超聲波電源說(shuō)明書(shū)

1、大學(xué)生挑戰(zhàn)杯科技制作超聲波振動(dòng)篩自動(dòng)控制電源第九屆“挑戰(zhàn)杯”河南省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽 作品說(shuō)明書(shū)作品名稱： 超聲波振動(dòng)篩自動(dòng)控制電源 學(xué)校： 河南師范大學(xué) 團(tuán)隊(duì)： ZJ小組 指導(dǎo)老師： 袁 延 忠 前言超聲技術(shù)是聲學(xué)中發(fā)展最迅速、應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域。尤其在近年來(lái),隨著電子技術(shù)和材料科學(xué)等方面的飛速發(fā)展,大功率超聲技術(shù)如超聲清洗、超聲焊接、超聲加工、超聲霧化、超聲乳化、超聲粉碎等在國(guó)民經(jīng)濟(jì)相關(guān)行業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣,這又反過(guò)來(lái)促進(jìn)了對(duì)功率超聲機(jī)理和應(yīng)用等方面的研究。在超聲振動(dòng)加工中, 為得到大的振幅以提高加工質(zhì)量, 發(fā)揮超聲加工的優(yōu)越性, 要求振動(dòng)系統(tǒng)工作在諧振狀態(tài)。一般, 換能器振動(dòng)系統(tǒng)工

2、作前, 通過(guò)調(diào)節(jié)電源的電頻率, 可滿足 系統(tǒng)處于共振的工作條件。但是, 在實(shí)際加工中, 由于負(fù)載的變化、系統(tǒng)發(fā)熱等一系因素 的影響, 使振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率發(fā)生變化, 此時(shí), 若不及時(shí)調(diào)整換能器的電源頻率 即不采用自動(dòng)頻率跟蹤 , 振動(dòng)系統(tǒng)將工作在非諧振狀態(tài), 從而使振動(dòng)系統(tǒng)的輸出振幅減小, 造成加工質(zhì)量下降, 當(dāng)失諧嚴(yán)重時(shí), 超聲振動(dòng)加工的優(yōu)越性消失 。因此, 在超聲振動(dòng)加工中采用自動(dòng)頻率跟蹤是非常必要的 目錄前言2一 項(xiàng)目背景 4二 設(shè)計(jì)目的 5三 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 63.1 電流控制型PWM的設(shè)計(jì)63.2 單片機(jī)采集數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)73.3 PID算法73.4 自動(dòng)跟蹤頻率83.5 DDS高精度振蕩源的

3、應(yīng)用8四 系統(tǒng)流程圖.9五 作品創(chuàng)新點(diǎn)與技術(shù)指標(biāo)10六 作品應(yīng)用前景11七 作品原理圖 12八 作品部分代碼13九 附件16項(xiàng)目背景超聲振動(dòng)篩是將220V、50Hz或110V、60Hz電能轉(zhuǎn)化為18KHz的高頻電能，輸入超聲換能器，將其變成18KHz機(jī)械振動(dòng)，從而達(dá)到高效篩分和清網(wǎng)的目的。該系統(tǒng)在傳統(tǒng)的振動(dòng)篩基礎(chǔ)上在篩網(wǎng)上引入一個(gè)低振幅、高頻率的超聲振動(dòng)波（機(jī)械波），以改善超微細(xì)分體的篩分性能。特別適合高附加值精細(xì)分體的用戶使用作為超聲波振動(dòng)篩的核心部分電源的設(shè)計(jì)尤為重要，就目前人工手動(dòng)控制電源而言，由于振動(dòng)篩篩選出的是200目以上的極微小顆粒，篩選成霧狀，生產(chǎn)環(huán)境及其惡劣，不適于人長(zhǎng)期工作。

4、而且，人工控制準(zhǔn)確度不高，不能及時(shí)地跟蹤振動(dòng)篩的頻率。而本產(chǎn)品正是克服了以上種種缺點(diǎn)。自動(dòng)控制電源采用PID控制，自動(dòng)掃描振動(dòng)篩的本振頻率，已達(dá)到快速、精確地動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)振源頻率，使之始終工作在最合適的頻率和電流，從而大大的提高了生產(chǎn)量。由于具有頻率掃描功能，因此適應(yīng)于所有型號(hào)的超聲換能器。換能器頻率偏移率低，能量轉(zhuǎn)換率達(dá)到95%以上，實(shí)現(xiàn)功率輸出最大化。系統(tǒng)兼容性好，自動(dòng)調(diào)節(jié)程度高，有很寬的頻率跟蹤范圍。電源可以輸出平穩(wěn)的能量和振幅，并對(duì)換能器的最大輸出功率、振幅、電壓進(jìn)行限制，電源有過(guò)壓、過(guò)溫、過(guò)流等多重保護(hù)手段。我們?cè)O(shè)計(jì)的作品可適用于各種超聲波系統(tǒng)中，制藥、冶金、化工、選礦、食品等要求精細(xì)篩

