隨著計算機(jī)軟硬件技術(shù)、電力電子技術(shù)及信號處理技術(shù)的飛速發(fā)展，超聲波獲得了非常廣泛的應(yīng)用。近年來，由于微機(jī)的廣泛應(yīng)用，構(gòu)成計算機(jī)控制的智能控制系統(tǒng)或裝置越來越多。這里基于PWM技術(shù)，應(yīng)用單片機(jī)組成智能控制系統(tǒng)，對目前的大功率、高頻率、高性能的智能化超聲波電源技術(shù)進(jìn)行了研究。

　　1 系統(tǒng)的硬件電路組成

　　系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，他包含功率變換主電路和控制電路兩大部分。主電路采用交-直-交結(jié)構(gòu)，包括整流、直流濾波器、逆變器、變壓器及負(fù)載等組成部分。其中，交-直部分為橋式整流，經(jīng)過電解電容器慮波得到平穩(wěn)電流。逆變器選用IGBT作為開關(guān)元件，電路在傳統(tǒng)橋式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上加入一個簡潔的輔助網(wǎng)絡(luò)，形成移相控制全橋逆變器，該電路可以在任意負(fù)載和輸入電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)(ZVS)，減少損耗，提高了電源利用效率。

　　逆變器的控制電路在整個系統(tǒng)中至關(guān)重要，這里采用MCS-96系列8089單片機(jī)作為智能控制部分的核心，采用正弦脈寬調(diào)制方式(SPWM)對逆變器進(jìn)行控制，用以實(shí)現(xiàn)功率匹配和頻率跟蹤的數(shù)字化技術(shù)。

　　1.1 單片機(jī)控制系統(tǒng)

　　本控制系統(tǒng)由MCS-96系列8089單片機(jī)、74LS138地址譯碼、EPROM2764和RAM6264等構(gòu)成最小微機(jī)系統(tǒng)，完成超聲波頻率給定、載頻頻率設(shè)定，模擬輸出單極性正弦波恒幅脈寬調(diào)制信號(SPWM)，還可實(shí)現(xiàn)功率、頻率顯示以及過壓、過流、過溫保護(hù)控制。

　　超聲波電源系統(tǒng)中負(fù)載換能器工作在諧振狀態(tài)，為了保證負(fù)載端電流和電壓同頻同相，要加上同步鎖相環(huán)。因此，本文逆變環(huán)節(jié)采用雙環(huán)結(jié)構(gòu)的PWM控制方式，控制框圖如圖2所示。

　　同步電壓信號由相位及峰值檢測電路送至單片機(jī)鎖相處理，單片機(jī)通過D／A數(shù)模轉(zhuǎn)換口輸出與同步電壓同相位的標(biāo)準(zhǔn)正弦波，外部電壓環(huán)通過將直流母線電壓給定信號U*d與實(shí)際的直流母線電壓Ud進(jìn)行比較后得到的誤差信號送入PI調(diào)節(jié)器，PI調(diào)節(jié)器的輸出則為要控制的輸出電流幅值指令信號Im，這里電壓環(huán)的PI調(diào)節(jié)器在單片機(jī)內(nèi)部用軟件來實(shí)現(xiàn)。電流幅值指令信號Im與標(biāo)準(zhǔn)正弦波相乘后得到了幅值可調(diào)的正弦電流給定信號i*a，與實(shí)際的輸出電流反饋信號ia進(jìn)行比較，電流誤差信號經(jīng)比例調(diào)節(jié)器(為減小穩(wěn)態(tài)誤差，這里采用大比例控制，由外部硬件電路實(shí)現(xiàn))放大后送入比較器，再與三角載波信號比較形成SPWM信號，該SPWM信號經(jīng)過驅(qū)動電路去驅(qū)動主電路開關(guān)器件，便可使實(shí)際的輸出電流跟蹤給定信號，從而達(dá)到與同步電壓保持同相位變化，提高了輸出的功率因數(shù)，同時由于輸出電流的幅值決定了輸出功率的大小，那么幅值可調(diào)也決定了輸出功率的可調(diào)，并且也達(dá)到了控制支流母線電壓的目的。

