超声波电源说明指导书.doc

第九届“挑战杯”
河南省大学生课外学术科技作品竞赛

作
品
说
明
书

作品名称： 超声波振动筛自动控制电源
学校： 河南师范大学
团队： ZJ小组
指引教师： 袁 延 忠

前言
超声技术是声学中发展最迅速、应用最广泛领域。特别在近年来,随着电子技术和材料科学等方面飞速发展,大功率超声技术如超声清洗、超声焊接、超声加工、超声雾化、超声乳化、超声粉碎等在国民经济有关行业中应用越来越广,这又反过来增进了对功率超声机理和应用等方面研究。
在超声振动加工中，为得到大振幅以提高加工质量，发挥超声加工优越性，规定振动系统工作在谐振状态。普通，换能器振动系统工作前，通过调节电源电频率，可满足 系统处在共振工作条件。
但是，在实际加工中， 由于负载变化、系统发热等一系因素 影响，使振动系统固有频率发生变化，此时，若不及时调节换能器电源频率 即不采用自动频率跟踪 ，振动系统将工作在非谐振状态，从而使振动系统输出振幅减小，导致加工质量下降，当失谐严重时，超声振动加工优越性消失 。因而，在超声振动加工中采用自动频率跟踪是非常必要

目录
前言……………………………………………………………………………2
一 项目背景…………………………………………………………… 4
二 设计目…………………………………………………………… 5
三 系统设计…………………………………………………………… 6
3.1 电流控制型PWM设计……………………………………………6
3.2 单片机采集数据设计………………………………………………7
3.3 PID算法………………………………………………………………………7
3.4 自动跟踪频率………………………………………………………………8
3.5 DDS高精度振荡源应用………………………………8
四 系统流程图………………………………………………………….9
五 作品创新点与技术指标………………………………………10
六 作品应用前景………………………………………………………11
七 作品原理图………………………………………………………… 12
八 作品某些代码………………………………………………………13
九 附件……………………………………………………………………………16

项目背景
超声振动筛是将220V、50Hz或110V、60Hz电能转化为18KHz高频电能，输入超声换能器，将其变成18KHz机械振动，从而达到高效筛分和清网目。该系统在老式振动筛基本上在筛网上引入一种低振幅、高频率超声振动波（机械波），以改进超微细分体筛分性能。特别适合高附加值精细分体顾客使用
作为超声波振动筛核心某些——电源设计尤为重要，就当前人工手动控制电源而言，由于振动筛筛选出是200目以上极微小颗粒，筛选成雾状，生产环境及其恶劣，不适于人长期工作。并且，人工控制精确度不高，不能及时地跟踪振动筛频率。而本产品正是克服了以上种种缺陷。自动控制电源采用PID控制，自动扫描振动筛本振频率，已达到迅速、精准地动态调节振源频率，使之始终工作在最适当频率和电流，从而大大提高了生产量。由于具备频率扫描功能，因而适应于所有型号超声换能器。换能器频率偏移率低，能量转换率达到95%以上，实现功率输出最大化。系统兼容性好，自动调节限度高，有很宽频率跟踪范畴。电源可以输出平稳能量和振幅，并对换能器最大输出功率、振幅、电压进行限制，电源有过压、过温、过流等多重保护手段。咱们设计作品可合用于各种超声波系统中，制药、冶金、化工、选矿、食品等规定精细筛分过滤行业，因此本作品具备较好应用价值。