5、分過(guò)濾的行業(yè)，所以本作品具有很好的應(yīng)用價(jià)值。項(xiàng)目設(shè)計(jì)目的目前，超聲波振動(dòng)篩的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，由于普通機(jī)械式振動(dòng)篩只能篩分200目以下的顆粒，對(duì)于200-600目的顆粒，只有采用更高的振動(dòng)頻率。超聲波振動(dòng)的頻率可以從20KHZ到60KHZ，對(duì)于微小顆粒篩分具有很好的效果。超聲波振動(dòng)的實(shí)現(xiàn)原理是：利用振蕩源同步驅(qū)動(dòng)PMW專用電路SG3525，驅(qū)動(dòng)脈沖再經(jīng)功率放大電路，驅(qū)動(dòng)超聲波換能器，從而產(chǎn)生高頻振動(dòng)。在超聲振動(dòng)加工中，為大幅提高加工質(zhì)量，發(fā)揮超聲加工的優(yōu)越性，要求振動(dòng)系統(tǒng)工作在諧振狀態(tài)。一般，換能器振動(dòng)系統(tǒng)工作前，通過(guò)調(diào)節(jié)電源的頻率，使之滿足系統(tǒng)處于共振狀態(tài)。但是，在實(shí)際運(yùn)行中，由于負(fù)載的變化、

6、系統(tǒng)發(fā)熱等一系列因素的影響，使振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率不斷發(fā)生隨機(jī)性變化。當(dāng)換能器的頻率偏離其供電頻率時(shí)，便幾乎停止振動(dòng)。而在目前的生產(chǎn)工作中，超聲波電源以人工手動(dòng)控制居多，從而無(wú)法快速、精確、及時(shí)地調(diào)整換能器的電源頻率, 振動(dòng)系統(tǒng)將工作在非諧振狀態(tài)，從而使振動(dòng)系統(tǒng)的輸出振幅減小，造成加工質(zhì)量下降。因此，在超聲振動(dòng)加工中采用自動(dòng)頻率跟蹤是非常必要的。為了彌補(bǔ)目前市場(chǎng)上超聲共振篩存在的這些缺陷，我們想到了研制出一種在工作過(guò)程中可以自動(dòng)掃描設(shè)備頻率并進(jìn)行調(diào)頻的自動(dòng)控制電源。系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 電流控制型PWM的設(shè)計(jì)脈沖寬度調(diào)制 脈沖寬度調(diào)制（PWM）是英文“Pulse Width Modulation”的縮

7、寫(xiě)，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制。它是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于測(cè)量，通信，功率控制與變換等許多領(lǐng)域。一種模擬控制方式，根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來(lái)調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶 體管或晶體管導(dǎo)通時(shí)間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定。 脈沖寬度調(diào)制（PWM）是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過(guò)高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來(lái)對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(wú)(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)

8、的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開(kāi)的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。 3.2 單片機(jī)采集數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集是分析模擬信號(hào)量數(shù)據(jù)的有效方法。而實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)是自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)需求。在測(cè)試空空導(dǎo)彈導(dǎo)引頭的過(guò)程中，導(dǎo)引頭的響應(yīng)信號(hào)包括內(nèi)部二次電源信號(hào)和模擬量電壓信號(hào)。檢測(cè)過(guò)程中要求檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示導(dǎo)引頭的工作狀態(tài)，顯示二次電源和模擬量響應(yīng)電壓信號(hào)，判斷導(dǎo)引頭性能，同時(shí)保證在非常情況下人為對(duì)導(dǎo)引頭做出應(yīng)急處理，保護(hù)導(dǎo)引頭。對(duì)于模擬量電壓信號(hào)，通常采用模數(shù)轉(zhuǎn)換、事后數(shù)據(jù)標(biāo)定的方法實(shí)現(xiàn)。根據(jù)現(xiàn)實(shí)需求，研制相應(yīng)檢測(cè)系統(tǒng)

