CN101269370A - 数字式超声波发生器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声波发生器，为解决传统超声波发生器只能手动跟踪而无法实现自动频率跟踪的问题，本发明提供一种数字式超声波发生器，其中包括整流滤波电路、逆变单元、匹配电路、换能器、以及振荡及驱动电路。还包括控制单元，对输入所述整流滤波电路的电流进行检测并向所述控制单元输出电流检测信号的电流检测电路，与所述控制单元连接并向振荡及驱动电路输出频率调节信号的第一数字电位器，与所述控制单元连接并向所述振荡及驱动电路输出功率调节信号的第二数字电位器，以及与所述控制单元连接的输入按键。本发明的超声波发生器为全数字化工作，工作可靠、抗干扰能力强，更重要的是能自动找到使半桥逆变电路的输入电流达到最大值的频率点。

Description

数字式超声波发生器

技术领域

本发明涉及超声波发生器，更具体地说，涉及一种智能型、数字式超声波发生器。

背景技术

如图1所示是一种传统超声波发生器的原理框图，其中包括与220V市电连接的整流及滤波电路101，它向桥式功率放大逆变电路103输出315V直流电；振荡及驱动电路102则向桥式功率放大逆变电路103中的功率开关管输出控制信号；桥式功率放大逆变电路103经输出匹配电路104连接到换能器105，从而由换能器105将电磁能量转换为超声波。从图中可以看出，其中是一个调频电位器106来实现人工频率调节，并有一个负载指示百分表107来监控整个超生波发生器的工作状态。在桥式功率放大逆变电路103中，通常使用大功率三级管和IGBT(绝缘三双极型功率管)做末级功率放大电路。

超声波具有很高的能量。以超声清洁装置为例，超声波在媒液(例如水、或水基介质)中传播时，把能量传递给传媒质点，传媒质点再将能量传递到被清洗物体表面、促使污垢解离分散。超声波的清洗作用包括本身具有的能量作用，即空穴破坏时放出的能量作用；还包括对媒液的搅拌流动作用等。超声波发生器的作用则是将电磁能量转换成超声波能量，具体是通过前述换能器105来完成。在超声清洁装置中，换能器105通常固定在清洗槽底部，有时也装在清洗槽侧面。由于超声波以正压、负压交替变化的方式向前传播。负压时可在媒液中造成微小的洞穴而形成气泡；正压时气泡被压缩，最后被压破。在气泡被压破的瞬间，会对其周围会形成巨大的轰击，放出巨大的能量，附近的液体或固体都会受到上千个大气压的高压，从而使得物体表面及缝隙之中的污垢迅速剥落，这就是超声波清洗中特有的“空穴现象”。

在图1所示传统超声波发生器的振荡及驱动电路102中，通常使用早期的自激振荡电路，虽然也有一些产品中使用他激式电路，但都是采用手动方式来跟踪频率。使用时，由于外界因素的影响，采用人工方法不能及时跟踪到谐振频率，从而使得整个超声波发生器的工作频率极不稳定。除了只能手动跟踪而无法实现自动频率跟踪外，传统超声波发生器还存在不具有成本高、效率低、故障率高、没有定时功能等缺点。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷，本发明要解决传统超声波发生器只能手动跟踪而无法实现自动频率跟踪的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种超声波发生器，其中包括依次连接的整流滤波电路、逆变单元、匹配电路、以及换能器，还包括向所述逆变电路中的功率开关管输出控制信号的振荡及驱动电路；其中还包括：一个控制单元；对输入所述整流滤波电路的电流进行检测，并向所述控制单元输出电流检测信号的电流检测电路；与所述控制单元的频率跟踪信号输出端连接，并向所述振荡及驱动电路输出频率调节信号的第一数字电位器；以及，与所述控制单元连接的输入按键。

本发明的超声波发生器中，最好还包括与所述控制单元的功率调节信号输出端连接，并向所述振荡及驱动电路输出功率调节信号的第二数字电位器。

本发明的超声波发生器中，最好还包括与所述控制单元连接的频率显示器、以及功率显示器。

本发明的超声波发生器中，所述控制单元为一个单片机。

由上述方案可以看出，本发明的超声波发生器为全数字化工作，因而工作可靠，抗干扰能力强，易于调试。本发明的超声波发生器能自动找到使半桥逆变电路的输入电流达到最大值的频率点，从而克服了一般采用反馈形式的频率自动跟踪系统中反馈尝试不易控制、电路参数难以调整的困难。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是传统超声波发生器的原理框图；