项目设计目
当前，超声波振动筛应用越来越广泛，由于普通机械式振动筛只能筛分200目如下颗粒，对于200-600目颗粒，只有采用更高振动频率。超声波振动频率可以从20KHZ到60KHZ，对于微小颗粒筛分具备较好效果。超声波振动实现原理是：运用振荡源同步驱动PMW专用电路SG3525，驱动脉冲再经功率放大电路，驱动超声波换能器，从而产生高频振动。在超声振动加工中，为大幅提高加工质量，发挥超声加工优越性，规定振动系统工作在谐振状态。普通，换能器振动系统工作前，通过调节电源频率，使之满足系统处在共振状态。但是，在实际运营中，由于负载变化、系统发热等一系列因素影响，使振动系统固有频率不断发生随机性变化。当换能器频率偏离其供电频率时，便几乎停止振动。而在当前生产工作中，超声波电源以人工手动控制居多，从而无法迅速、精准、及时地调节换能器电源频率，振动系统将工作在非谐振状态，从而使振动系统输出振幅减小，导致加工质量下降。因而，在超声振动加工中采用自动频率跟踪是非常必要。为了弥补当前市场上超声共振筛存在这些缺陷，咱们想到了研制出一种在工作过程中可以自动扫描设备频率并进行调频自动控制电源。
系统设计
3.1 电流控制型PWM设计
脉冲宽度调制 脉冲宽度调制（PWM）是英文“Pulse Width Modulation”缩写，简称脉宽调制。它是运用微解决器数字输出来对模仿电路进行控制一种非常有效技术，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域。一种模仿控制方式，依照相应载荷变化来调制晶体管栅极或基极偏置，来实现开关稳压电源输出晶 体管或晶体管导通时间变化，这种方式能使电源输出电压在工作条件变化时保持恒定。
脉冲宽度调制（PWM）是一种对模仿信号电平进行数字编码办法。通过高辨别率计数器使用，方波占空比被调制用来对一种详细模仿信号电平进行编码。PWM信号依然是数字，由于在给定任何时刻，满幅值直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)重复脉冲序列被加到模仿负载上去。通时候即是直流供电被加到负载上时候，断时候即是供电被断开时候。只要带宽足够，任何模仿值都可以使用PWM进行编码。
3.2 单片机采集数据设计
数据采集是分析模仿信号量数据有效办法。而实时显示数据是自动化检测系统现实需求。在测试空空导弹导引头过程中，导引头响应信号涉及内部二次电源信号和模仿量电压信号。检测过程中规定检测系统实时显示导引头工作状态，显示二次电源和模仿量响应电压信号，判断导引头性能，同步保证在非常状况下人为对导引头做出应急解决，保护导引头。对于模仿量电压信号，普通采用模数转换、事后数据标定办法实现。依照现实需求，研制相应检测系统可作为导引头寻常维护和修理重要工具。
3.3 PID算法
在过程控制中，按偏差比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制PID控制器（亦称PID调节器）是应用最为广泛一种自动控制器。它具备原理简朴，易于实现，合用面广，控制参数互相独立，参数选定比较简朴等长处；并且在理论上可以证明，对于过程控制典型对象──“一阶滞后＋纯滞后”与“二阶滞后＋纯滞后”控制对象，PID控制器是一种最优控制。PID调节规律是持续系统动态品质校正一种有效办法，它参数整定方式简便，构造变化灵活（PI、PD、…）。控制点当前包括三种比较简朴ＰＩＤ控制算法，分别是：增量式算法，位置式算法，微分先行。 这三种ＰＩＤ算法虽然简朴，但各有特点，基本上能满足普通控制大多数规定。
PID增量式算法
　　离散化公式： 注：各符号含义如下
　　u(t)控制器输出值。
　　e(t) 控制器输入与设定值之间误差。
　　Kp 比例系数。
　　Ti积分时间常数。
Td 微分时间常数。
T调节周期
3.4 自动跟踪频率
在超声振动加工中，为得到大振幅以提高加工质量，发挥超声加工优越性，规定振动系统工作在谐振状态。普通，换能器振动系统工作前，通过调节电源电频率，可满足系统处在共振工作条件
但是，在实际加工中， 由于负载变化、系统发热等一系列因素 影响，使振动系统固有频率发生变化，此时，若不及时调节换能器电源频率 即不采用自动频率跟踪 ，振动系统将工作在非谐振状态，从而使振动系统输出振幅减小，导致加工质量下降，当失谐严重时，超声振动加工优越性消失 因而，在超声振动加工中采用自动频率跟踪是非常必要。
所谓自动频率跟踪，是指在加工过程中，当由换能器、变幅杆、刀具构成振动系统在外界因素影响下，其固有振动频率发生变化时，控制系统能及时发现变化后固有频率并及时调节供电频率与变化后固有频率相似，使振动系统始终工作在谐振状态，以维持振动系统最大振幅 或者说是维持最大振动速度 。若在所有状况下，均能保证供电频率 fg 与振动系统固有频率fo 相等，则自动频率跟踪系统是抱负，但这是非常困难和不易实现。对于一种实际跟踪系统来说，只要能使供电频率fg 与振动系统固有频率fo 比较接近，频率失调f1= f o - f g 较小 f 1 ≤f即可。2f称为振动系统有效带宽，在此带宽范畴内，系统振幅不会下降