9、可作為導(dǎo)引頭日常維護(hù)和修理的重要工具。3.3 PID算法在過(guò)程控制中，按偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進(jìn)行控制的PID控制器（亦稱PID調(diào)節(jié)器）是應(yīng)用最為廣泛的一種自動(dòng)控制器。它具有原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，適用面廣，控制參數(shù)相互獨(dú)立，參數(shù)的選定比較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；而且在理論上可以證明，對(duì)于過(guò)程控制的典型對(duì)象“一階滯后純滯后”與“二階滯后純滯后”的控制對(duì)象，PID控制器是一種最優(yōu)控制。PID調(diào)節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法，它的參數(shù)整定方式簡(jiǎn)便，結(jié)構(gòu)改變靈活（PI、PD、）。控制點(diǎn)目前包含三種比較簡(jiǎn)單的控制算法，分別是：增量式算法，位置式算法，微分先行。 這三種算法雖然簡(jiǎn)單，但各有

10、特點(diǎn)，基本上能滿足一般控制的大多數(shù)要求。 PID增量式算法離散化公式： 注：各符號(hào)含義如下 u(t)控制器的輸出值。 e(t) 控制器輸入與設(shè)定值之間的誤差。 Kp 比例系數(shù)。 Ti積分時(shí)間常數(shù)。 Td 微分時(shí)間常數(shù)。 T調(diào)節(jié)周期3.4 自動(dòng)跟蹤頻率在超聲振動(dòng)加工中, 為得到大的振幅以提高加工質(zhì)量, 發(fā)揮超聲加工的優(yōu)越性, 要求振動(dòng)系統(tǒng)工作在諧振狀態(tài)。一般, 換能器振動(dòng)系統(tǒng)工作前, 通過(guò)調(diào)節(jié)電源的電頻率, 可滿足系統(tǒng)處于共振的工作條件但是, 在實(shí)際加工中, 由于負(fù)載的變化、系統(tǒng)發(fā)熱等一系列因素 影響, 使振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率發(fā)生變化, 此時(shí), 若不及時(shí)調(diào)整換能器的電源頻率 即不采用自動(dòng)頻率跟蹤

11、, 振動(dòng)系統(tǒng)將工作在非諧振狀態(tài), 從而使振動(dòng)系統(tǒng)的輸出振幅減小, 造成加工質(zhì)量下降, 當(dāng)失諧嚴(yán)重時(shí), 超聲振動(dòng)加工的優(yōu)越性消失 因此, 在超聲振動(dòng)加工中采用自動(dòng)頻率跟蹤是非常必要的。所謂自動(dòng)頻率跟蹤, 是指在加工過(guò)程中, 當(dāng)由換能器、變幅桿、刀具組成的振動(dòng)系統(tǒng)在外界因素影響下, 其固有振動(dòng)頻率發(fā)生變化時(shí), 控制系統(tǒng)能立即發(fā)現(xiàn)變化后的固有頻率并及時(shí)調(diào)整供電頻率與變化后的固有頻率相同, 使振動(dòng)系統(tǒng)始終工作在諧振狀態(tài), 以維持振動(dòng)系統(tǒng)的最大振幅 或者說(shuō)是維持最大振動(dòng)速度 。若在所有情況下, 均能保證供電頻率 fg 與振動(dòng)系統(tǒng)固有頻率fo 相等, 則自動(dòng)頻率跟蹤系統(tǒng)是理想的, 但這是非常困難和不易實(shí)現(xiàn)

12、的。對(duì)于一個(gè)實(shí)際的跟蹤系統(tǒng)來(lái)說(shuō), 只要能使供電頻率fg 與振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率fo 比較接近, 頻率失調(diào)f1= f o - f g 較小 f 1 f即可。2f稱為振動(dòng)系統(tǒng)的有效帶寬, 在此帶寬范圍內(nèi), 系統(tǒng)的振幅不會(huì)下降3.5 DDS高精度振蕩源的應(yīng)用一塊DDS芯片中主要包括頻率控制寄存器、高速相位累加器和正弦計(jì)算器三個(gè)部分（如Q2220）。頻率控制寄存器可以串行或并行的方式裝載并寄存用戶輸入的頻率控制碼；而相位累加器根據(jù) 頻率控制碼在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)進(jìn)行相位累加，得到一個(gè)相位值；正弦計(jì)算器則對(duì)該相位值計(jì)算數(shù)字化正弦波幅度（芯片一般通過(guò)查表得到）。DDS芯片輸出的一般是數(shù)字化的正弦波，因此還需經(jīng)過(guò)