图2是本发明一个实施例中的超声波发生器的原理框图；

图3是根据“单变量线性规划”寻找最大电流点的示意图；

图4是本发明中实现自动跟踪的流程图；

图5是本发明一个优选实施例中单片机控制单元和数字显示部分的电路图；

图6是与图5配合的末级功率放大部分的电路图；

图7是与图5配合的IGBT功率放大管驱动电路的电路图；

图8是与图5配合的振荡电路的电路图。

具体实施方式

本发明的一个实施例如图2所示，从图中可以看出，这种超声波发生器中包括依次连接的整流滤波电路201、逆变单元203、匹配电路204、以及换能器205，还包括向逆变电路203中的功率开关管输出控制信号的振荡及驱动电路202。与图1中所示的传统超声波发生器相比，本实施例的超声波发生器中还包括：单片机控制单元206、对输入整流滤波电路的电流进行检测并向控制单元输出电流检测信号的电流检测电路207、与控制单元的频率跟踪信号输出端连接并向振荡及驱动电路输出频率调节信号的第一数字电位器209、与控制单元的功率调节信号输出端连接并向振荡及驱动电路输出功率调节信号的第二数字电位器210、以及与控制单元连接的输入按键208。

本实施例中，采用PWM(脉宽调制)来实现功率调节，具体是利用单片机控制单元206控制死区的电压来实现.并通过输入按键208的加减，分八路输出电压逐级调节输出功率。因此，本实施例中形成一个单片机功率调节系统，这里的单片机，通常也称为单片微型计算机、微控制器、或嵌入式微控制器。

本实施例中，采用半桥逆变式电源，并通过对输入半桥逆变电路的电流，以及换能器振动系统的振幅、频率随负载的变化情况进行测量和分析，进而找出输入半桥逆变电路的电流、换能器振动系统的振幅、超声波发生器的频率之间的一一对应的单调关系。当换能器处于谐振状态时，振幅最大，此时输入半桥逆变电路的电流也最大。也就是说，只要搜索到输入半桥逆变电路的最大电流，也就找到了谐振频率点。因此，本实施例中形成一个单片机频率自动跟踪系统，采用变频搜索方式，使得输入半桥逆变电路的电流总是保持在最大值，从而保证换能器总是工作于谐振状态。

本发明实施例中，根据“单变量线性规划”的原理来寻找最大电流点。通过分析可知，影响振幅的主要因素(例如负载)在一定的时间内是稳定的；因此，如果系统的工作速度足够快，就能在该时间内寻找到最佳工作状态。由于控制变量仅仅是超声波发生器的频率f、以及半桥逆变电路的输入电流I之间的关系，所以是单变量线性规划问题。

如图3所示，设I是要寻找的目标，f是影响的因素。首先将f在允许的范围内分成若干等份，以得出控制f过程的推进量Δf。假设初始状态在f1处，通过测量得到对应的I1；然后f向前推进至f2，又可到I2；然后比较I2与I1的大小，若I2＞I1，则表示I在增加。此时，沿原方向进一步推进至f3(对应I3)，如此不断进行，直至f4(对应I4)时，若再进一步推进至f5(对应I5)，从图中可以看出，此时I5＜I4，即I值下降了，这说明控制已超过极值点，此时应改变原推进方向，即反方向推进。

例如在一次跟踪过程中一共推进了64步才找到电流最大点，那么就有两种可能性：第一种是向前推进了62步电流都是在往上升状态进行，但是到了63步时电流开始下降，这时候就停止向前推进，并改变方向向后推进一步，从而在第64步找到电流最大值；第二种是向前推进第1步时电流就往下降，这时候就停止向前推进，并改变方向向后推进，向后推进了61步电流都是在往上升状态进行，但是到了63步时电流开始下降，这时候就停止向后推进，并改变方向向前推进一步，这样就可在第64步找到电流最大值。总的来说，如果之前的推进中电流是增大趋势，到某一点转为减少趋势时，再回退一步，即为电流最大值所在点。

这样，只要增加推进步数，即减少步长Δf，就可以得到更高精度I，得到图3所示的状态，即在f4得到电流最大值。每隔一定时间重复一次上述过程，就可保证系统工作于谐振状态。

