基于移相電路的超聲加工驅(qū)動器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于移相電路的超聲加工驅(qū)動器，其包括市電輸入模塊、整流濾波電路、全橋逆變模塊、變壓器、匹配網(wǎng)絡模塊、電磁變換模塊、換能器負載模塊、驅(qū)動模塊、過壓過流保護電路、顯示屏幕模塊、信號檢測模塊和MCU模塊。本發(fā)明結(jié)構(gòu)設計巧妙、合理，通過移相控制策略實現(xiàn)逆變電路的輸出功率線性可調(diào)，把逆變橋輸出的方波變成同頻率正弦波信號，最終得到一個功率和頻率可調(diào)的正弦波信號，并具有更大功率，頻率跟蹤更準確、線性輸出功率更精確等優(yōu)點；而且基于單片機控制，更容易實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)字式控制，具有掃頻，功率線性控制，信號實時檢測，作業(yè)日志記錄等優(yōu)點；另外整體結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，操作簡易，利于廣泛推廣運用。
【專利說明】
基于移相電路的超聲加工驅(qū)動器
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于超聲加工驅(qū)動器技術領域，具體涉及一種基于移相電路的超聲加工驅(qū)動器。
【背景技術】
[0002]超聲驅(qū)動器也可以稱為超聲驅(qū)動電源，提供超聲換能器所需的同頻率正弦波信號的裝置。作為一門交叉學科，它伴隨著自動控制、電力電子技術和信號檢測等多學科技術的發(fā)展。按照驅(qū)動器的原理，可以把超聲波驅(qū)動器分為信號放大電路構(gòu)成的適用于小功率的和以開關電源構(gòu)成的適合大功率使用的兩種。市場上常見的電子(晶體)管驅(qū)動器以及模擬集成IC電路驅(qū)動器都是信號放大類，由MOSFET和IGBT等構(gòu)成的驅(qū)動器則屬于開關電源類。超聲波驅(qū)動器的發(fā)展也經(jīng)歷了一個漫長的演變過程。
[0003]國內(nèi)外關于超聲波驅(qū)動器和諧振變換器的研究現(xiàn)狀，目前超聲波驅(qū)動器的研制已經(jīng)比較成熟特別是國外的研究，研究人員也對LLC諧振變換器做了大量的有意義的探索工作，但是仍然存在一些亟待解決的問題，本課題針對輸出功率線性調(diào)節(jié)精度差，頻率跟蹤準確性低、電刷式電能傳輸效率低等缺點結(jié)合了 LLC諧振變換器的優(yōu)點，本發(fā)明提出了基于移相控制策略配合諧振變換器構(gòu)成的架構(gòu)設計了超聲波驅(qū)動器。
[0004]在工業(yè)發(fā)達的國家和地區(qū)，形成了比較完整的設計和制作理論。國外的超聲波研究不僅起步早，而且對超聲驅(qū)動器的資金和技術投入大，使得國外在超聲波驅(qū)動器技術方面相對國內(nèi)處于領先地位。
[0005]James M.Weaver等人在1993年研制的一種新型超聲焊接功率驅(qū)動器，在驅(qū)動器與換能器之間加入一個可變阻抗網(wǎng)絡電路，利用微處理器檢測到輸出端的電流和電壓來選取阻抗網(wǎng)絡的預設定值，使換能器在不同的負載條件下焊接效果大致相同。Scott Kellogg等人在1999年研制的超聲波驅(qū)動器，采用相位鎖定反饋回路配合單片機控制，使得頻率跟蹤更加準確。并加入監(jiān)控電路監(jiān)控換能器是否工作在諧振狀態(tài)下，單片機能自動保存最后一個諧振工作狀態(tài)。Jason May等人在2008年，使用IGBT組成的逆變橋作為控制功率輸出部分研制的一種大功率超聲驅(qū)動器。2011年文獻[11]Javad Bargoshadi提出一種新穎的分散頻率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，采用反激電路作為功率輸出級，使用ATmega32單片機作為控制部分，使驅(qū)動器頻帶從30 kHz到60 kHz線性可調(diào)。文獻[12]2013年Javad Abbaszadeh等人設計的應用在超聲清洗領域的驅(qū)動器，掃描頻率在20kHz到30kHz，最大輸出功率110 W，能夠設定頻率在換能器的諧振頻率附近，同時控制系統(tǒng)能實時監(jiān)測和調(diào)整系統(tǒng)頻率。
[0006]目前，我國的超聲波驅(qū)動器技術在各大高校和科研院所取得了一定的進步，但大多缺乏自己的核心技術，實際性能也不是很理想，與國外先進的超聲波驅(qū)動技術仍然存在很大的差距。