13、高速D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器才能得到一個(gè)可用的模擬頻率信號(hào)頻率分辨率高，輸出頻點(diǎn)多，可達(dá)2的N次方個(gè)頻點(diǎn)(N為相位累加器位數(shù))； 頻率切換速度快，可達(dá)us量級(jí)； 頻率切換時(shí)相位連續(xù)； 可以輸出寬帶正交信號(hào)； 輸出相位噪聲低，對(duì)參考頻率源的相位噪聲有改善作用； 可以產(chǎn)生任意波形； 全數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，便于集成，體積小，重量輕。 在各行各業(yè)的測(cè)試應(yīng)用中，信號(hào)源扮演著極為重要的作用。但信號(hào)源具有許多不同的類型，不同類型的信號(hào)源在功能和特性上各不相同，分別適用于許多不同的應(yīng)用。目前，最常見(jiàn)的信號(hào)源類型包括任意波形發(fā)生器，函數(shù)發(fā)生器，RF信號(hào)源，以及基本的模擬輸出模塊。信號(hào)源中采用DDS技術(shù)在當(dāng)前的測(cè)試測(cè)量行

14、業(yè)已經(jīng)逐漸稱為一種主流的做法。系統(tǒng)流程圖 核心A：頻率跟蹤，調(diào)整程序 開(kāi)機(jī)頻段一初始化掃描諧振電流是否合適（否轉(zhuǎn)B）A電流是否合適繼續(xù)原頻率轉(zhuǎn)至A B ：切換頻段2諧振頻率是否合適（否轉(zhuǎn)C）A電流是否合適（否轉(zhuǎn)D）繼續(xù)原頻率轉(zhuǎn)至A C ：LED顯示錯(cuò)誤信息D ：PID算法送出新的頻率 作品創(chuàng)新點(diǎn)與技術(shù)指標(biāo)創(chuàng)新點(diǎn)：采用PID控制算法實(shí)現(xiàn)振動(dòng)系統(tǒng)頻率的自動(dòng)跟蹤，從而自動(dòng)調(diào)節(jié)振源頻率，程序中有頻率掃描和跟蹤功能，并快速分析出頻率變化和功率變化的區(qū)別，匹配調(diào)整電路，可以方便的根據(jù)負(fù)載的變化為換能器找到最佳的工作點(diǎn)，從而自動(dòng)調(diào)節(jié)振源頻率和占空比，巧妙地避免了因?yàn)轭l率的失諧而造成的設(shè)備工作缺陷。技術(shù)關(guān)鍵：

15、 1：PID算法的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。2：PMW控制芯片的實(shí)現(xiàn)3：頻率跟蹤和功率調(diào)整電路的實(shí)現(xiàn)。4：DDS高精度振蕩源的應(yīng)用。5：12864顯示屏的應(yīng)用。6：?jiǎn)纹瑱C(jī)AD和DA的應(yīng)用技術(shù)指標(biāo)：1.跟蹤時(shí)間：2秒鐘2.頻率調(diào)整精度：3赫茲3.頻率穩(wěn)定度：20PPM4.AD、DA為12位精度5.頻率分辨率：0.004赫茲作品應(yīng)用前景本產(chǎn)品在市場(chǎng)上現(xiàn)有的為數(shù)很少的頻率自動(dòng)跟蹤電源的基礎(chǔ)上進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)目前各種頻率跟蹤方法的比較,本產(chǎn)品選用了可以使系統(tǒng)獲得較高功率因數(shù)的鎖相式頻率跟蹤方式進(jìn)行研究。為了改善鎖相系統(tǒng)在用于跟蹤換能器串聯(lián)諧振頻率時(shí)的性能,提出了一種新的方案。針對(duì)諧振頻率附近采樣信號(hào)差的問(wèn)題,

