基于移相電路的超聲加工驅動器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于移相電路的超聲加工驅動器，其包括市電輸入模塊、整流濾波電路、全橋逆變模塊、變壓器、匹配網絡模塊、電磁變換模塊、換能器負載模塊、驅動模塊、過壓過流保護電路、顯示屏幕模塊、信號檢測模塊和MCU模塊。本發明結構設計巧妙、合理，通過移相控制策略實現逆變電路的輸出功率線性可調，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點；而且基于單片機控制，更容易實現系統的數字式控制，具有掃頻，功率線性控制，信號實時檢測，作業日志記錄等優點；另外整體結構簡單，易于實現，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動器
技術領域
[0001]本發明屬于超聲加工驅動器技術領域，具體涉及一種基于移相電路的超聲加工驅動器。
【背景技術】
[0002]超聲驅動器也可以稱為超聲驅動電源，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展。按照驅動器的原理，可以把超聲波驅動器分為信號放大電路構成的適用于小功率的和以開關電源構成的適合大功率使用的兩種。市場上常見的電子(晶體)管驅動器以及模擬集成IC電路驅動器都是信號放大類，由MOSFET和IGBT等構成的驅動器則屬于開關電源類。超聲波驅動器的發展也經歷了一個漫長的演變過程。
[0003]國內外關于超聲波驅動器和諧振變換器的研究現狀，目前超聲波驅動器的研制已經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節精度差，頻率跟蹤準確性低、電刷式電能傳輸效率低等缺點結合了 LLC諧振變換器的優點，本發明提出了基于移相控制策略配合諧振變換器構成的架構設計了超聲波驅動器。
[0004]在工業發達的國家和地區，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，而且對超聲驅動器的資金和技術投入大，使得國外在超聲波驅動器技術方面相對國內處于領先地位。
[0005]James M.Weaver等人在1993年研制的一種新型超聲焊接功率驅動器，在驅動器與換能器之間加入一個可變阻抗網絡電路，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。并加入監控電路監控換能器是否工作在諧振狀態下，單片機能自動保存最后一個諧振工作狀態。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動器。2011年文獻[11]Javad Bargoshadi提出一種新穎的分散頻率調節系統，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，使驅動器頻帶從30 kHz到60 kHz線性可調。文獻[12]2013年Javad Abbaszadeh等人設計的應用在超聲清洗領域的驅動器，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，同時控制系統能實時監測和調整系統頻率。
[0006]目前，我國的超聲波驅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動技術仍然存在很大的差距。
[0007]國內外關于超聲波驅動器和諧振變換器的研究現狀，目前超聲波驅動器的研制已經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節精度差，頻率跟蹤準確性低、電刷式電能傳輸效率低等缺點結合了 LLC諧振變換器的優點，本申請提出了基于移相控制策略配合諧振變換器構成的架構設計了超聲波驅動器。

【發明內容】

[0008]本發明目的在于，提供一種結構設計巧妙、合理，能將220V的市電轉換成驅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動器。
[0009]為實現上述目的，本發明所提供的技術方案是:一種基于移相電路的超聲加工驅動器，其包括市電輸入模塊、整流濾波電路、全橋逆變模塊、變壓器、匹配網絡模塊、電磁變換模塊、換能器負載模塊、驅動模塊、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、匹配網絡模塊、電磁變換模塊和換能器負載模塊依次連接，匹配網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模塊分別與驅動模塊、信號檢測模塊和顯示屏幕模塊相連接。
[0010]作為本發明的一種改進，所述驅動模塊為基于IR2210S的驅動電路。
[0011]作為本發明的一種改進，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]作為本發明的一種改進，所述M⑶模塊的控制核心是基于Cortex-M3內核的單片機，型號為 STM32F103ZET6。
[0013]作為本發明的一種改進，所述電磁變換模塊為換能器供電。
[0014]作為本發明的一種改進，所述全橋逆變模塊將220V/50Hz的市電轉換成與換能器負載工作諧振頻率接近的正弦信號。
[0015]本發明的有益效果為:本發明結構設計巧妙、合理，通過移相控制策略實現逆變電路的輸出功率線性可調，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的正弦波信號，即實現將220 V的市電轉換成驅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，更容易實現系統的數字式控制，具有掃頻，功率線性控制，信號實時檢測，作業日志記錄等優點；另外整體結構簡單，易于實現，操作簡易，利于廣泛推廣運用。
[0016]下面結合附圖和實施例，對本發明作進一步說明。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發明的電路模塊結構示意圖。
【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、匹配網絡模塊、電磁變換模塊、換能器負載模塊、驅動模塊、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、匹配網絡模塊、電磁變換模塊和換能器負載模塊依次連接，匹配網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:開關網絡主要作用產生頻率和幅值線性可調的方波信號;低通濾波器的作用是將開關網絡產生的方波濾除諧波得到正弦波;諧振網絡作用在負載或輸入變化較大時，維持頻率穩定；負載部分是超聲換能器。整個系統屬于超聲波驅動開關電源，其主要作用是將220 V/50 Hz的市電轉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、高頻狀態下工作，為了避免數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、高壓電路和低壓數字電路之間加隔離電路。其驅動電路的性能直接影響超聲波電源工作的可靠性、穩定性及精確性。較佳的，所述驅動模塊為基于IR2210S的驅動電路。IR2110S是具有電磁隔離和光耦隔離優點的IGBT、MOSFET驅動模塊，具有體積小、速度快、集成度高、響應速度快等優點。
[0021]所述顯示屏幕模塊為人機交互界面，完成用戶參數設置及驅動器工作時參數的顯示，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0.06Hz的分辨率;時鐘周期為5MHz時，可以實現0.02Hz的分辨率。AD9837可通過串行接口寫入控制數據。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，實現方波信號的輸出。
[0023]本發明結構設計巧妙、合理，通過移相控制策略實現逆變電路的輸出功率線性可調，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的正弦波信號，即實現將220 V的市電轉換成驅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，更容易實現系統的數字式控制，具有掃頻，功率線性控制，信號實時檢測，作業日志記錄等優點；經檢測得出，本基于移相電路的超聲加工驅動器的驅動電壓精度可達到
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，本發明并不局限于上面揭示和描述的【具體實施方式】，對本發明的一些修改和變更也應當落入本發明的權利要求的保護范圍內。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，并不對本發明構成任何限制，采用與其相同或相似的其它驅動器，均在本發明保護范圍內。
【主權項】
1.一種基于移相電路的超聲加工驅動器，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、匹配網絡模塊、電磁變換模塊、換能器負載模塊、驅動模塊、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、匹配網絡模塊、電磁變換模塊和換能器負載模塊依次連接，匹配網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模塊分別與驅動模塊、信號檢測模塊和顯示屏幕豐吳塊相連接。2.根據權利要求1所述的基于移相電路的超聲加工驅動器，其特征在于，所述驅動模塊為基于IR2210S的驅動電路。3.根據權利要求1所述的基于移相電路的超聲加工驅動器，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.根據權利要求1所述的基于移相電路的超聲加工驅動器，其特征在于，所述MCU模塊的控制核心是基于Cortex-M3內核的單片機，型號為STM32F103ZET6。5.根據權利要求1所述的基于移相電路的超聲加工驅動器，其特征在于，所述電磁變換模塊為換能器供電。6.根據權利要求1所述的基于移相電路的超聲加工驅動器，其特征在于，所述全橋逆變模塊將220V/50 Hz的市電轉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
【發明人】張增英, 李澤湘, 王煜, 米長軍
【申請人】東莞市優超精密技術有限公司