基于ARM和乘法器的恒功率驱动电源及驱动方法技术

本发明专利技术涉及超声波电源技术，为提出一种高功率因数、快速响应的恒功率电源，降低系统复杂度，提高检测精度，为此，本发明专利技术基于ARM和乘法器的恒功率驱动电源及驱动方法，结构如下：第一部分是驱动电路，包括DDS芯片、集成PWM波控制芯片和逆变放大电路；第二部分是采样匹配电路；第三部分是信号调理电路；第四部分是微控制模块，由ARM微处理器组成，通过调节所述PWM波频率、占空比实现恒功率控制。本发明专利技术主要应用于超声波电源设计制造场合。

【技术实现步骤摘要】
基于ARM和乘法器的恒功率驱动电源及驱动方法
本专利技术涉及电源
，尤其是超声波驱动电源
，是一种基于ARM和乘法器的恒功率超声波驱动电源。
技术介绍
超声技术以电子技术、计算机技术为基础，广泛应用于机械、航空、电子、材料、医药等领域，是国际公认的高新
超声波驱动电源，简称超声电源，将频率50Hz、电压220V或者380V的市电转化为频率20kHz以上、电压数百至上千伏的交流电，向超声换能器提供高频能量，是超声系统的核心组成部分，超声电源的性能直接决定了超声系统的性能。而超声电源的关键技术在于换能器的频率跟踪和恒功率控制。换能器的频率跟踪一直是超声电源研究的重点和热点，目前大多采用锁相的方式实现。相比之下，恒功率超声电源系统的研发较少，而实际上，超声系统的功率恒定有着重要的意义，尤其在超声清洗、超声萃取、超声加工等领域。首先，功率的恒定与否直接影响着用户的体验，稳定的超声仪器将带给用户更好的体验；其次，功率的恒定与否直接影响超声加工、超声清洗的质量，稳定的输出功率会带来更好的加工和清洗效果；最后，功率恒定控制决定着超声系统的安全性，剧烈的功率变化将大幅降低换能器、变幅杆、焊接头等的寿命，瞬时的功率过大甚至会烧毁系统，造成安全隐患。超声系统的输出功率受很多因素影响，造成了恒功率控制的困难，这些因素包括：1)负载的变化；2)环境如温度、湿度等的变化；3)换能器的状态，如不同换能器的差异、换能器老化、安装方式等；4)驱动频率，选择不同的驱动频率会有不同的功率输出，目前大都采用换能器的串联谐振频率(即机械谐振频率)作为驱动频率。以上因素中，负载的变化和驱动频率是主要影响因素。长期以来，国内外学者在超声电源领域进行了广泛的研究，大大提高了超声电源的性能，但仍然存在一些不足之处，这些不足主要有：1)一味的追求谐振频率的精确跟踪，造成在不同条件下，频率跟踪后的功率差异巨大；2)由于调谐匹配电路的误差，频率跟踪后，系统的功率因数较低，不满足国家相关规定，且增加驱动电路的发热量；3)现有的恒功率控制超声电源，多采用步进的方式调整功率，调整速度慢，不适用于负载变化剧烈的场合。为了解决上述不足，本专利技术设计了一种高功率因数、快速响应的恒功率驱动电源。
技术实现思路
为克服现有技术的不足，本专利技术旨在提出一种高功率因数、快速响应的恒功率电源：(1)设计了一种基于乘法器的有功功率检测电路，替代了传统的峰值或有效值检测电路，可以直接的检测出系统的有功功率，降低了系统复杂度，提高了检测精度。(2)设计了一种电压、电流采样和相位检测电路，及相应的信号处理电路，并加入了相位校正电路进行误差补偿，保证了相位检测的精度。(3)设计了一种基于ARM(AdvancedRISCMachines)微控制器的恒功率控制算法，实时监测系统的功率因数和有功功率，在维持系统高功率因数的前提下，使系统快速稳定的工作在设定好的额定功率附近。