一種超聲波電源阻抗匹配系統、方法及控制系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及超聲波電源領域，具體為一種超聲波電源阻抗匹配系統、方法及控制 系統。
【背景技術】
[0002] 功率超聲的應用十分廣泛，利用超聲的機械作用、空化作用、熱效應和化學效應， 可進行超聲焊接、鉆孔、固體的粉碎、乳化、脫氣、除塵、去鍋垢、清洗、滅菌、促進化學反應和 進行生物學研究等，在工礦業、農業、醫療等各個部門獲得了廣泛應用。
[0003] 要使超聲發生系統工作在達到最佳的輸出狀態，就必需使該超聲發生系統中的換 能器工作在諧振頻率，通常需要采用阻抗匹配來實現。
[0004] 而使超聲發生系統工作在諧振頻率的阻抗匹配通常需要添加阻抗匹配網絡進行 實現，目前超聲波焊接電源的阻抗匹配大多是采用串聯或并聯電抗器和電容器的方法實現 電源與換能器及其工具頭的頻率匹配。電抗器的存在增加了超聲波電源的成本、重量和體 積。
[0005] 鑒于上述缺陷，本發明創作者經過長時間的研究和實踐終于獲得了本發明。

【發明內容】

[0006] 為解決上述技術缺陷，本發明采用的技術方案在于，提供一種超聲波電源阻抗匹 配系統，包括阻抗匹配網絡與換能器等效網絡，所述阻抗匹配網絡與超聲波電源主電路耦 合，所述阻抗匹配網絡包括由所述超聲波主電路漏感形成的具有電感電學特性的等效電感 Le〇
[0007] 較佳的，所述阻抗匹配網絡包括補償電阻C2,所述換能器等效網絡包括靜態電容 C0與動態阻抗。
[0008] -種采用所述電源阻抗匹配系統進行阻抗匹配方法，包括步驟：
[0009] S1:根據換能器系統的動態阻抗，確定系統諧振頻率；
[0010] S2:測量阻抗匹配網絡等效電感Le;
[0011] S3:確定阻抗匹配需要的電容；
[0012] S4:測量換能器靜態電容；
[0013] S5:確定阻抗匹配網絡補償電容。
[0014]較佳的，所述步驟S1中，通過公式：
[0016] 確定系統諧振頻率fs，其中，分別為換能器系統的感抗與容抗。
[0017] 較佳的，步驟S3中，確定的電容值為換能器補償電容C2與換能器靜態電容C0的并 聯電容。
[0018] -種超聲波電源控制系統，包括一超聲波主電路、一超聲波控制系統、一工具頭系 統及所述的阻抗匹配系統；
[0019] 所述超聲波主電路通過所述阻抗匹配系統實現與所述工具頭系統的阻抗匹配與 連接；
[0020] 所述超聲波控制系統與所述阻抗匹配系統連接獲取其輸出信號；
[0021] 所述超聲波控制系統與所述超聲波主電路連接并控制其工作狀態。
[0022] 較佳的，所述超聲波控制系統包括一采樣及調理電路、一比較電路、一轉換器、一 DSP控制器、一驅動電路與一輸出接口電路；
[0023]所述采樣調理電路與所述比較電路、所述DPS控制器分別相連，用于從所述阻抗匹 配系統中獲取其輸出信號；
[0024]所述DSP控制器與所述驅動電路、所述轉換器、所述輸出接口電路分別相連，用于 從所述采樣及調理電路中獲取電流、電壓波形，進行處理，并通過所述轉換器傳送至所述比 較電路，所述DPS控制器通過控制所述驅動電路實現對所述超聲波主電路的控制；
[0025]所述比較電路獲取功率預設值、電流相位值、電壓相位值，并與獲取的實際功率 值、實際電流相位值、實際電壓相位值相比較，并在存在差異時向所述轉換器向所述DSP控 制器發送信號，所述比較電路還與所述輸出接口電路相連。
[0026]較佳的，所述DSP控制器還包括捕捉模塊，用于獲取所述采樣及調理電路獲取的電 學參數。
[0027] 較佳的，DPS控制器通過UART接口電路連接至人機交互界面，供用戶控制超聲電源 控制系統。
[0028] 較佳的，所述驅動電路包括PWM電路與IGBT驅動電路。與現有技術相比，本發明的 有益效果是:本發明采用虛擬電感匹配模式，充分利用脈沖變壓器繞制時存在的漏感，并聯 一定的補償電容對，換能器及工具頭系統進行諧振和阻抗匹配，降低實體匹配電感的成本 以及整機的重量和實體電感發熱的能耗，省材降耗。
