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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 超聲波振動(dòng)篩自動(dòng)控制電源
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 目前，超聲波振動(dòng)篩的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，由于普通機(jī)械式振動(dòng)篩只能篩分200目以下的顆粒，對(duì)于200-600目的顆粒，只有采用更高的振動(dòng)頻率。超聲波振動(dòng)的頻率可以從20KHZ到60KHZ，對(duì)于微小顆粒篩分具有很好的效果。在超聲振動(dòng)加工中，為大幅提高加工質(zhì)量，發(fā)揮超聲加工的優(yōu)越性，要求振動(dòng)系統(tǒng)工作在諧振狀態(tài)。通過(guò)調(diào)節(jié)電源的頻率，使之滿足系統(tǒng)處于共振狀態(tài)。所以，在超聲波振動(dòng)篩中，電源是核心。
- 詳細(xì)介紹：
- 當(dāng)振源頻率與換能器的本振頻率達(dá)到相一致，此時(shí)的電流達(dá)最大值，依據(jù)這一點(diǎn)，我們可以通過(guò)不斷監(jiān)測(cè)采集電流值來(lái)判斷換能器是否處于諧振狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)系統(tǒng)頻率的自動(dòng)跟蹤，從而自動(dòng)調(diào)節(jié)振源頻率，達(dá)到理想的共振效果。控制電路要求提供兩路矩形脈沖，并且其頻率和占空比均為可調(diào)。在電源中，我們加入電流控制型PWM控制器，在輸出電路中加入互感器，耦合輸出電路的電流，單片機(jī)實(shí)時(shí)AD采集耦合電流，經(jīng)過(guò)PID算法校正，調(diào)節(jié)占空比或者振蕩頻率，從而控制輸出的電流和頻率，使換能器處于最佳工作狀態(tài)。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 發(fā)明的目的與思路 在目前的生產(chǎn)工作中，超聲波電源以人工手動(dòng)控制居多，從而無(wú)法快速、精確、及時(shí)地調(diào)整換能器的電源頻率, 振動(dòng)系統(tǒng)將工作在非諧振狀態(tài)，從而使振動(dòng)系統(tǒng)的輸出振幅減小，造成加工質(zhì)量下降。為了彌補(bǔ)目前市場(chǎng)上超聲共振篩存在的這些缺陷，我們想到了研制出一種在工作過(guò)程中可以自動(dòng)掃描設(shè)備頻率并進(jìn)行調(diào)頻的自動(dòng)控制電源。 當(dāng)振源頻率與換能器的本振頻率達(dá)到相一致，此時(shí)的電流達(dá)最大值，依據(jù)這一點(diǎn)，我們可以通過(guò)不斷監(jiān)測(cè)采集電流值來(lái)判斷換能器是否處于諧振狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)系統(tǒng)頻率的自動(dòng)跟蹤，從而自動(dòng)調(diào)節(jié)振源頻率，達(dá)到理想的共振效果。 創(chuàng)新點(diǎn)： 采用PID控制算法實(shí)現(xiàn)振動(dòng)系統(tǒng)頻率的自動(dòng)跟蹤，從而自動(dòng)調(diào)節(jié)振源頻率，程序中有頻率掃描和跟蹤功能，并快速分析出頻率變化和功率變化的區(qū)別，匹配調(diào)整電路，可以方便的根據(jù)負(fù)載的變化為換能器找到最佳的工作點(diǎn)，從而自動(dòng)調(diào)節(jié)振源頻率和占空比，巧妙地避免了因?yàn)轭l率的失諧而造成的設(shè)備工作缺陷。 技術(shù)關(guān)鍵： 1：PID算法的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。 2：PMW控制芯片的實(shí)現(xiàn) 3：頻率跟蹤和功率調(diào)整電路的實(shí)現(xiàn)。 4：DDS高精度振蕩源的應(yīng)用。 5：12864顯示屏的應(yīng)用。 6：?jiǎn)纹瑱C(jī)AD和DA的應(yīng)用 技術(shù)指標(biāo)： 1.跟蹤時(shí)間：2秒鐘 2.頻率調(diào)整精度：3赫茲 3.頻率穩(wěn)定度：20PPM 4.AD、DA為12位精度 5.頻率分辨率：0.004赫茲
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 就目前人工手動(dòng)控制電源而言，由于振動(dòng)篩篩選出的是200目以上的極微小顆粒，篩選成霧狀，生產(chǎn)環(huán)境及其惡劣，不適于人長(zhǎng)期工作。而且，人工控制準(zhǔn)確度不高，不能及時(shí)地跟蹤振動(dòng)篩的頻率。而本產(chǎn)品正是克服了以上種種缺點(diǎn)。自動(dòng)控制電源采用PID控制，自動(dòng)掃描振動(dòng)篩的本振頻率，已達(dá)到快速、精確地動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)振源頻率，使之始終工作在最合適的頻率和電流，從而大大的提高了生產(chǎn)量。由于具有頻率掃描功能，因此適應(yīng)于所有型號(hào)的超聲換能器。換能器頻率偏移率低，能量轉(zhuǎn)換率達(dá)到95%以上，實(shí)現(xiàn)功率輸出最大化。系統(tǒng)兼容性好，自動(dòng)調(diào)節(jié)程度高，有很寬的頻率跟蹤范圍。電源可以輸出平穩(wěn)的能量和振幅，并對(duì)換能器的最大輸出功率、振幅、電壓進(jìn)行限制，電源有過(guò)壓、過(guò)溫、過(guò)流等多重保護(hù)手段。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 作品在省級(jí)挑戰(zhàn)杯中獲獎(jiǎng)