[0007]國內(nèi)外關于超聲波驅(qū)動器和諧振變換器的研究現(xiàn)狀，目前超聲波驅(qū)動器的研制已經(jīng)比較成熟特別是國外的研究，研究人員也對LLC諧振變換器做了大量的有意義的探索工作，但是仍然存在一些亟待解決的問題，本申請針對輸出功率線性調(diào)節(jié)精度差，頻率跟蹤準確性低、電刷式電能傳輸效率低等缺點結(jié)合了 LLC諧振變換器的優(yōu)點，本申請?zhí)岢隽嘶谝葡嗫刂撇呗耘浜现C振變換器構(gòu)成的架構(gòu)設計了超聲波驅(qū)動器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明目的在于，提供一種結(jié)構(gòu)設計巧妙、合理，能將220V的市電轉(zhuǎn)換成驅(qū)動換能器諧振工作時需要的正弦波，且具有更大功率，頻率跟蹤更準確、線性輸出功率更精確的基于移相電路的超聲加工驅(qū)動器。
[0009]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的技術方案是:一種基于移相電路的超聲加工驅(qū)動器，其包括市電輸入模塊、整流濾波電路、全橋逆變模塊、變壓器、匹配網(wǎng)絡模塊、電磁變換模塊、換能器負載模塊、驅(qū)動模塊、過壓過流保護電路、顯示屏幕模塊、信號檢測模塊和MCU模塊，所述市電輸入模塊、整流濾波電路、全橋逆變模塊、變壓器、匹配網(wǎng)絡模塊、電磁變換模塊和換能器負載模塊依次連接，匹配網(wǎng)絡模塊分別和過壓過流保護電路、信號檢測模塊相連接，過壓過流保護電路和驅(qū)動模塊分別與所述全橋逆變模塊相連接，所述MCU模塊分別與驅(qū)動模塊、信號檢測模塊和顯示屏幕模塊相連接。
[0010]作為本發(fā)明的一種改進，所述驅(qū)動模塊為基于IR2210S的驅(qū)動電路。
[0011]作為本發(fā)明的一種改進，所述顯示屏幕模塊為液晶顯示器，該液晶顯示器通過UART與所述MCU模塊相連接。
[0012]作為本發(fā)明的一種改進，所述M⑶模塊的控制核心是基于Cortex-M3內(nèi)核的單片機，型號為 STM32F103ZET6。
[0013]作為本發(fā)明的一種改進，所述電磁變換模塊為換能器供電。
[0014]作為本發(fā)明的一種改進，所述全橋逆變模塊將220V/50Hz的市電轉(zhuǎn)換成與換能器負載工作諧振頻率接近的正弦信號。
[0015]本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明結(jié)構(gòu)設計巧妙、合理，通過移相控制策略實現(xiàn)逆變電路的輸出功率線性可調(diào)，把逆變橋輸出的方波變成同頻率正弦波信號，配合電磁變換模塊為換能器供電，最終得到一個功率和頻率可調(diào)的正弦波信號，即實現(xiàn)將220 V的市電轉(zhuǎn)換成驅(qū)動換能器諧振工作時需要的正弦波，且具有更大功率，頻率跟蹤更準確、線性輸出功率更精確;而且基于單片機控制，更容易實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)字式控制，具有掃頻，功率線性控制，信號實時檢測，作業(yè)日志記錄等優(yōu)點；另外整體結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，操作簡易，利于廣泛推廣運用。
[0016]下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明作進一步說明。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明的電路模塊結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0018]實施例:參見圖1，本實施例提供了一種一種基于移相電路的超聲加工驅(qū)動器，其包括市電輸入模塊、整流濾波電路、全橋逆變模塊、變壓器、匹配網(wǎng)絡模塊、電磁變換模塊、換能器負載模塊、驅(qū)動模塊、過壓過流保護電路、顯示屏幕模塊、信號檢測模塊和MCU模塊，所述市電輸入模塊、整流濾波電路、全橋逆變模塊、變壓器、匹配網(wǎng)絡模塊、電磁變換模塊和換能器負載模塊依次連接，匹配網(wǎng)絡模塊分別和過壓過流保護電路、信號檢測模塊相連接，過壓過流保護電路和驅(qū)動模塊分別與所述全橋逆變模塊相連接，所述MCU模塊分別與驅(qū)動模塊、信號檢測模塊和顯示屏幕模塊相連接。
[0019]較佳的，全橋逆變模塊電路拓撲主要包含四個部分:開關網(wǎng)絡主要作用產(chǎn)生頻率和幅值線性可調(diào)的方波信號;低通濾波器的作用是將開關網(wǎng)絡產(chǎn)生的方波濾除諧波得到正弦波;諧振網(wǎng)絡作用在負載或輸入變化較大時，維持頻率穩(wěn)定；負載部分是超聲換能器。整個系統(tǒng)屬于超聲波驅(qū)動開關電源，其主要作用是將220 V/50 Hz的市電轉(zhuǎn)換成與換能器負載工作諧振頻率接近的正弦信號。