3.5 DDS高精度振荡源应用
一块DDS芯片中重要涉及频率控制寄存器、高速相位累加器和正弦计算器三个某些（如Q2220）。频率控制寄存器可以串行或并行方式装载并寄存顾客输入频率控制码；而相位累加器依照 频率控制码在每个时钟周期内进行相位累加，得到一种相位值；正弦计算器则对该相位值计算数字化正弦波幅度（芯片普通通过查表得到）。DDS芯片输出普通是数字化正弦波，因而还需通过高速D/A转换器和低通滤波器才干得到一种可用模仿频率信号频率辨别率高，输出频点多，可达2N次方个频点(N为相位累加器位数)；
　　频率切换速度快，可达us量级；
　　频率切换时相位持续；
　　可以输出宽带正交信号；
　　输出相位噪声低，对参照频率源相位噪声有改进作用；
　　可以产生任意波形；
　　全数字化实现，便于集成，体积小，重量轻。
　　在各行各业测试应用中，信号源扮演着极为重要作用。但信号源具备许多不同类型，不同类型信号源在功能和特性上各不相似，分别合用于许多不同应用。当前，最常用信号源类型涉及任意波形发生器，函数发生器，RF信号源，以及基本模仿输出模块。信号源中采用DDS技术在当前测试测量行业已经逐渐称为一种主流做法。
系统流程图
核心A：频率跟踪，调节程序
开机——频段一初始化扫描——谐振电流与否适当（否转B）——A——电流与否适当——继续原频率——转至A
B ：切换频段2——谐振频率与否适当（否转C）——A——电流与否适当（否转D）——继续原频率——转至A
C ：LED显示错误信息
D ：PID算法送出新频率
作品创新点与技术指标
创新点：
采用PID控制算法实现振动系统频率自动跟踪，从而自动调节振源频率，程序中有频率扫描和跟踪功能，并迅速分析出频率变化和功率变化区别，匹配调节电路，可以以便依照负载变化为换能器找到最佳工作点，从而自动调节振源频率和占空比，巧妙地避免了由于频率失谐而导致设备工作缺陷。
技术核心：
1：PID算法单片机实现。
2：PMW控制芯片实现
3：频率跟踪和功率调节电路实现。
4：DDS高精度振荡源应用。
5：12864显示屏应用。
6：单片机AD和DA应用
技术指标：
1.跟踪时间：2秒钟
2.频率调节精度：3赫兹
3.频率稳定度：20PPM
4.AD、DA为12位精度
5.频率辨别率：0.004赫兹

作品应用前景
本产品在市场上既有为数很少频率自动跟踪电源基本上进行了创新设计。通过对当前各种频率跟踪办法比较,本产品选用了可以使系统获得较高功率因数锁相式频率跟踪方式进行研究。为了改进锁相系统在用于跟踪换能器串联谐振频率时性能,提出了一种新方案。针对谐振频率附近采样信号差问题,咱们采用带通滤波器对电流采样信号进行整形,分析了滤波器对换能器频率跟踪影响,并设计了详细跟踪电路。锁相式频率跟踪结合换能器并联谐振频率自动功率调节,在超声设备中是一种抱负工作方式,它可以在不增长电路复杂性状况下实现换能器功率自动调节,同步保持系统有较高功率因数。这对于简化超声设备、提高适应负载能力都是十分故意义。
本产品克服了其她有关产品种种缺陷，为自动化、高效率生产，高精度调节提供了以便，具备跟随速度快、频率跟踪精确、电路设计简朴、工作可靠等长处，这种自动跟踪频率技术可应用于各种超声设备以及行业当中，如清洗、焊接、粉碎筛选等等，具备较好市场前景。
作品原理图

作品某些代码

振动筛程序 该程序为cpuda自动调节程序
;
$NOMOD51
#include <c8051f410.inc> // SFR declarations

;;ad频率最高200k
;---------------------------------------------
;标记位定义
;SPEAKER BIT P1.0
SDAT EQU P0.3
SCLK EQU P0.2
TFS EQU P0.1