　　1.2 SPWM原理和波形

　　脈寬調(diào)制逆變器簡稱PWM，簡單地說，是通過控制逆變器內(nèi)部開關(guān)器件的通、斷順序和時間分配規(guī)律，調(diào)控逆變器輸出電壓中基波電壓的大小和頻率，增大輸出電壓中最低階次諧波的階次，并減小其諧波的數(shù)值，來達(dá)到調(diào)控其輸出電壓，同時又改善輸出電壓波形的目的。

　　本文采用單極性正弦波恒幅脈寬調(diào)制信號(SPWM)，調(diào)制原理見圖3。圖3中，Uc是載波信號，Ur調(diào)制信號，利用采樣控制理論中沖量等效原理，在他們相交點(diǎn)可得到一組等幅矩形脈沖，脈寬和正弦曲線下的面積成正比，脈寬基本上呈正弦分布。從圖中也可以看出在單極性調(diào)制時，Uc是與Ur始終保持同極性的關(guān)系，即正弦波處于正半周時，載頻信號也在正值范圍內(nèi)變化，產(chǎn)生正的調(diào)制脈沖序列，與此相同，在負(fù)半周產(chǎn)生負(fù)的調(diào)制脈沖序列。根據(jù)在正弦波半周內(nèi)載頻信號的頻率，可以確定產(chǎn)生調(diào)制脈沖的數(shù)目，這樣也就同時決定了控制各個功率管的通斷次數(shù)。SPWM產(chǎn)生的調(diào)制波是一系列等幅、等距而不寬的脈沖序列。

　　1.3 軟鎖相

　　鎖相環(huán)是一個相位反饋控制系統(tǒng)。鎖相環(huán)由三部分組成，即鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LPF)和壓控振蕩器(VCO)，其基本構(gòu)成如圖4所示。其主要工作原理：輸入電壓與輸出Ui與輸出Uo通過鑒相器PD進(jìn)行相位比較，得到相位誤差信號Ue，Ue再經(jīng)過低通濾波器LPF產(chǎn)生控制電壓Ud，Ud加到壓控振蕩器VCO上使之產(chǎn)生頻率偏移，從而跟蹤輸入信號的頻率，當(dāng)輸入信號頻率與輸出信號頻率相同時，鎖相環(huán)鎖定，從而實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤。

　　本文利用單片機(jī)8089實(shí)現(xiàn)軟鎖相。鎖相部分的軟件設(shè)計主要分兩個部分，一是輸入電壓U的相位檢測；二是電流指令正弦波的輸出。

　　相位的檢測利用8089單片機(jī)的外部中斷實(shí)現(xiàn)，其P0.7引腳的正跳變信號觸發(fā)中斷，連續(xù)兩次正跳變的時間間隔即為負(fù)載基波電壓的周期丁Ts。

　　正弦電流指令的產(chǎn)生由8089單片機(jī)與D／A轉(zhuǎn)換器共同完成，他是由N級階梯波近正弦。8089單片機(jī)有2個定時器和4個軟件定時器，且均可產(chǎn)生中斷，軟件定時器的中斷時間間隔可設(shè)定，利用他來產(chǎn)生正弦的數(shù)字信號。首先根據(jù)D／A轉(zhuǎn)換器的參數(shù)生成基準(zhǔn)正弦Su的正弦表，綜合考慮8089單片機(jī)的運(yùn)算速度以及控制程序的運(yùn)行等，選取合適的正弦表點(diǎn)數(shù)(亦即階梯波的階梯數(shù))N，則每個階梯所占的時間為Ts／N。在軟件定時器中斷服務(wù)程序中，首先設(shè)定下一次的軟定時中斷時間Ts／N，再利用查表法實(shí)現(xiàn)i*=α?Su，這里α為正弦的比例系數(shù)，由電壓環(huán)的誤差電壓決定其大小。