[0020]超聲波電源的主功率電路在高壓、高頻狀態(tài)下工作，為了避免數(shù)字控制電路受到主功率電路高頻開關噪聲的沖擊影響，需要在高頻、高壓電路和低壓數(shù)字電路之間加隔離電路。其驅(qū)動電路的性能直接影響超聲波電源工作的可靠性、穩(wěn)定性及精確性。較佳的，所述驅(qū)動模塊為基于IR2210S的驅(qū)動電路。IR2110S是具有電磁隔離和光耦隔離優(yōu)點的IGBT、MOSFET驅(qū)動模塊，具有體積小、速度快、集成度高、響應速度快等優(yōu)點。
[0021]所述顯示屏幕模塊為人機交互界面，完成用戶參數(shù)設置及驅(qū)動器工作時參數(shù)的顯示，本實施例中，所述顯示屏幕模塊為液晶顯示器，該液晶顯示器通過UART與所述MCU模塊相連接。
?0022] 較佳的，所述MCU模塊的控制核心是基于Cortex_M3內(nèi)核的單片機，型號為STM32F103ZET6。所述MCU模塊中采用的DDS芯片型號是AD9837，它是一款低功耗，可編程的波形發(fā)生器，能夠完成正弦波、三角波和方波的輸出。其輸出頻率和相位可通過單片機直接控制，操作簡單。頻率寄存器為28位:時鐘周期為16MHz，可以實現(xiàn)0.06Hz的分辨率;時鐘周期為5MHz時，可以實現(xiàn)0.02Hz的分辨率。AD9837可通過串行接口寫入控制數(shù)據(jù)。該串行接口能夠以最高40 MHz的時鐘速率工作，并且與ARM、DSP和微控制器標準兼容。該器件采用2.5V至5.5 V電源供電。通過單片機寫入控制字和頻率字，外部采用16MHz的有源晶振提供時鐘周期，實現(xiàn)方波信號的輸出。
[0023]本發(fā)明結(jié)構(gòu)設計巧妙、合理，通過移相控制策略實現(xiàn)逆變電路的輸出功率線性可調(diào)，把逆變橋輸出的方波變成同頻率正弦波信號，配合電磁變換模塊為換能器供電，最終得到一個功率和頻率可調(diào)的正弦波信號，即實現(xiàn)將220 V的市電轉(zhuǎn)換成驅(qū)動換能器諧振工作時需要的正弦波，且具有更大功率，頻率跟蹤更準確、線性輸出功率更精確;而且基于單片機控制，更容易實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)字式控制，具有掃頻，功率線性控制，信號實時檢測，作業(yè)日志記錄等優(yōu)點；經(jīng)檢測得出，本基于移相電路的超聲加工驅(qū)動器的驅(qū)動電壓精度可達到
0.01V，控制頻率可達0.0lHz，輸出功率可高達100Watt，能滿足了超聲加工的需求。
[0024]因此，本發(fā)明并不局限于上面揭示和描述的【具體實施方式】，對本發(fā)明的一些修改和變更也應當落入本發(fā)明的權利要求的保護范圍內(nèi)。此外，盡管本說明書中使用了一些特定的術語，但這些術語只是為了方便說明，并不對本發(fā)明構(gòu)成任何限制，采用與其相同或相似的其它驅(qū)動器，均在本發(fā)明保護范圍內(nèi)。
【主權項】
1.一種基于移相電路的超聲加工驅(qū)動器，其特征在于，其包括市電輸入模塊、整流濾波電路、全橋逆變模塊、變壓器、匹配網(wǎng)絡模塊、電磁變換模塊、換能器負載模塊、驅(qū)動模塊、過壓過流保護電路、顯示屏幕模塊、信號檢測模塊和MCU模塊，所述市電輸入模塊、整流濾波電路、全橋逆變模塊、變壓器、匹配網(wǎng)絡模塊、電磁變換模塊和換能器負載模塊依次連接，匹配網(wǎng)絡模塊分別和過壓過流保護電路、信號檢測模塊相連接，過壓過流保護電路和驅(qū)動模塊分別與所述全橋逆變模塊相連接，所述MCU模塊分別與驅(qū)動模塊、信號檢測模塊和顯示屏幕豐吳塊相連接。2.根據(jù)權利要求1所述的基于移相電路的超聲加工驅(qū)動器，其特征在于，所述驅(qū)動模塊為基于IR2210S的驅(qū)動電路。3.根據(jù)權利要求1所述的基于移相電路的超聲加工驅(qū)動器，其特征在于，所述顯示屏幕模塊為液晶顯示器，該液晶顯示器通過UART與所述MCU模塊相連接。4.根據(jù)權利要求1所述的基于移相電路的超聲加工驅(qū)動器，其特征在于，所述MCU模塊的控制核心是基于Cortex-M3內(nèi)核的單片機，型號為STM32F103ZET6。5.根據(jù)權利要求1所述的基于移相電路的超聲加工驅(qū)動器，其特征在于，所述電磁變換模塊為換能器供電。6.根據(jù)權利要求1所述的基于移相電路的超聲加工驅(qū)動器，其特征在于，所述全橋逆變模塊將220V/50 Hz的市電轉(zhuǎn)換成與換能器負載工作諧振頻率接近的正弦信號。
【文檔編號】H02M5/42GK105846687SQ201610348168
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月24日
【發(fā)明人】張增英, 李澤湘, 王煜, 米長軍
【申請人】東莞市優(yōu)超精密技術有限公司