ERR_BIT BIT 00H ;;20.0
RATIO_CHANGE_BIT BIT 01H
SCAN_OK_FLG BIT 02H ;;;电流扫描对的标记
;MICRO_SCAN_BIT BIT 03H
SCAN_LCD_SW BIT 04H
RPT_SCAN_LOT_FLG BIT 05H
TIME_OK BIT 06H
SML_DWN_UP_FLG BIT 07H
BIG_DWN_UP_FLG BIT 08H
;SCAN_DWN_EN BIT 09H
CHK_FLG BIT 0AH
UPDAT_SW BIT 0BH
SCANING_FLG BIT 0CH ;;正在扫描标记
DA_ERROR_BIT BIT 0DH
DA_SCAN_BIT BIT 0EH
;;AD_INPUT IS P0.6
;DA_OUT EQU P0.0
SHUT_OFF EQU P0.7 ;;软启动
KEY_1 EQU P0.5
KEY_2 EQU P0.4
;*************************************
;RS EQU P2.7 ;1=DATA,0=CMD
;RW EQU P2.6 ;1=RD， 0=WR
;LCD_EN EQU P2.5 ;1=ENABLE 0=DISABLE
;;新版为下面端口
RS EQU P2.2 ;1=DATA,0=CMD
RW EQU P2.1 ;1=RD， 0=WR
LCD_EN EQU P2.0 ;1=ENABLE 0=DISABLE

DS1302_CS EQU P2.3 ;;时钟片选端
DS1302_IO EQU P2.4 ;;时钟数据端
DS1302_CLK EQU P2.5 ;;时钟
KB6 EQU P2.6 ;;管理键盘

;RAM DEFINE
;---------------------------------------------------

KEY_VAL EQU 23H
DLY_MS_CNTR EQU 24H
AX EQU 25H
BX EQU 26H
LOOP_CNTR EQU 27H ;;;用于子程序计数器，不受全局保护，但在子程序内部不变
ADJ_MIN_RATIO EQU 28H
MAX_VAL_H EQU 29H
MAX_VAL_L EQU 2AH
MAX_INDEX_H EQU 2BH
MAX_INDEX_L EQU 2CH
SCAN_LOOP_TIMES EQU 2DH
BIG_ERROR_CNTR EQU 2EH ;;;电流大时候调节错误次数
RPT_SCAN_TIMES EQU 2FH
ADJ_POINTER_L EQU 30H
ADJ_POINTER_H EQU 31H
BEST_MAX_H EQU 32H
BEST_MAX_L EQU 33H
EEX EQU 34H
BEST_MIN_H EQU 35H ;;;调节时设定最小电流
BEST_MIN_L EQU 36H ;;按最大电流90%设定
PWM_INDEX EQU 37H
ADJ_MAX_RATIO EQU 38H
LCD_SCAN_CNTR EQU 39H
NUM_OF_SCAN EQU 3AH
BIT_CNTR EQU 3BH
SCAN_INDEX_H EQU 3CH
SCAN_INDEX_L EQU 3DH
SETTING_PWM_INDEX EQU 3EH
SURE_SCAN_CNTR EQU 3FH

DDS_CTL_WDH EQU 40H
DDS_CTL_WDL EQU 41H
FREQ1_WDH EQU 42H
FREQ1_WDL EQU 43H
FREQ0_WDH EQU 44H
FREQ0_WDL EQU 45H
BASE_FRE_0 EQU 46H
BASE_FRE_1 EQU 47H
BASE_FRE_2 EQU 48H

CMD_BUF EQU 49H ;控制字暂存单元
LCD_DAT EQU 4AH ;显示数据暂存单元
CODE_BUF EQU 4BH ;字符代码暂存单元
LINE_ADDR EQU 4CH ;地址暂存单元
RUNNING_AD_H EQU 4FH
RUNNING_AD_L EQU 4EH

YEAR_BUF EQU 50H ;;存储年数值
MONTH_BUF EQU 51H ;;存储月数值
DATE_BUF EQU 52H ;;存储日数值
HOUR_BUF EQU 53H ;;时
MIN_BUF EQU 54H ;;分
SEC_BUF EQU 55H ;;秒
WEEK_BUF EQU 56H ;星期
CHK_SUM_BUF EQU 57H

DA_ERROR_BUF EQU 58H
ADJ_BIG_CNTR EQU 59H
SML_ERROR_CNTR EQU 5AH
ADJ_SML_CNTR EQU 5BH

;;;扩张ran地址定义间接寻址
;;---------------------------------------------------
DANG0_MAX_L EQU 91H ;;0档最大值低位
DANG0_MAX_H EQU 90H ;;0档最大值高位
DANG0_MIN_L EQU 93H ;;;0档最小值低位
DANG0_MIN_H EQU 92H ;;;0档最小值高位
;;----------------------------------------------------
DANG1_MAX_L EQU 95H ;;1档最大值低位
DANG1_MAX_H EQU 94H ;;1档最大值高位
附件
如下为观测设计好系统处在工作状态时波形图及工作图：
【1】开机搜索

【2】频率搜索及功率调节

【3】仪器正常工作

波形图：（注：最高点为谐振点）