发生器．郑州工业大学学报，1997，18（3）：74～77
[21] 谢勇．IGBT大功率超声波逆变器．电子技术，1997（9）：30～32
[22] 刘殿通、于思远．程控超声加工电源的频率跟踪和恒幅控制．电加工与模具，2000，（2）：23～25
[23] 董惠娟、张广玉．压电超声换能器电端匹配下的电流反馈式频率跟踪．哈尔滨工业大学学报，2000，32（3）：115～117
[24] 张其馨、董惠娟．超声发生器频率跟踪的控制．电加工，1997，（6）：13～16
[25] 马智龙、丁玉薇．程控功率超声发生器．声学技术，1997，（16）：36～39
[26] 张其馨、吴建强．电流反馈式超声发生器的频率跟踪研究．哈尔滨工业大学学报，1995，27（6）：56～61
[27] 顾洪涛、赵永平．超声波焊接中电参数的在线测试．电测和仪表，1999，36（4）：13～16
[28] 殷小贡、赵志敏．微机功率超声系统的自动频率跟踪．电气自动化，1997，（4）：29～32
[29] 韦鲲、魏继昆．80C552单片机IGBT逆变焊机的研究．甘肃工业大学学报，1999，25（1）：11～14
[30] 王世民、赵万生．超声驱动电火花加工装置的单片机控制系统．航空精密制造技术，1998，34（4）：21～23
[31] 周长川、朱训生．新型多功能超声发生器的研制．机械工程师，1999，(2）：16～19
[32] 朱锦洪、丁哲．IGBT驱动电路的应用与改进技术．洛阳工学院学报，1999，20（1）：10～13
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[34] 鲍善惠．一种采用集成驱动器的超声波发生器．声学技术，1999，18（2）：77～79
[35] 朱武、金长善．半桥逆变式功率VMOSFET超声发生器的研制．应用声学，1998，17（2）40～43
[36] 胡鹏飞、郭世明．功率超声系统智能电源的设计．西南交通大学学报，1999，34（2）196～200
[37] 任金莲．脉宽式功率超声设备的研究．陕西师范大学学报（自然科学版），1998，26（3）119～120
[38] 刘丽华．大功率超声发生器的研制及超声乳化的实验研究：[硕士学位论文]．北京，华北电力大学，2000
[39] 顾煜炯．超声振动系统的研究及系列超声手术刀的研制：[博士学位论文]．北京，清华大学，1996
[40] 张梅．超声波电源的研制：[硕士学位论文]．重庆，重庆大学，1997
[41] Amit LAT et al.Mictomachened silicon ultrasonic atomizer.[J].IEEE Ultrasonic Symposium,1998:339～342
[42] B.F.Hamonic,O.B.Wilson,J.N.Decarpigny(Eds)．Power transducers forsonics and ultrasonics．Springer-Verlag，1996 (1)
[43] Engler R.H. Vortex Breakdown-Investigations Using the Ultrasonic-Laser Method and Laster Sheet Technique，ICAS，1998，Record，1731
[44] Higuchi K,Suzuki K.and Tanigawa H. 1999 IEEE Ultrasonic Symposium Proceeding，559
[45] 王富瑞．单片微机测控系统设计大全．北京航空航天大学出版社，1999
[46] 王乃康、陈宝吉．实用电子电路手册．科学文献出版社，1992
[47] 张立、黄两一．电力电子场控器件及其应用．机械工业出版社，1996
[48] 李爱文、张承惠．现代逆变技术及其应用．科学出版社，2000
[49] 何希才．新型开关电源设计与应用．科学出版社，2001
[50] 苏开才、毛宗源．现代功率电子技术．国防工业出版社，1995
[51] 何希才、江云霞．现代电力电子技术．国防工业出版社，1996
[52] 孙涵芳．Intel 16位单片机．北京航空航天大学出版社，1999
[53] 程军．Intel 80C196单片机应用实践与C语言开发．北京航空航天大学出版社，2000
[54] 张卫平、张英儒．现代电子电路原理与设计．原子能出版社，1997
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