【导读】超声波清洗机具有功耗低、效率高等优点，广泛应用于工业、航空等领域。本文介绍的超声波清洗机方案 文中设计的超声波清洗机是以STC单片机为控制核心，通过软件、硬件的设计和调试，保证超声波清洗机正常、稳定的工作。
1 超声波清洗机总体方案设计
文中设计的超声波清洗机是以STC单片机为控制核心，包括整流滤波、逆变、IGBT驱动、PWM发生与控制、频率扫描显示、功率调节、调谐匹配与阻抗匹配模块以及相关保护模块。
图1 超声波清洗机原理框图
在超声波清洗机中，220 V50 Hz的市电输入后分为两路，一路用来产生大功率超声波，另一路用来检测、控制与显示的供电作用，具体如图1所示。其中，通过双向可控硅可控制清洗机的功率。逆变模块为半桥逆变，把直流电压逆变为高频交流电压，再经调谐匹配与阻抗匹配模块的变压器升压以及电感匹配，可以高效率、最大功率地输送到压电换能器。最后，压电换能器把超声波电源输出的电能转化为高频机械振动。
2 超声波清洗机各模块设计原理
2.1 整流滤波与功率调节模块
220 V50 Hz交流电经整流桥B1整流以及电解电容C12滤波后产生直流输出电压。其中双向可控硅TR1用于功率调节，C11为安规电容，R11和C11主要用于消除高频干扰。而U1为光耦，型号可以选择MOC3021，1脚和3脚接调功模块。光耦U1起到隔离强弱电的作用，增强了电路的可靠性和安全性。
图2 整流滤波模块
在超声波电源系统的工作过程中，整流滤波模块与逆变模块会发热，可以将两个模块安装在一个铝片散热器上，进行风冷散热。这样，系统可以更安全可靠工作。
2.2 逆变与脉冲驱动模块
由于半桥逆变电路所用到的功率器件少，成本低，而且控制相对简单，因此本文设计的超声波清洗机采用半桥逆变电路。
图3 半桥逆变模块
在半桥逆变电路中，两个全控型开关器件为IGBT，即Q1与Q2和二极管D11和D12构成半桥逆变，在Q1和Q2上加以互补的信号，O1与Q2两IGBT是轮流触发的，即各交替进行导通。同时，在直流侧输入端接的电容C1和C2应足够大，并且C1=C2，容值可选2μF以上。同样，电阻R14、R15也应足够大，并且R14=R15，阻值可选100 kΩ以上。熔断器F11和F12用于保护开关管Q1和Q2，防止电流过大。
变压器T1和电阻R16、R17、R18、R19组成脉冲驱动模块，为Q1和Q2提供互补的触发信号。由于IGBT的驱动电压应小于20 V，而T12，T14间的输入电压约12 V，因此变压器T1变比设计为1:1:1.R18、R19用于限流作用，可选20 Ω左右的电阻。在本方案中，上下两个IGBT器件留有一定的死区时间，以防止两者同时导通。
2.3 变压与线性稳压
220 V50 Hz交流电经变压器T4降压为12 V,再经整流桥B4整流、C41滤波以及U1（L7812）线性稳压后，输出12 V直流电压，给PWM发生与控制模块供电。同时，直流12 V再经U2（L7805）二次稳压变为5 V，为处理器IAP15F2K61S2工作提供电源。LED1发光二极管，起电源指示作用。为了减少电压的脉动系数，加入了电容C43、C44多次滤波。
图4 降压与线性稳压
在本超声波清洗机中，以KA3525A作为PWM发生与控制芯片。如图5，KA3525A振荡频率的设定范围为20~40 kHz,芯片的脚5和脚7间串联一个电阻Rd就可以在较大范围内调节死区时间。KA3525A的振荡频率表示为：
式中：CT、RT分别是与脚5、脚6相连的振荡器的电容和电阻；Rd是与脚7相连的放电端电阻。此处：Rd、CT、RT分别为图中的R52、C5、（R51+Rp51）。其中，Rp51为精密可调电阻，即通过R1和R2可以调节PWM输出频率。管脚8接一个电容C51用来软启动，减少功率开关管的开机冲击。11和14脚输出两路互补的PWM波，经中功率的三极管Q1、Q2、Q3、Q4放大，再经脉冲驱动变压器T1驱动两个IGBT,控制逆变模块实现半桥逆变（如图3所示）。高频变压器T1起隔离强电与弱电的作用，增强了驱动能力和电源的可靠性。
图5 PWM发生与控制模块
2.5 功率调节模块
功率调节的实现原理：通过IAP15F2K61S2单片机的一个AD口检测调功电阻上电压大小，再通过模数转换获得AD数值。再根据此值控制双向可控硅TR1过零延时触发，即通过控制触发脉冲的相位来控制输出功率。其中，图6为过零触发原理图，12 V交流电经二极管D31、D32整流以及R31、R32、R33限流限压，再经三极管Q3检测过零点。当电网电压过零时，P3.3产生负脉冲。另外，IAP15F2K61S2单片机的P3.3口是一个外部中断口，通过检测过零脉冲获得工频电压的过零点。
图6过零触发原理图
超声波电源与换能器的匹配主要是调谐匹配和阻抗匹配。在调谐匹配中为减少静电抗产生的无功损耗，使压电换能器输出最大功率，需要通过匹配使换能器近似于纯电阻状态，提高超声波电源输出效率。另外，若完成了调谐匹配时，即负载为纯电阻状态时，为使电源输出最大功率，需要令实际负载和电源的最佳输出阻抗相等，而实现方法为：通过高频变压器使换能器的阻抗变换为超声波电源的最佳输出阻抗，从而使压电换能器输出最大功率。
图7为超声波清洗机调谐匹配与阻抗匹配模块。其中，虚线框内为压电换能器的等效电路图。
图7调谐匹配与阻抗匹配
其中，Co是压电换能器的静态电容，主要是由夹持而产生的电容，它是一个真实的电学量；Ro是压电换能器的介电损耗电阻，一般认为Ro无穷大，通常忽略不计；Ld、Cd、Rd分别为压电换能器的动态电感、动态电容和动态电阻。当Ld、Cd处于谐振时，串联支路为纯阻。在串联电感调谐匹配作用下，超声波电源的整个负载呈现出纯电阻性。当电源的输出电压稳定时，阻性负载上得到的功率只和负载的阻值有关，因此，需要采用高频变压器来进行阻抗变换，从而使超声波电源能够以最大功率输出。
3 结束语
文中根据实际需求，以STC一款型号为IAP15F2K61S2的单片机作为控制核心，提出了超声波清洗机系统整体设计方案。根据设计方案，进行了软件、硬件的设计和调试，保证其工作频率在20~50 kHz范围内连续可调，死区时间稳定，从而使与超声波电源与压电换能器匹配后能够产生大功率的超声波。最后根据设计制作出了一款具有调功、调频、定时功能的超声波清洗机。通过现场试验，本超声波电源系统能够长时间稳定地工作。
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