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摘要：为保障超声波换能器工作在谐振状态，设计了一款以ATMEGA328单片机为核心，结合模拟电路，带有频率自动跟踪功能的超声清洗装置，包含主电路和控制电路。主电路的作用是将市电转换为超声频电能供给换能器，控制电路的作用是根据键入频率值为IGBT器件提供开关信号，再将鉴相结果反馈回单片机用于调整输出频率，保障清洗装置工作于最佳谐振状态。此外，清洗装置的运行状态和工作参数由液晶屏实时显示。通过仿真证明，该款清洗装置具有易调节、精度高、动态响应快等优点，适用于机械、化学、医疗、电子等常用器件的清洗、除垢。
关键词：超声波发生器；逆变电路；频率跟踪；交流斩波
超声清洗技术适用于表面形状复杂，且质量要求高的器件的清洗、除垢，如机械、电子、光学等领域[1-2]。超声清洗装置作为该技术的核心，为换能器提供超声频电能，通过机械振动、“空化效应”、“剪切效应”，完成清洗[3-4]。但在实际应用中，换能器存在发热、损耗和老化等问题，导致谐振频率漂移，甚至换能器损坏，因此，需要超声清洗装置的输出频率与换能器实际工作频率保持一致；此外，传统超声清洗装置在功率调节方面，多采用变压器调压、移相调压、直流斩波调压等方法，大多存在不易设计、功率因数不高等问题，导致电源工作效率降低。综上分析，本文设计了一款带有频率自动跟踪、智能调节，以及输出功率数字控制的超声清洗装置，保障电源系统处于最佳工作状态。
1超声清洗装置设计
超声清洗装置系统结构框图如图1所示，包括主电路和控制电路。
1.1主电路设计
主电路采用AC-AC-DC-AC结构，包括交流斩波调压电路、整流滤波电路、逆变电路、匹配电路、驱动电路等，主要功能是将市电转换为超声频电能供给换能器。图2为交流斩波电路，采用软硬件结合方式，将斩波控制信号作用到IGBT器件，控制通、断，将连续的正弦电压斩成离散的片断，实现调压、调功的功能。
1.2控制电路
控制电路以ATMEGA328为核心，包括超声波发生电路和频率自动跟踪电路（见图3），其中频率自动电路又细分为电流采样及过零比较电路、鉴相反馈电路等，主要功能是为逆变电路和交流斩波调压电路提供IGBT栅极脉冲信号，并根据鉴相反馈信号调整信号频率。超声波发生电路由高性能单片机芯片ATMEGA328、4*3键盘和LCD液晶模块构成。ATMEGA328具有6路PWM输出，3个定时/计数器。本文中定时/计数器1(T/C1)的时钟源为压控振荡器(VCO)的输出信号，定时/计数器2(T/C2)的时钟源为单片机系统外接的16MHz晶振。通过查询ATMEGA328芯片资料[5]，进行如下配置：(1)T/C1设置成相位频率修正PWM模式，其中，TCCR1A=0XB0，TCCR1B=0X17，此时ICR1为计数TOP值，TCNT1为计数初值，占空比为50%，即全桥逆变驱动信号20~60kHz范围内连续调节；(2)T/C2设置成CTC模式，TCCR2A=0X52，和TCCR2B=0X00，此时OCR2A为计数TOP值，占空比为50%，即交流斩波控制信号。电流采样及过零比较电路采用基于霍尔效应的ACS712芯片，通过IP+/-引脚对换能器电流进行采样，再由过零比较电路变为方波，即获得采样电流方波信号。鉴相反馈电路以集成芯片74HCT4046为核心，保障ATMEGA328输出信号频率与换能器实际工作频率保持一致[6]。该电路将采样电流方波信号和全桥逆变驱动信号分别接74HCT4046的14和3脚，并由13脚输出鉴相电压信号。在未发生谐振时，电路工作过程如下：(1)若14脚信号频率低于3脚时，13脚输出低电平，反之输出高电平；(2)若两引脚信号同频时，当14脚相位超前3脚，13脚输出正脉冲，反之输出负脉冲，脉冲宽度与两输入信号上升沿间相位差呈正比；(3)若两输入信号同频同相时，输出为高阻；(4)由13脚输出的鉴相电压信号经低通滤波后，输入到9脚，即芯片内部VCO；(5)由4脚输出VCO信号，并作为ATMEGA328的T/C1外接时钟源。综上分析，全桥逆变驱动信号经鉴相反馈电路后，逐渐逼近换能器实际谐振频率，实现频率的自动跟踪和智能调节。图3中，C8、R7、R8和D2构成他激启振电路，解决无法自动进入预定启动的问题。
2软件设计及电路仿真
2.1软件设计
超声清洗装置软件设计程序流程如图4所示，由ARDUINO软件进行编译，主程序功能包括判断和调用子程序；子程序功能包括交流斩波控制信号的调节、全桥逆变驱动信号的调节及频率跟踪调节。
2.2电路仿真
利用PROTEUS[7]和SIMULINK[8]两款软件对图5所示的超声清洗装置电路进行仿真。PROTEUS主要仿真控制电路，结合ARDUINO编译的HEX文件联合仿真，图6为频率跟踪仿真结果，其中右面波形为采样电流方波信号，左面波形为全桥逆变驱动信号，可见换能器两端电压和流过电流逐渐同频同相，即换能器处于谐振状态。图7为交流斩波调压电路仿真结果。仿真结果表明，该款电源设计方案可行，实现了预期功能，动态响应快。
3结束语
研究了一款以ATMEGA328单片机为核心，利用外部晶振产生超频及高分辨率的PWM信号，以此控制全桥逆变电路和交流斩波调压电路，结合鉴相反馈实现频率自动跟踪，保障超声清洗装置系统工作在最佳谐振状态。
参考文献：
[1]倪作恒,王冠,马军,等.超声波技术在锌银电池极片清洗中的应用[J].电源技术,2018,24(5):674-677.
[2]王秀芝,程云飞,李艳聪,等.用于不同蔬菜中农药去除的超声波清洗器结构设计[J].科技通报,2018,(5):240-243.
[3]李长有，李帅涛，刘遵.超声清洗装置的复合频率跟踪策略研究[J].电子技术应用,2016,42(10):135-137.
[4]肖喜鹏,张加胜,刘祖超.基于单片机控制的超声波换能器设计与实现[J].应用声学,2015,34(2):113-118.
[5]StevenFBarrett.Arduino高级开发权威指南[M].原书第2版.潘鑫磊,译.北京:机械工业出版社,2014.
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[7]周润景,刘晓霞.基于PROTEUS的电路设计、仿真与制版[M].北京:电子工业出版社,2013.
[8]王晶,翁国庆,张有兵,等.电力系统的MATLAB/SIMULINK仿真与应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2012.
作者:李洋洋 单位:辽宁工业大学