为此，本专利技术采用的技术方案是，基于ARM和乘法器的恒功率驱动电源，结构如下：第一部分是驱动电路，包括DDS((DirectDigitalSynthesizer)芯片、集成PWM(PulseWidthModulation)波控制芯片和逆变放大电路；ARM微处理器输出两路DA(DigitaltoAnalogConvert)信号控制集成PWM波控制芯片的振荡器震荡频率和占空比，ARM微处理器控制DDS芯片输出任意频率的方波至集成PWM波控制芯片的同步端，控制输出PWM波频率，驱动PWM方波输出至逆变放大电路，再经变压器耦合到换能器进行输出；第二部分是采样匹配电路，采用LC网络对换能器进行匹配，LC网络中的电感与换能器串接，LC网络中的电容与换能器并接，以实现换能器的调谐和阻抗匹配，电流传感器采集流过换能器的电流，精密电阻并联在变压器的两端采集电压信号；第三部分是信号调理电路，电压、电流采样信号首先经过信号放大电路进行信号放大，再经过开关电容滤波电路滤除噪声和谐波分量，再经过移相电路进行相位校正；校正后的信号一路接乘法器，一路接鉴相电路，乘法器将电压、电流信号相乘得到含有功功率信息的信号，再经低通滤波器得到直流信号，传至ARM微处理器的AD(AnalogtoDigitalConvert)端口进行检测，鉴相电路将电压电流信号转化为含相位角信息的方波脉冲，传至微处理器I/O(input/output)口进行相位角检测；开关电容滤波电路是由开关电容滤波器组成的完全相同的两路带通滤波电路，其中心频率由ARM微处理器控制DDS芯片输出频率方波实时控制，其中心频率和驱动换能器的PWM波频率完全一致，保证了滤波后的信号增益一致；第四部分是微控制模块，由ARM微处理器组成，ARM微处理器除完成第一部分中叙述的控制集成PWM波控制芯片、DDS芯片外，还用于控制DDS芯片输出脉冲方波信号控制开关电容滤波器中心频率，以实现采样信号的跟踪滤波；通过调节所述PWM波频率、占空比实现恒功率控制。实现恒功率控制具体步骤如下：a)设定初始扫频范围为(fd,fu)，令fu＝F1，fd＝F2，设定驱动占空比为c，令c＝C1，其中F1、F2、C1为设定的常量，令k＝1，k为扫频迭代的次数；b)控制驱动电路，以频率占空比c驱动换能器；c)采样，检测电压、电流的相位角θ，若-△<θ<△，△为允许的相位误差，则以此时的驱动频率fk为工作频率；若θ>△，则令fu＝fk，k＝k+1，跳至步骤b)；否则，令fd＝fk，k＝k+1，跳至步骤b)；d)以频率fk，占空比c驱动换能器，检测系统的有功功率P；e)判别P，若0.99P0<P<1.05P0，P0为设置功率大小，则以此时的频率fk，占空比c驱动换能器；否则，令跳至步骤d)；f)检测电压、电流相位角θ，若-△<θ<△，跳至步骤d)，循环执行；否则，重新扫频，跳至步骤a)。基于ARM和乘法器的恒功率驱动电源驱动方法，借助于前述驱动电源装置实现，具体包括以下步骤：a)设定初始扫频范围为(fd,fu)，令fu＝F1，fd＝F2，设定驱动占空比为c，令c＝C1，其中F1、F2、C1为设定的常量，令k＝1，k为扫频迭代的次数；b)控制驱动电路，以频率占空比c驱动换能器；c)采样，检测电压、电流的相位角θ，若-△<θ<△，△为允许的相位误差，则以此时的驱动频率fk为工作频率；若θ>△，则令fu＝fk，k＝k+1，跳至步骤b)；否则，令fd＝fk，k＝k+1，跳至步骤b)；d)以频率fk，占空比c驱动换能器，检测系统的有功功率P；e)判别P，若0.99P0<P<1.05P0，P0为设置功率大小，则以此时的频率fk，占空比c驱动换能器；否则，令跳至步骤d)；f)检测电压、电流相位角θ，若-△<θ<△，跳至步骤d)，循环执行；否则，重新扫频，跳至步骤a)。进一步的，执行步骤d)、e)、f)，进行功率恒定，采用PWM波驱动换能器，其输出功率和PWM波的占空比c成正比，令则直接使P调整至P0，在一步迭代直接追踪至所需功率对应的占空比。进本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于ARM和乘法器的恒功率驱动电源，其特征是，结构如下：第一部分是驱动电路，包括DDS(Direct Digital Synthesizer)芯片、集成PWM(Pulse Width Modulation)波控制芯片和逆变放大电路；ARM微处理器输出两路DA(Digital to Analog