基于TMS320LF2407的新型超聲波電源的研究
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超聲技術在工業中的應用開始于20世紀初，隨著超聲技術的成熟，其應用越來越廣泛。在控制方式上，傳統的感應加熱電源控制采用模擬技術控制，存在元件易老化、工作點漂移和一致性差等原因引起的產品升級換代困難等缺點。隨著數字集成芯片、單片機、DSP、FPGA的出現，使感應加熱電源數字化成為一種趨勢，具有控制靈活，系統升級方便，只要修改相應的控制算法，而不必對硬件電路加以很大的改動等優點。
隨著電力電子器件的發展，電路控制技術也在飛速發展。控制電路最初以相位控制為手段、由分立元件組成，發展到集成控制器，再到計算機控制，向著高頻率、低損耗和數字化的方向發展。超聲波發生器應用數字化控制技術一般有3種形式：采用MCU控制、采用DSP控制、采用FPGA控制。相比較而言，DSP適合取樣速率低和軟件復雜程度高的場合；而當系統取樣速率高(MHz級)，數據率高(20 MB／s以上)，條件操作少，任務較固定時，采用FPGA更有優勢。
本文利用高速TMS320LF2407A型DSP控制芯片設計了系統的控制電路，采用全橋逆變器作為超聲振動系統的功率轉換主電路，解決由于負載溫度變化等原因產生諧振頻率的漂移，保證系統的高效率。這里研究了粗精復合的頻率跟蹤方案，采用掃頻方法實現頻率粗跟蹤，采用硬件鎖相環實現精跟蹤。這兩種方法的結合既保證在較寬的頻率變化范圍內實現頻率自動跟蹤，又保證跟蹤的快速、準確。為適應負載變化的要求，采用軟開關的PS-PWM控制方法，使系統的輸出功率連續可調。
1 主電路拓撲分析
超聲電源的主電路采用全橋逆變拓撲結構，如圖1所示。其中：Z1～Z4為功率主開關管；D1～D4為Z1～Z4內部反并聯寄生二極管；C1～C4為外接并聯電容或者功率管的寄生電容；T為高頻脈沖變壓器；L0為串聯調諧匹配電感；PZT為超聲換能器。
逆變器部分利用功率管寄生電容和并聯電容，以及變壓器的漏感實現軟開關零電壓移相控制(ZVS-PSP-WM)的方式。零電壓開關是依靠功率開關管反并聯二極管的導通實現功率器件零電壓開通；通過功率諧振電容的充電過程來實現功率器件的零電壓關斷。
在一個開關周期內，移相控制有12種開關模塊，在分析之前，做出如下假設：
(1)電路中所有的開關器件Z1～Z4和與其反并聯二極管D1～D4均為理想開關器件；
(2)所有的電感、電容為理想元件且不考慮線路的雜散電感值；
(3)不考慮死區加入對逆變器工作的影響；
(4)逆變器的輸入電壓為恒定電壓源。
移相控制逆變器的4個開關管驅動波形如圖2所示。逆變器每個橋臂的2個功率管成180°互補導通，2個橋臂的導通角相差1個相位，即移相角。Z1，Z2為定相臂，Z3，Z4為移相臂。其中Z1和Z2分別先于Z3和Z4導通，移相角為φ，調節φ大小即可改變逆變器的輸出電壓，從而調節輸出的正弦波電流幅值，使得輸出功率可以調節。
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