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無(wú)技術(shù)轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品 樣品 現(xiàn)場(chǎng)展示
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 使用說(shuō)明： 通電源啟動(dòng)超聲波發(fā)生器,初次上電自動(dòng)收索和換能器相匹配的頻點(diǎn)；大約20秒后進(jìn)入正常的工作狀態(tài),用手觸篩網(wǎng),篩網(wǎng)振感明顯。在以后的工作中,自動(dòng)跟蹤頻率變化,實(shí)現(xiàn)功率輸出的最大化。 術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)： 自動(dòng)掃描換能器的本振頻率，動(dòng)態(tài)調(diào)整振源的頻率，采用PID控制算法，快速精確，使之始終工作在最是頻率和電流，大大的提高了生產(chǎn)量。 （1）可以在惡劣的環(huán)境下使用，性能穩(wěn)定，可持續(xù)工作24小時(shí)。 （2）有快速過(guò)載保護(hù)和輸出短路保護(hù)功能，具有功率調(diào)節(jié)功能。 （3）噪音小，散熱速度快，具有良好的防塵，密封措施。 （4）單位時(shí)間篩分質(zhì)量效率達(dá)1.5倍，篩分量可達(dá)2倍以上。 適用范圍： 可適用于各種超聲波系統(tǒng)中，制藥、冶金、化工、選礦、食品等要求精細(xì)篩分過(guò)濾的行業(yè)。 市場(chǎng)分析與經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)： 由于其自動(dòng)化，方便安全易于操作，最大限度的提高了生產(chǎn)量，具有很高的市場(chǎng)價(jià)值和推廣前景。
同類課題研究水平概述
- 超聲技術(shù)是聲學(xué)中發(fā)展最迅速、應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域。尤其在近年來(lái),隨著電子技術(shù)和材料科學(xué)等方面的飛速發(fā)展,大功率超聲技術(shù)如超聲清洗、超聲焊接、超聲加工、超聲霧化、超聲乳化、超聲粉碎等在國(guó)民經(jīng)濟(jì)相關(guān)行業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣,這又反過(guò)來(lái)促進(jìn)了對(duì)功率超聲機(jī)理和應(yīng)用等方面的研究。在功率超聲產(chǎn)生設(shè)備的研究與應(yīng)用中,自動(dòng)頻率跟蹤技術(shù)是重要的課題。而關(guān)鍵所在就是能否提取有效信號(hào)。 自動(dòng)頻率跟蹤系統(tǒng)按照獲取反饋（跟蹤）信號(hào)的方法可分為電反饋系統(tǒng)（利用電—機(jī)換能器的輸入信號(hào)，此信號(hào)與換能器工作部分的振動(dòng)速度或其位移成比例），通過(guò)閉環(huán)電路實(shí)現(xiàn)自跟蹤。和智能反饋系統(tǒng)（利用程序法分析和計(jì)算，確定反饋量，并控制對(duì)應(yīng)的電路實(shí)現(xiàn)跟蹤）。 國(guó)外研究： 超聲加工中的自動(dòng)頻率跟蹤問(wèn)題深受國(guó)外研究者重視，由于起步早，所以應(yīng)用廣，形式也很多。以下是幾種典型的頻率跟蹤系統(tǒng)。 （1） 利用聲—電換能器提取諧振頻率信號(hào) （2） 電反饋法 國(guó)內(nèi)研究： 在國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)中，通常功率調(diào)節(jié)功能大部分仍然依靠手動(dòng)或采用復(fù)雜的電路系統(tǒng)來(lái)完成,這往往給系統(tǒng)的調(diào)試和設(shè)計(jì)帶來(lái)困難，而且操作不方便，精確度不高，生產(chǎn)效率低。 根據(jù)壓電換能器本身的特性,在并聯(lián)諧振頻率附近其等效電阻隨外界負(fù)載的增大而減小,如果保持驅(qū)動(dòng)電壓不變,則換能器的輸出功率將隨負(fù)載的增大而增大,這就為依靠換能器本身性能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)功率調(diào)節(jié)提供了條件。而要實(shí)現(xiàn)這種功能,必須保持系統(tǒng)工作在諧振頻率附近,因此需要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)諧振頻率的自動(dòng)跟蹤。 而本產(chǎn)品在市場(chǎng)上現(xiàn)有的為數(shù)很少的頻率自動(dòng)跟蹤電源的基礎(chǔ)上進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)。本產(chǎn)品克服了其他相關(guān)產(chǎn)品的種種缺點(diǎn)，為自動(dòng)化、高效率生產(chǎn)，高精度調(diào)節(jié)提供了方便，具有跟隨速度快、頻率跟蹤準(zhǔn)確、電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，這種自動(dòng)跟蹤頻率技術(shù)可應(yīng)用于各種超聲設(shè)備以及行業(yè)當(dāng)中，如清洗、焊接、粉碎篩選等等，具有很好的市場(chǎng)前景。