Convert)信号控制集成PWM波控制芯片的振荡器震荡频率和占空比，ARM微处理器控制DDS芯片输出任意频率的方波至集成PWM波控制芯片的同步端，控制输出PWM波频率，驱动PWM方波输出至逆变放大电路，再经变压器耦合到换能器进行输出；第二部分是采样匹配电路，采用LC网络对换能器进行匹配，LC网络中的电感与换能器串接，LC网络中的电容与换能器并接，以实现换能器的调谐和阻抗匹配，电流传感器采集流过换能器的电流，精密电阻并联在变压器的两端采集电压信号；第三部分是信号调理电路，电压、电流采样信号首先经过信号放大电路进行信号放大，再经过开关电容滤波电路滤除噪声和谐波分量，再经过移相电路进行相位校正；校正后的信号一路接乘法器，一路接鉴相电路，乘法器将电压、电流信号相乘得到含有功功率信息的信号，再经低通滤波器得到直流信号，传至ARM微处理器的AD(Analog to Digital Convert)端口进行检测，鉴相电路将电压电流信号转化为含相位角信息的方波脉冲，传至微处理器I/O(input/output)口进行相位角检测；开关电容滤波电路是由开关电容滤波器组成的完全相同的两路带通滤波电路，其中心频率由ARM微处理器控制DDS芯片输出频率方波实时控制，其中心频率和驱动换能器的PWM波频率完全一致，保证了滤波后的信号增益一致；第四部分是微控制模块，由ARM微处理器组成，ARM微处理器除完成第一部分中叙述的控制集成PWM波控制芯片、DDS芯片外，还用于控制DDS芯片输出脉冲方波信号控制开关电容滤波器中心频率，以实现采样信号的跟踪滤波；通过调节所述PWM波频率、占空比实现恒功率控制。...

【技术特征摘要】
1.一种基于ARM和乘法器的恒功率驱动电源，其特征是，结构如下：第一部分是驱动电路，包括DDS(DirectDigitalSynthesizer)芯片、集成PWM(PulseWidthModulation)波控制芯片和逆变放大电路；ARM微处理器输出两路DA(DigitaltoAnalogConvert)信号控制集成PWM波控制芯片的振荡器震荡频率和占空比，ARM微处理器控制DDS芯片输出任意频率的方波至集成PWM波控制芯片的同步端，控制输出PWM波频率，驱动PWM方波输出至逆变放大电路，再经变压器耦合到换能器进行输出；第二部分是采样匹配电路，采用LC网络对换能器进行匹配，LC网络中的电感与换能器串接，LC网络中的电容与换能器并接，以实现换能器的调谐和阻抗匹配，电流传感器采集流过换能器的电流，精密电阻并联在变压器的两端采集电压信号；第三部分是信号调理电路，电压、电流采样信号首先经过信号放大电路进行信号放大，再经过开关电容滤波电路滤除噪声和谐波分量，再经过移相电路进行相位校正；校正后的信号一路接乘法器，一路接鉴相电路，乘法器将电压、电流信号相乘得到含有功功率信息的信号，再经低通滤波器得到直流信号，传至ARM微处理器的AD(AnalogtoDigitalConvert)端口进行检测，鉴相电路将电压电流信号转化为含相位角信息的方波脉冲，传至微处理器I/O(input/output)口进行相位角检测；开关电容滤波电路是由开关电容滤波器组成的完全相同的两路带通滤波电路，其中心频率由ARM微处理器控制DDS芯片输出频率方波实时控制，其中心频率和驱动换能器的PWM波频率完全一致，保证了滤波后的信号增益一致；第四部分是微控制模块，由ARM微处理器组成，ARM微处理器除完成第一部分中叙述的控制集成PWM波控制芯片、DDS芯片外，还用于控制DDS芯片输出脉冲方波信号控制开关电容滤波器中心频率，以实现采样信号的跟踪滤波；通过调节所述PWM波频率、占空比实现恒功率控制。2.如权利要求1所述的基于ARM和乘法器的恒功率驱动电源，其特征是，实现恒功率控制具体步骤如下：a)设定初始扫频范围为(fd,fu)，令fu＝F1，fd＝F2，设定驱动占空比为c，令c＝C1，其中F1、F2、C1为设定的常量，令k＝1，k为扫频迭代的次数；b...

【专利技术属性】
技术研发人员：王金栋，段发阶，蒋佳佳，彭呈祥，黄婷婷，程沁蕊，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12