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基於STC單片機的超聲波清洗機設計方案

來源:www.gztone.com 日期:2020-05-14 08:50:00 瀏覽:0

 隨著超聲波技術的不斷發展,超聲波廣泛應用於檢測、清洗、焊接、醫療等領域,甚至在紡織、航空領域也能見到它的蹤跡。目前,超聲的研究和應用可分為功率超聲和檢測超聲兩大領域,超聲清洗是功率超聲最為廣泛的應用之一。關鍵詞:

  超聲波清洗機STC單片機

  隨著超聲波技術的不斷發展,超聲波廣泛應用於檢測、清洗、焊接、醫療等領域,甚至在紡織、航空領域也能見到它的蹤跡。目前,超聲的研究和應用可分為功率超聲和檢測超聲兩大領域,超聲清洗是功率超聲最為廣泛的應用之一。它通過換能器,將功率超聲的聲能轉換成機械振動,同時強超聲波在液體傳播時會產生“空化效應”。在空化氣泡突然閉合時發出的衝擊波可在其周圍產生上千個大氣壓力,對汙層的直接反複衝擊,一方麵破壞汙物與清洗件表麵的吸附,另一方麵也會引起汙物層的破壞而脫離清洗件表麵並使它們分散到清洗液中,以清除物體表麵的雜質、汙垢或油膩。與其他清洗相比,超聲波清洗具有效率高、能耗低、清潔環保的特點,特別在清洗複雜零件、盲孔、狹縫多的物件時,更凸顯它的優勢。

  1 超聲波清洗機總體方案設計

  文中設計的超聲波清洗機是以STC單片機為控製核心,包括整流濾波、逆變、IGBT驅動、PWM發生與控製、頻率掃描顯示、功率調節、調諧匹配與阻抗匹配模塊以及相關保護模塊。

圖1 超聲波清洗機原理框圖
圖1 超聲波清洗機原理框圖

  在超聲波清洗機中,220 V50 Hz的市電輸入後分為兩路,一路用來產生大功率超聲波,另一路用來檢測、控製與顯示的供電作用,具體如圖1所示。其中,通過雙向可控矽可控製清洗機的功率。逆變模塊為半橋逆變,把直流電壓逆變為高頻交流電壓,再經調諧匹配與阻抗匹配模塊的變壓器升壓以及電感匹配,可以高效率、最大功率地輸送到壓電換能器。最後,壓電換能器把超聲波電源輸出的電能轉化為高頻機械振動。

  2 超聲波清洗機各模塊設計原理

  2.1 整流濾波與功率調節模塊

  220 V50 Hz交流電經整流橋B1整流以及電解電容C12濾波後產生直流輸出電壓。其中雙向可控矽TR1用於功率調節,C11為安規電容,R11和C11主要用於消除高頻幹擾。而U1為光耦,型號可以選擇MOC3021,1腳和3腳接調功模塊。光耦U1起到隔離強弱電的作用,增強了電路的可靠性和安全性。
圖2 整流濾波模塊
圖2 整流濾波模塊

  在超聲波電源係統的工作過程中,整流濾波模塊與逆變模塊會發熱,可以將兩個模塊安裝在一個鋁片散熱器上,進行風冷散熱。這樣,係統可以更安全可靠工作。

  2.2 逆變與脈衝驅動模塊

  由於半橋逆變電路所用到的功率器件少,成本低,而且控製相對簡單,因此本文設計的超聲波清洗機采用半橋逆變電路。
圖3 半橋逆變模塊
圖3 半橋逆變模塊

  在半橋逆變電路中,兩個全控型開關器件為IGBT,即Q1與Q2和二極管D11和D12構成半橋逆變,在Q1和Q2上加以互補的信號,O1與Q2兩IGBT是輪流觸發的,即各交替進行導通。同時,在直流側輸入端接的電容C1和C2應足夠大,並且C1=C2,容值可選2μF以上。同樣,電阻R14、R15也應足夠大,並且R14=R15,阻值可選100 kΩ以上。熔斷器F11和F12用於保護開關管Q1和Q2,防止電流過大。

  變壓器T1和電阻R16、R17、R18、R19組成脈衝驅動模塊,為Q1和Q2提供互補的觸發信號。由於IGBT的驅動電壓應小於20 V,而T12,T14間的輸入電壓約12 V,因此變壓器T1變比設計為1:1:1.R18、R19用於限流作用,可選20 Ω左右的電阻。在本超聲波清洗機中,上下兩個IGBT器件留有一定的死區時間,以防止兩者同時導通。

