基于动态阻抗匹配的超声电源设计与研究

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随着电力电子技术的发展,超声技术在加工、清洗、医疗等领域都发挥了重要作用。而超声电源作为超声应用中的关键技术,其阻抗匹配一直是研究的重点。传统的超声电源多用静态阻抗匹配,使得超声电源在谐振频率漂移时无法及时调整匹配网络参数,从而带来效率降低、换能器停震等不良后果。本文在此基础上提出了动态匹配的概念,并以STM32为主控制器设计了智能超声电源实验平台。主要研究内容如下:(1)分析了超声波换能器的阻抗特性,对比了串联匹配和并联匹配两种匹配方式下的匹配网络参数区别,并进行了MATLAB仿真。针对传统的静态匹配存在的问题提出了两种动态匹配方法:动态调整匹配电感参数法和频率自动跟踪法,在进行了原理对比之后选用了后者作为此次超声电源的动态匹配方案。(2)设计了超声电源的硬件主体方案,将系统划分为多个子模块进行分析。在调压整流模块中应用了晶闸管调压技术实现了直流母线电压可调,保证了输出功率的可变性:在高频逆变模块中使用了半桥拓扑结构实现从直流到交流的逆变,使用了DDS芯片来产生高精度的PWM波,配合硬件加死区电路来得到半桥的驱动信号,并针对栅极驱动芯片IR2110的缺陷设计了负偏压电路,能更好的实现功率管的关断;在频率跟踪模块中使用了霍尔传感器检测电流电压相位,经过调理电路后得到相位差的脉宽信号,再使用STM32的PWM输入功能完成相位差检测。(3)根据超声波电源的硬件电路编写了对应的软件程序,主要包括晶闸管调压子程序和频率自动跟踪子程序。其中针对超声波电源运行过程中可能发生谐振频率缓慢变化和瞬间突变两种情况,设计了粗精结合的变步长跟踪算法,实现了快速精准的频率跟踪。(4)完成了所有硬件电路制作和软件程序的编写,进行了大量的试验,并针对试验过程中发现的问题给出了理论研究和实际解决方法。试验结果表明,本文设计的超声波电源能很好地实现频率跟踪,具有良好的动态响应性能和稳定性,实现了既定的动态阻抗匹配的目标。
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