超声波清洗机各模块设计原理 超声波清洗机总体方案设计
出处:维库电子市场网 发布于:2022-12-08 16:40:52
1 超声波清洗机总体方案设计
文中设计的超声波清洗机是以STC单片机为控制,包括整流滤波、逆变、IGBT驱动、PWM发生与控制、频率扫描显示、功率调节、调谐匹配与阻抗匹配模块以及相关保护模块。
在超声波清洗机中,220 V50 Hz的市电输入后分为两路,一路用来产生大功率超声波,另一路用来检测、控制与显示的供电作用,具体如图1所示。其中,通过双向可控硅可控制清洗机的功率。逆变模块为半桥逆变,把直流电压逆变为高频交流电压,再经调谐匹配与阻抗匹配模块的变压器升压以及电感匹配,可以高效率、功率地输送到压电换能器。,压电换能器把超声波电源输出的电能转化为高频机械振动。
2 超声波清洗机各模块设计原理
2.1 整流滤波与功率调节模块
220 V50 Hz交流电经整流桥B1整流以及电解电容C12滤波后产生直流输出电压。其中双向可控硅TR1用于功率调节,C11为安规电容,R11和C11主要用于消除高频干扰。而U1为光耦,型号可以选择MOC3021,1脚和3脚接调功模块。光耦U1起到隔离强弱电的作用,增强了电路的可靠性和安全性。基于STC单片机的超声波清洗机设计方案图2 整流滤波模块
在超声波电源系统的工作过程中,整流滤波模块与逆变模块会发热,可以将两个模块安装在一个铝片散热器上,进行风冷散热。这样,系统可以更安全可靠工作。
2.2 逆变与脉冲驱动模块
由于半桥逆变电路所用到的功率器件少,成本低,而且控制相对简单,因此本文设计的超声波清洗机采用半桥逆变电路。基于STC单片机的超声波清洗机设计方案图3 半桥逆变模块
在半桥逆变电路中,两个全控型开关器件为IGBT,即Q1与Q2和二极管D11和D12构成半桥逆变,在Q1和Q2上加以互补的信号,O1与Q2两IGBT是轮流触发的,即各交替进行导通。同时,在直流侧输入端接的电容C1和C2应足够大,并且C1=C2,容值可选2μF以上。同样,电阻R14、R15也应足够大,并且R14=R15,阻值可选100 kΩ以上。熔断器F11和F12用于保护开关管Q1和Q2,防止电流过大。
变压器T1和电阻R16、R17、R18、R19组成脉冲驱动模块,为Q1和Q2提供互补的触发信号。由于IGBT的驱动电压应小于20 V,而T12,T14间的输入电压约12 V,因此变压器T1变比设计为1:1:1.R18、R19用于限流作用,可选20 Ω左右的电阻。在本超声波清洗机中,上下两个IGBT器件留有一定的死区时间,以防止两者同时导通。
2.3 变压与线性稳压
220 V50 Hz交流电经变压器T4降压为12 V,再经整流桥B4整流、C41滤波以及U1(L7812)线性稳压后,输出12 V直流电压,给PWM发生与控制模块供电。同时,直流12 V再经U2(L7805)二次稳压变为5 V,为处理器IAP15F2K61S2工作提供电源。LED1发光二极管,起电源指示作用。为了减少电压的脉动系数,加入了电容C43、C44多次滤波。基于STC单片机的超声波清洗机设计方案图4 降压与线性稳压
2.4 PWM发生与控制模块以及驱动模块
在本超声波清洗机中,以KA3525A作为PWM发生与控制芯片。如图5所示,KA3525A振荡频率的设定范围为20~40 kHz,芯片的脚5和脚7间串联一个电阻Rd就可以在较大范围内调节死区时间。KA3525A的振荡频率可表示为:
基于STC单片机的超声波清洗机设计方案
式中:CT、RT分别是与脚5、脚6相连的振荡器的电容和电阻;Rd是与脚7相连的放电端电阻。此处:Rd、CT、RT分别为图中的R52、C5、(R51 Rp51)。其中,Rp51为精密可调电阻,即通过R1和R2可以调节PWM输出频率。管脚8接一个电容C51用来软启动,减少功率开关管的开机冲击。11和14脚输出两路互补的PWM波,经中功率的三极管Q1、Q2、Q3、Q4放大,再经脉冲驱动变压器T1驱动两个IGBT,控制逆变模块实现半桥逆变(如图3所示)。高频变压器T1起隔离强电与弱电的作用,增强了驱动能力和电源的可靠性。基于STC单片机的超声波清洗机设计方案图5 PWM发生与控制模块
2.5 功率调节模块
功率调节的实现原理:通过IAP15F2K61S2单片机的一个AD口检测调功电阻上电压大小,再通过模数转换获得AD数值。再根据此值控制双向可控硅TR1过零延时触发,即通过控制触发脉冲的相位来控制输出功率。其中,图6为过零触发原理图,12 V交流电经二极管D31、D32整流以及R31、R32、R33限流限压,再经三极管Q3检测过零点。当电网电压过零时,P3.3产生负脉冲。另外,IAP15F2K61S2单片机的P3.3口是一个外部中断口,通过检测过零脉冲获得工频电压的过零点。基于STC单片机的超声波清洗机设计方案图6过零触发原理图
2.6 调谐匹配与阻抗匹配模块
超声波电源与换能器的匹配主要是调谐匹配和阻抗匹配。在调谐匹配中为减少静电抗产生的无功损耗,使压电换能器输出功率,需要通过匹配使换能器近似于纯电阻状态,提高超声波电源输出效率。另外,若完成了调谐匹配时,即负载为纯电阻状态时,为使电源输出功率,需要令实际负载和电源的输出阻抗相等,而实现方法为:通过高频变压器使换能器的阻抗变换为超声波电源的输出阻抗,从而使压电换能器输出功率。
图7为超声波清洗机调谐匹配与阻抗匹配模块。其中,虚线框内为压电换能器的等效电路图。基于STC单片机的超声波清洗机设计方案图7调谐匹配与阻抗匹配
其中,Co是压电换能器的静态电容,主要是由夹持而产生的电容,它是一个真实的电学量;Ro是压电换能器的介电损耗电阻,一般认为Ro无穷大,通常忽略不计;Ld、Cd、Rd分别为压电换能器的动态电感、动态电容和动态电阻。当Ld、Cd处于谐振时,串联支路为纯阻。在串联电感调谐匹配作用下,超声波电源的整个负载呈现出纯电阻性。当电源的输出电压稳定时,阻性负载上得到的功率只和负载的阻值有关,因此,需要采用高频变压器来进行阻抗变换,从而使超声波电源能够以功率输出。
3 结束语
文中根据实际需求,以STC一款型号为IAP15F2K61S2的单片机作为控制,提出了超声波清洗机系统整体设计方案。根据设计方案,进行了软件、硬件的设计和调试,保证其工作频率在20~50 kHz范围内连续可调,死区时间稳定,从而使与超声波电源与压电换能器匹配后能够产生大功率的超声波。根据设计制作出了一款具有调功、调频、定时功能的超声波清洗机。通过现场试验,本超声波电源系统能够长时间稳定地工作。
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