  2.3 變壓與線性穩壓

  220 V50 Hz交流電經變壓器T4降壓為12 V,再經整流橋B4整流、C41濾波以及U1(L7812)線性穩壓後,輸出12 V直流電壓,給PWM發生與控製模塊供電。同時,直流12 V再經U2(L7805)二次穩壓變為5 V,為處理器IAP15F2K61S2工作提供電源。LED1發光二極管,起電源指示作用。為了減少電壓的脈動係數,加入了電容C43、C44多次濾波。

  圖4 降壓與線性穩壓

  2.4 PWM發生與控製模塊以及驅動模塊

  在本超聲波清洗機中,以KA3525A作為PWM發生與控製芯片。如圖5所示,KA3525A振蕩頻率的設定範圍為20~40 kHz,芯片的腳5和腳7間串聯一個電阻Rd就可以在較大範圍內調節死區時間。KA3525A的振蕩頻率可表示為:

  式中:CT、RT分別是與腳5、腳6相連的振蕩器的電容和電阻;Rd是與腳7相連的放電端電阻。此處:Rd、CT、RT分別為圖中的R52、C5、(R51+Rp51)。其中,Rp51為精密可調電阻,即通過R1和R2可以調節PWM輸出頻率。管腳8接一個電容C51用來軟啟動,減少功率開關管的開機衝擊。11和14腳輸出兩路互補的PWM波,經中功率的三極管Q1、Q2、Q3、Q4放大,再經脈衝驅動變壓器T1驅動兩個IGBT,控製逆變模塊實現半橋逆變(如圖3所示)。高頻變壓器T1起隔離強電與弱電的作用,增強了驅動能力和電源的可靠性。
圖5 PWM發生與控製模塊
圖5 PWM發生與控製模塊

  2.5 功率調節模塊

  功率調節的實現原理:通過IAP15F2K61S2單片機的一個AD口檢測調功電阻上電壓大小,再通過模數轉換獲得AD數值。再根據此值控製雙向可控矽TR1過零延時觸發,即通過控製觸發脈衝的相位來控製輸出功率。其中,圖6為過零觸發原理圖,12 V交流電經二極管D31、D32整流以及R31、R32、R33限流限壓,再經三極管Q3檢測過零點。當電網電壓過零時,P3.3產生負脈衝。另外,IAP15F2K61S2單片機的P3.3口是一個外部中斷口,通過檢測過零脈衝獲得工頻電壓的過零點。
圖6過零觸發原理圖
圖6過零觸發原理圖

  2.6 調諧匹配與阻抗匹配模塊

  超聲波電源與換能器的匹配主要是調諧匹配和阻抗匹配。在調諧匹配中為減少靜電抗產生的無功損耗,使壓電換能器輸出最大功率,需要通過匹配使換能器近似於純電阻狀態,提高超聲波電源輸出效率。另外,若完成了調諧匹配時,即負載為純電阻狀態時,為使電源輸出最大功率,需要令實際負載和電源的最佳輸出阻抗相等,而實現方法為:通過高頻變壓器使換能器的阻抗變換為超聲波電源的最佳輸出阻抗,從而使壓電換能器輸出最大功率。

  圖7為超聲波清洗機調諧匹配與阻抗匹配模塊。其中,虛線框內為壓電換能器的等效電路圖。
圖7調諧匹配與阻抗匹配
圖7調諧匹配與阻抗匹配

  其中,Co是壓電換能器的靜態電容,主要是由夾持而產生的電容,它是一個真實的電學量;Ro是壓電換能器的介電損耗電阻,一般認為Ro無窮大,通常忽略不計;Ld、Cd、Rd分別為壓電換能器的動態電感、動態電容和動態電阻。當Ld、Cd處於諧振時,串聯支路為純阻。在串聯電感調諧匹配作用下,超聲波電源的整個負載呈現出純電阻性。當電源的輸出電壓穩定時,阻性負載上得到的功率隻和負載的阻值有關,因此,需要采用高頻變壓器來進行阻抗變換,從而使超聲波電源能夠以最大功率輸出。

  3 結束語

  文中根據實際需求,以STC一款型號為IAP15F2K61S2的單片機作為控製核心,提出了超聲波清洗機係統整體設計方案。根據設計方案,進行了軟件、硬件的設計和調試,保證其工作頻率在20~50 kHz範圍內連續可調,死區時間穩定,從而使與超聲波電源與壓電換能器匹配後能夠產生大功率的超聲波。最後根據設計製作出了一款具有調功、調頻、定時功能的超聲波清洗機。通過現場試驗,本超聲波電源係統能夠長時間穩定地工作。


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