双重跟踪超声电源的研制

    目前,国内外功率超声应用技术中,不仅要求超声功率源具有宽的输出功率范围,而且对输出功率的稳定性、可预置性提出严格要求。为了适应超声雕刻工艺研究的需要,我们研究了一种输出功率从0～500W任意可变,且有频率和输出功率双重跟踪的超声功率电源。工作的频率范围是10～50kHz,输出负载为压电式换能器。

    1　双重跟踪超声功率电源工作原理

　  双重跟踪超声功率电源工作原理超声功率源的框图如图1所示,输出功率的调节是通过改变超声电源的直流供电电压来实现的,大功率电源变压器既笨重,且成本高,为减轻超声功率电源的总体重量,在功率源的供电系统中我们采用220V交流电直接供电,双向可控硅调压。

    可变频率振荡器是一种输出工作频率在10～50kHz范围的压控振荡器,监相器电路检测出加在换能器上的电流、电压的相位差,得到与其相位差成比例的输出误差电压,改变压控振荡器的输出频率,使之始终跟踪变化了的压电换能器的频率。功率检测电路检测出加到换能器上的有效输出功率,以此来控制脉宽调制电路,使总功率输出稳定在规定的范围内,若某种原因使功率放大器出现瞬时过流,则保护电路启动,使输出功率减小,并指示过载,在故障排除后,经复位即可重新启动。

    2　监相器

    图2是超声电源的相位检测电路的框图[1],可以在两个输入信号相差处于±180°的范围内工作,其输出与相位差呈线性关系。图中采样电路分别得到加在换能器两端的电压V1和流过换能器电流瞬时值并转换成与之对应的电压V2,分别加在过零检测器,整形为方波。过零检测器之一接成同相输入式,另一个接成反相输入式,各自经微分和限幅之后,取其上升沿形成尖脉冲送到双稳态触发器,形成脉宽与V1、V2间相位差成比例的矩形脉冲,滤波后监相器输出的直流电压正比于电流、电压信号间的相位差。众所周知,一般情况下,换能器是抗性负载,当换能器处于谐振状态时,负载呈纯阻状态,输出功率最大。这时流过换能器的电流和加在换能器两端的电压信号之间的相位差是零,当激励超声功率源的频率低于换能器的谐振频率时,换能器阻抗呈容性,这时出现电流相位超前于电压相位,监相器输出为正值。否则呈感性,电流相位滞后于电压相位,监相器输出电压为负值,用与电流、电压之间相位差成比例的监相器输出电压控制压控振荡器,使其振荡频率随监相器输出电压而变。从而使压控振荡器的频率随电流电压间相位差不断地调整,使压控振荡器的工作频率跟踪变化了的换能器的工作频率,达到频率跟踪的目的

    3　稳定功率输出的控制电路