【附圖說明】
[0029] 圖1為本發明阻抗匹配系統示意圖；
[0030] 圖2為本發明超聲波電源結構示意圖；
[0031 ]圖3為本發明超聲波控制系統示意圖。
【具體實施方式】
[0032] 以下結合附圖，對本發明上述的和另外的技術特征和優點作更詳細的說明。
[0033] 本發明所述的一種超聲波電源阻抗匹配系統。
[0034] 請參見圖1所示，圖1為本發明超聲波電源阻抗匹配系統實施例一結構示意圖，包 括阻抗匹配網絡與換能器等效網絡。
[0035] 所述阻抗匹配網絡與超聲波主電路耦合，超聲波主電路網絡至少包括一高頻變壓 器T1，所述阻抗匹配網絡包括電感Le與補償電容C2,所述換能器等效網絡包括換能器靜態 電容C0、換能器動態電容C1、換能器動態電感L1與換能器動態電阻R1。
[0036] 這里應當指出的是，本實施例中，換能器的阻抗特性被等效成為了靜態電容C0、換 能器動態電容C1、換能器動態電感L1與換能器動態電阻R1四部分，對于本發明所述的系統， 以及本發明下述所述的方法來說，并不必然嚴格按照如此進行等效，但至少應當包括靜態 電容部分(C0)與動態阻抗部分，在圖1所述的實施例中，動態阻抗部分包括換能器動態電 容C1、換能器動態電感L1與換能器動態電阻R1。
[0037] 所述超聲波主電路網絡、阻抗匹配網絡、換能器等效網絡均為二端口網絡，所述超 聲波主電路網絡與阻抗匹配網絡級聯，所述阻抗匹配網絡與所述換能器等效網絡級聯。
[0038] 所述阻抗匹配網絡包括電感Le與補償電容C2,其中，在現有技術中，阻抗匹配網絡 通常需要采用實體的電感器與實體的電容器組成各種例如T型、JT型阻抗匹配網絡，由于通 常阻抗匹配網絡兩端連接的網絡阻抗相差較大，阻抗匹配網絡通常都必須要有電感器的參 與，電感器的制備原理是線圈的纏繞，這種結構功能上的限制使得電感器無法擺脫體積龐 大、價格昂貴與其他電路適應性不良的問題。而超聲波電源領域中，同樣存在著這個問題， 用于阻抗匹配的阻抗匹配網絡中的電感器通常是一個較大的電感器，這個電感器將占用比 較大的體積，為產品帶來較大的成本提升。
[0039] 本發明所述的超聲波電源阻抗匹配網絡，并不含實體電感器，而是利用超聲波主 電路網絡中，變壓器在繞制過程中存在的漏感。由于變壓器的最基本原理是線圈的耦合，所 以在線圈耦合的過程當中并非所有的磁力線都能夠進入次級線圈，產生相當于電感器件性 能的電學參數特性，稱為漏感。漏感的存在是本領域已知的、常見的問題，通常，本領域技術 人員對于漏感的處理，是盡量改善變壓器的性能，盡量減小、消除漏感。
[0040] 本發明所述的阻抗匹配網絡，包括電感Le，所述電感Le為變壓器漏感Le，如此設置 實際上阻抗匹配網絡并不包含實體的電感器，電路中的電感參數特性由變壓器中的漏感 等效生成。與現有存在的普遍的阻抗匹配網絡相比，本發明所提供的阻抗匹配網絡省略了 實體電感的要素，并且利用了長久以來被本領域技術人員希望消除掉的漏感作為等效電 感，不僅通過省略了電路要素實現了相似的同能，并且客服了長久以來存在于本領域中的 技術偏見。
[0041] 本發明還提供一種阻抗匹配方法。
[0042] 利用本發明所述的阻抗匹配系統進行阻抗匹配的方法，包括步驟：
[0043] S1:根據換能器系統的動態阻抗，確定系統諧振頻率；
[0044] 換能器及工具頭系統的動態電感、動態電容決定了換能器的諧振頻率匕，即通過 公式：
[0046]可以確定出該換能器及其工具頭系統的串聯諧振頻率，其中，式中的Ld，Cd分別為 換能器系統的感抗與容抗。在圖1所示實施例中，Ld = Ll，Cd = Cl。
[0047] S2:測量阻抗匹配網絡等效電感Le;
[0048] 確定諧振頻率后，確定變壓器的漏感，即阻抗匹配網絡等效電感Le，此處可以通過 各種電感測量設備進行測量，例如LCR電橋設備。
[0049] S3:確定阻抗匹配需要的電容；
[0050] 確定換能器的系統諧振頻率fs與變壓器漏感Le，及阻抗匹配網絡的