　　以上分析了相位的檢測和正弦電流指令的產(chǎn)生，接下來是實(shí)現(xiàn)正弦指令與輸入電壓的同步。在利用查表法產(chǎn)生正弦時，正弦表指針P對正弦表循環(huán)計數(shù)(0～N)。當(dāng)發(fā)生外中斷，即負(fù)載基波電壓過零時，正弦電流指令也應(yīng)該正向過零點(diǎn)，所以在外部中斷服務(wù)程序里，應(yīng)該修改指針P，使P位于正弦表的正向過零點(diǎn)。然而由于存在軟硬件的延時，往往不能將P指向正弦表的正向過零點(diǎn)，而應(yīng)指向p*(這里p*與正弦表的正向過零點(diǎn)有一個偏差△p)，才能使D／A輸出的電流指令i*與輸入電壓U的相位差為0。p*的選取需要在實(shí)驗(yàn)中確定，于是在外中斷服務(wù)程序里將P指向p*。

　　2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　2.1 主程序

　　主程序包含初始化子程序、顯示子程序和采樣子程序以及中斷程序地址的設(shè)定，參數(shù)的設(shè)定等，開放軟中斷以及軟定時中斷等。初始化子程序中，對各寄存器設(shè)定初值，對單片機(jī)本身的I／O口、定時器設(shè)定工作方式。顯示子程序可對電壓與電流信號進(jìn)行定時采樣，A／D轉(zhuǎn)換后，經(jīng)I／O口輸出，進(jìn)行動態(tài)顯示。本系統(tǒng)還可對超聲波電源頻率、功率進(jìn)行設(shè)定、顯示。

　　2.2 中斷服務(wù)子程序

　　中斷服務(wù)子程序分為外部中斷服務(wù)程序和軟件定時器中斷服務(wù)程序

　　2.2.1 外部中斷服務(wù)程序

　　外部中斷服務(wù)程序中主要完成以下任務(wù)：在每次發(fā)生外部中斷時，把指針P重新指向p*，同時將正弦表點(diǎn)數(shù)即階梯數(shù)賦給初值(這里程序中一共在一個周期中設(shè)置了125個正弦表點(diǎn)數(shù)，每次外中斷發(fā)生時，依次輸出125個點(diǎn)即完成正弦電流指令的輸出)，并設(shè)置外中斷發(fā)生標(biāo)志和采樣標(biāo)志。

　　2.2.2 軟件定時器中斷服務(wù)程序

　　軟件定時器根據(jù)母線電壓PI子程序計算的正弦比例來實(shí)現(xiàn)正弦波的輸出，或者也可以通過軟件設(shè)置為固定的比例輸出，即固定的功率輸出。由于采用周期控制，一個周期20 ms，正弦表點(diǎn)數(shù)取為125，所以大約160μs發(fā)生一次中斷。其程序流程圖如圖5所示。

　　2.3 母線電壓PI調(diào)節(jié)子程序

　　母線電壓采樣信號送人CPU后，由軟件來實(shí)現(xiàn)電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)的數(shù)字化，本文采用增量型PI算法，其表達(dá)式為：

　　令A(yù)=KP+KIT，B=KP，他們是與比例系數(shù)、積分系數(shù)、采樣周期相關(guān)的系數(shù)。則上式可簡化為u(k)=u(k-1)+Ae(k)-Be(k-1)，那么數(shù)字PI控制算法的程序流程圖如圖6所示。

　　3 結(jié) 語

　　基于SPWM技術(shù)的大功率超聲波電源由于采用單片機(jī)智能控制系統(tǒng)，從而使電源頻率可實(shí)現(xiàn)人工設(shè)定，輸出電壓亦可通過調(diào)節(jié)可控整流角α而改變；鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)輸出電流與電壓保持同頻同相，從而能將電能以近似于1的功率因數(shù)，提高了電能利用率；同時采用高頻調(diào)制后可獲得高質(zhì)量的輸出電流波形，抑制了高次諧波，使換能器損耗減小，從而可為大功率超聲波換能器在各個領(lǐng)域應(yīng)用提供性能優(yōu)良的超聲波電源。