16、我們采用帶通濾波器對(duì)電流采樣信號(hào)進(jìn)行整形,分析了濾波器對(duì)換能器頻率跟蹤的影響,并設(shè)計(jì)了具體的跟蹤電路。鎖相式頻率跟蹤結(jié)合換能器并聯(lián)諧振頻率的自動(dòng)功率調(diào)節(jié),在超聲設(shè)備中是一種理想的工作方式,它能夠在不增加電路復(fù)雜性的情況下實(shí)現(xiàn)換能器功率的自動(dòng)調(diào)節(jié),同時(shí)保持系統(tǒng)有較高的功率因數(shù)。這對(duì)于簡(jiǎn)化超聲設(shè)備、提高適應(yīng)負(fù)載能力都是十分有意義的。 本產(chǎn)品克服了其他相關(guān)產(chǎn)品的種種缺點(diǎn)，為自動(dòng)化、高效率生產(chǎn)，高精度調(diào)節(jié)提供了方便，具有跟隨速度快、頻率跟蹤準(zhǔn)確、電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，這種自動(dòng)跟蹤頻率技術(shù)可應(yīng)用于各種超聲設(shè)備以及行業(yè)當(dāng)中，如清洗、焊接、粉碎篩選等等，具有很好的市場(chǎng)前景。作品原理圖作品部分代碼振動(dòng)

17、篩程序 該程序?yàn)閏puda自動(dòng)調(diào)整的程序;$NOMOD51#include <c8051f410.inc> / SFR declarations;ad頻率最高200k;-;標(biāo)記位定義;SPEAKER BIT P1.0SDAT EQU P0.3SCLK EQU P0.2TFS EQU P0.1ERR_BIT BIT 00H ;20.0RATIO_CHANGE_BIT BIT 01HSCAN_OK_FLG BIT 02H ;電流掃描正確標(biāo)記;MICRO_SCAN_BIT BIT 03H SCAN_LCD_SW BIT 04H RPT_SCAN_LOT_FLG BIT 05HTIME_O

18、K BIT 06HSML_DWN_UP_FLG BIT 07HBIG_DWN_UP_FLG BIT 08H;SCAN_DWN_EN BIT 09HCHK_FLG BIT 0AHUPDAT_SW BIT 0BHSCANING_FLG BIT 0CH ;正在掃描標(biāo)記DA_ERROR_BIT BIT 0DHDA_SCAN_BIT BIT 0EH;AD_INPUT IS P0.6;DA_OUT EQU P0.0SHUT_OFF EQU P0.7 ;軟啟動(dòng)KEY_1 EQU P0.5KEY_2 EQU P0.4;*;RS EQU P2.7 ;1=DATA,0=CMD;RW EQU P2.6 ;1=RD,

19、 0=WR;LCD_EN EQU P2.5 ;1=ENABLE 0=DISABLE;新版為下面的端口RS EQU P2.2 ;1=DATA,0=CMDRW EQU P2.1 ;1=RD, 0=WRLCD_EN EQU P2.0 ;1=ENABLE 0=DISABLEDS1302_CS EQU P2.3 ;時(shí)鐘片選端DS1302_IO EQU P2.4 ;時(shí)鐘數(shù)據(jù)端DS1302_CLK EQU P2.5 ;時(shí)鐘KB6 EQU P2.6 ;管理鍵盤;RAM DEFINE;-KEY_VAL EQU 23HDLY_MS_CNTR EQU 24HAX EQU 25HBX EQU 26HLOOP_CNTR

20、 EQU 27H ;用于子程序計(jì)數(shù)器，不受全局保護(hù)，但在子程序內(nèi)部不變ADJ_MIN_RATIO EQU 28HMAX_VAL_H EQU 29HMAX_VAL_L EQU 2AHMAX_INDEX_H EQU 2BHMAX_INDEX_L EQU 2CHSCAN_LOOP_TIMES EQU 2DHBIG_ERROR_CNTR EQU 2EH ;電流大的時(shí)候調(diào)整的錯(cuò)誤次數(shù)RPT_SCAN_TIMES EQU 2FHADJ_POINTER_L EQU 30HADJ_POINTER_H EQU 31HBEST_MAX_H EQU 32HBEST_MAX_L EQU 33HEEX EQU 34HB

21、EST_MIN_H EQU 35H ;調(diào)整時(shí)設(shè)定的最小電流BEST_MIN_L EQU 36H ;按最大電流的90%設(shè)定PWM_INDEX EQU 37HADJ_MAX_RATIO EQU 38HLCD_SCAN_CNTR EQU 39HNUM_OF_SCAN EQU 3AHBIT_CNTR EQU 3BHSCAN_INDEX_H EQU 3CHSCAN_INDEX_L EQU 3DHSETTING_PWM_INDEX EQU 3EHSURE_SCAN_CNTR EQU 3FHDDS_CTL_WDH EQU 40HDDS_CTL_WDL EQU 41HFREQ1_WDH EQU 42HFREQ1_WDL EQU 43HFREQ0_WDH EQU 44HFREQ0_WDL EQU