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摘要：為保障超聲波換能器工作在諧振狀態，設計了一款以ATMEGA328單片機為核心，結合模擬電路，帶有頻率自動跟蹤功能的超聲清洗裝置，包含主電路和控制電路。主電路的作用是將市電轉換為超聲頻電能供給換能器，控制電路的作用是根據鍵入頻率值為IGBT器件提供開關信號，再將鑒相結果反饋回單片機用于調整輸出頻率，保障清洗裝置工作于最佳諧振狀態。此外，清洗裝置的運行狀態和工作參數由液晶屏實時顯示。通過仿真證明，該款清洗裝置具有易調節、精度高、動態響應快等優點，適用于機械、化學、醫療、電子等常用器件的清洗、除垢。
關鍵詞：超聲波發生器；逆變電路；頻率跟蹤；交流斬波
超聲清洗技術適用于表面形狀復雜，且質量要求高的器件的清洗、除垢，如機械、電子、光學等領域[1-2]。超聲清洗裝置作為該技術的核心，為換能器提供超聲頻電能，通過機械振動、“空化效應”、“剪切效應”，完成清洗[3-4]。但在實際應用中，換能器存在發熱、損耗和老化等問題，導致諧振頻率漂移，甚至換能器損壞，因此，需要超聲清洗裝置的輸出頻率與換能器實際工作頻率保持一致；此外，傳統超聲清洗裝置在功率調節方面，多采用變壓器調壓、移相調壓、直流斬波調壓等方法，大多存在不易設計、功率因數不高等問題，導致電源工作效率降低。綜上分析，本文設計了一款帶有頻率自動跟蹤、智能調節，以及輸出功率數字控制的超聲清洗裝置，保障電源系統處于最佳工作狀態。
1超聲清洗裝置設計
超聲清洗裝置系統結構框圖如圖1所示，包括主電路和控制電路。
1.1主電路設計
主電路采用AC-AC-DC-AC結構，包括交流斬波調壓電路、整流濾波電路、逆變電路、匹配電路、驅動電路等，主要功能是將市電轉換為超聲頻電能供給換能器。圖2為交流斬波電路，采用軟硬件結合方式，將斬波控制信號作用到IGBT器件，控制通、斷，將連續的正弦電壓斬成離散的片斷，實現調壓、調功的功能。
1.2控制電路
控制電路以ATMEGA328為核心，包括超聲波發生電路和頻率自動跟蹤電路（見圖3），其中頻率自動電路又細分為電流采樣及過零比較電路、鑒相反饋電路等，主要功能是為逆變電路和交流斬波調壓電路提供IGBT柵極脈沖信號，并根據鑒相反饋信號調整信號頻率。超聲波發生電路由高性能單片機芯片ATMEGA328、4*3鍵盤和LCD液晶模塊構成。ATMEGA328具有6路PWM輸出，3個定時/計數器。本文中定時/計數器1(T/C1)的時鐘源為壓控振蕩器(VCO)的輸出信號，定時/計數器2(T/C2)的時鐘源為單片機系統外接的16MHz晶振。通過查詢ATMEGA328芯片資料[5]，進行如下配置：(1)T/C1設置成相位頻率修正PWM模式，其中，TCCR1A=0XB0，TCCR1B=0X17，此時ICR1為計數TOP值，TCNT1為計數初值，占空比為50%，即全橋逆變驅動信號20~60kHz范圍內連續調節；(2)T/C2設置成CTC模式，TCCR2A=0X52，和TCCR2B=0X00，此時OCR2A為計數TOP值，占空比為50%，即交流斬波控制信號。電流采樣及過零比較電路采用基于霍爾效應的ACS712芯片，通過IP+/-引腳對換能器電流進行采樣，再由過零比較電路變為方波，即獲得采樣電流方波信號。鑒相反饋電路以集成芯片74HCT4046為核心，保障ATMEGA328輸出信號頻率與換能器實際工作頻率保持一致[6]。該電路將采樣電流方波信號和全橋逆變驅動信號分別接74HCT4046的14和3腳，并由13腳輸出鑒相電壓信號。在未發生諧振時，電路工作過程如下：(1)若14腳信號頻率低于3腳時，13腳輸出低電平，反之輸出高電平；(2)若兩引腳信號同頻時，當14腳相位超前3腳，13腳輸出正脈沖，反之輸出負脈沖，脈沖寬度與兩輸入信號上升沿間相位差呈正比；(3)若兩輸入信號同頻同相時，輸出為高阻；(4)由13腳輸出的鑒相電壓信號經低通濾波后，輸入到9腳，即芯片內部VCO；(5)由4腳輸出VCO信號，并作為ATMEGA328的T/C1外接時鐘源。綜上分析，全橋逆變驅動信號經鑒相反饋電路后，逐漸逼近換能器實際諧振頻率，實現頻率的自動跟蹤和智能調節。圖3中，C8、R7、R8和D2構成他激啟振電路，解決無法自動進入預定啟動的問題。
2軟件設計及電路仿真
2.1軟件設計
超聲清洗裝置軟件設計程序流程如圖4所示，由ARDUINO軟件進行編譯，主程序功能包括判斷和調用子程序；子程序功能包括交流斬波控制信號的調節、全橋逆變驅動信號的調節及頻率跟蹤調節。
2.2電路仿真
利用PROTEUS[7]和SIMULINK[8]兩款軟件對圖5所示的超聲清洗裝置電路進行仿真。PROTEUS主要仿真控制電路，結合ARDUINO編譯的HEX文件聯合仿真，圖6為頻率跟蹤仿真結果，其中右面波形為采樣電流方波信號，左面波形為全橋逆變驅動信號，可見換能器兩端電壓和流過電流逐漸同頻同相，即換能器處于諧振狀態。圖7為交流斬波調壓電路仿真結果。仿真結果表明，該款電源設計方案可行，實現了預期功能，動態響應快。
3結束語
研究了一款以ATMEGA328單片機為核心，利用外部晶振產生超頻及高分辨率的PWM信號，以此控制全橋逆變電路和交流斬波調壓電路，結合鑒相反饋實現頻率自動跟蹤，保障超聲清洗裝置系統工作在最佳諧振狀態。
參考文獻：
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作者:李洋洋 單位:遼寧工業大學