如图4所示为本发明一个实施例中实现频率跟踪的流程图，从图中可以看出，刚开始工作时，通过单片机内部程序控制频率递增，从而使得电流逐渐变大，此时利用图3所示原理寻找电流电大值，一旦找到，就进行频率锁定，即保持在当前频率点工作。然后，每隔一分钟作一次频率自动校正，先作频率递增，如果递增一步后电流增大，则表示需继续递增；如果递增到某一步后电流减小，则反向作频率递减；在频率递减过程中，如果递减一步后电流增大，则表示需继续递减，如果递减到某一步后电流减小，锁定该频率点。

如图5取至图8是本发明一个优选实施例中的超声波发生器的电路图，其中，图5是单片机控制单元和数字显示部分的电路图，图6是末级功率放大部分的电路图，图7是IGBT功率放大管驱动电路的电路图，图8是振荡电路的电路图。该超声波发生器的软件部分则采用了模块化程序设计技术，根据功能要求，将软件分成以下几个模块：系统初始模块、信号采集及比较模块、频率递增模块、频率递减模块。该系统全部采用先进的集成电路，全数字化工作，因而工作可靠，所有I/O口均有光耦隔离，抗干扰能力强，易于调试。

此外，本实施例中增设了定时功能，通过对输入的时间进行确认后，超声波发生器启动开始工作，工作满预定时间后，自动关闭。其中，定时时间可为0.1秒至999小时，通过按键设定定时时间，定时时间由3位LED数码管显示。具有12种工作模式，用户可自行设定工作模式。外接6MHz晶体振荡器，定时误差小于10毫秒，最小定时分辨率达0.1秒。

对本实施例中的超声波发生器进行空载和带负载试验，结果表明，能可靠地对频率进行跟踪，实现自动运行的目标，且跟踪准确、波动小、跟踪时间小于3秒。

本实施例中的超声波发生器，具有以下特点：

(1)率先使用全集成化的单片式微机控制技术。

(2)明亮的LED频率显示，用户可以实时监控超声波的工作频率及功率。

(3)多种定时模式选择，用户可以跟据不同的产品进行选择时间模式。

(4)自动/手动频率模式选择，用户可以跟据不同的需要进行选择。

(5)多种功率控制方式-控制空化强度在10％-100％的范围内变化，以使功率满足不同应用的需要。这种功率控制是通过调节幅度来实现的，从而确保了过程控制的稳定性和安全性。功率LED显示屏显示所选择的档位。

(6)自动频率跟踪-保持应用所需的最佳工作频率。自动频率跟踪采用动态调节发生器，使其适应温度，液位，负载等变化的条件，以优化清洗效果。

(7)通过更改软件就可以针对不同的产品调节载波的频率及扫频的各种参数，这是其它同行业厂家做不到的。

(8)所有I/O口均有光耦隔离，抗干扰能力极强。

由上述实施例可以看到，本发明能自动找到使半桥逆变电路的输入电流达到最大值的频率点，从而克服了一般采用反馈形式的频率自动跟踪系统中反馈尝试不易控制、电路参数难以调整的困难。本发明超声波发生器变频的步长、延时参数均可由软件加以调整，十分方便，体现了硬件软化的功能，故对各种系统的适应性强。

Claims (4)

1. 一种数字式超声波发生器，其中包括依次连接的整流滤波电路、逆变单元、匹配电路、以及换能器，还包括向所述逆变电路中的功率开关管输出控制信号的振荡及驱动电路；其特征在于，还包括：

一个控制单元；

对输入所述整流滤波电路的电流进行检测，并向所述控制单元输出电流检测信号的电流检测电路；

与所述控制单元的频率跟踪信号输出端连接，并向所述振荡及驱动电路输出频率调节信号的第一数字电位器；

以及，与所述控制单元连接的输入按键。

2. 根据权利要求1所述的数字式超声波发生器，其特征在于，还包括与所述控制单元的功率调节信号输出端连接，并向所述振荡及驱动电路输出功率调节信号的第二数字电位器。

3. 根据权利要求2所述的数字式超声波发生器，其特征在于，还包括与所述控制单元连接的频率显示器、以及功率显示器。

4. 根据权利要求1-3中任一项所述的数字式超声波发生器，其特征在于，所述控制单元为一个单片机。

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