CN102969977A

CN102969977A - 数字化全智能超声波发生器及其自动对频方法

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Publication number: CN102969977A
Application number: CN2012104395646A
Authority: CN
Inventors: 吴彪; 欧阳春柏
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-11-07
Filing date: 2012-11-07
Publication date: 2013-03-13

Abstract

本发明涉及一种数字化全智能超声波发生器及其自动对频方法。所述超声波发生器包括电源整流滤波模块、超声波输出模块等、控制模块和超声波源频率产生模块、超声波功率器件控制模块；所述控制模块控制超声波源频率产生模块产生超声波原频率信号，该原频率信号通过驱动信号死区时间发生模块处理后输出给超声波功率器件控制模块，再由超声波功率器件控制模块输出给超声波输出模块。所述方法包括宽频快速频率扫描的步骤、窄频精准频率跟踪的步骤及驻点工作时全范围跟踪谐振频率的步骤。本发明频率的精准性大大提高了超声波发生器的工作效率；可有效避免功率模块器件自激损坏；所述方法可有效避免谐振频率点漂移，提高超声波发生器的谐振效率。

Description

数字化全智能超声波发生器及其自动对频方法

技术领域

本发明涉及智能超声波发生器技术领域。

背景技术

目前市面上的传统超声波电源具有如下缺点，如图 1所示：（1）其启动采用晶体管模拟放大器OTL/OCL线路，通过自激振荡产生超声波。这种谐振频率的启动依靠振荡线路的自激时，受零件误差和外围条件的影响有时自激不可靠，振动不起来，需要反复开关机。（2）超声波电源一般通过额外产生的锯齿波来平衡设备频率的漂移，设备谐振起来后，工作频率在一定范围内来回变大变小，由于频率变化范围是由线路事先决定好的，这样一来，工作频率在大多数时间段内都是偏离真正的谐振点，不在谐振点工作时，往往造成功耗浪费，效率降低。另外，工作频率忽大忽小，机械振动也就会忽大忽小，导致工作效果不稳定，影响产品质量。（3）自激振荡产生的超声波属于模拟线路控制，受零件本身误差影响较大，不利于批量稳定生产。（4）受模拟量采样和控制的限制，不利于实现整机的智能化自动控制

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种能够自动扫描设备最佳谐振频率工作点并全范围跟踪谐振频率点变化进行自适应、自调整的数字化全智能超声波发生器。

本发明的技术方案如下：数字化全智能超声波发生器，包括依次连接的电源整流滤波模块、超声波输出模块及换能器，还包括控制模块和超声波源频率产生模块、超声波功率器件控制模块；所述控制模块控制超声波源频率产生模块产生超声波原频率信号，该原频率信号通过驱动信号死区时间发生模块处理后输出给超声波功率器件控制模块，再由超声波功率器件控制模块输出给超声波输出模块。

优选的，所述控制模块包括微处理器及与微处理器连接的联机通信电路和PLC外设信号接口电路；所述控制模块还包括与微处理器连接的显示电路和键盘电路。

具体的，所述驱动信号死区时间发生模块包括专用双端脉冲调制器件,其内部集成误差放大器、脉宽比较器、基准电压源及输出电路，专用双端脉冲调制器件CT端和FB端接超声波源频率产生模块，死区时间控制输入端CONT接上固定电压即在输出脉冲上产生附加死区时间的两路驱动信号E1、E2输出给超声波功率器件控制模块。

优选的，所述的数字化全智能超声波发生器，进一步包括功率器件保护模块，所述功率器件保护模块包括过流保护直流偏置电路、过压保护电路、过温保护电路、漏电/短路保护电路；所述功率器件保护模块与超声波输出模块连接，同时与控制模块连接将故障保护信息传输给控制模块。

本发明还提供一种数字化全智能超声波发生器自动对频方法，包括宽频快速频率扫描的步骤及窄频精准频率扫描的步骤。

所述宽频快速频率扫描方式如下：在可以预期的系统允许的工作最大工作频率范围内，以特定的频率扫描步长进行扫频，并采样谐振回路电流数据；对采样到的电流数据利用数学分析方法去除异样点，再采用移动平均法对数据进行平滑，最后利用一阶导数为零的数学分析原理，得到数据曲线拐点；通过比较拐点数据得到拐点数据绝对值的最大值点即为谐振点，微处理器记忆并储存此谐振点参数。

所述窄频精准频率扫描的方式如下：以宽频快速频率扫描得到的谐振点为基准参数，在可以预期的系统工作时的最大频率漂移范围内，以特定的频率跟踪步长进行扫频，并采样谐振回路电流数据；对采样到的电流数据利用数学分析方法去除异样点，再采用移动平均法对数据进行平滑，最后利用一阶导数为零的数学分析原理，得到数据曲线拐点；通过比较拐点数据得到拐点数据绝对值的最大值点即为谐振点，微处理器记忆并储存此谐振点参数，并在此谐振点驻点工作。

应用时，所述宽频快步频率扫描用于超声波设备第一次使用或超声波配置有重大改变时使用；所述窄频精准频率扫描在超声波设备每次开机启动时使用。

优选的，本发明所述的数字化全智能超声波发生器自动对频方法，还包括驻点工作时全范围跟踪谐振频率的步骤，其实现方式为：

在同一谐振点工作时，每隔固定时间间隔对谐振回路的电流数据进行一轮采样；每轮采样中，均多次采样谐振回路的电流数据，并对采样到的电流数据利用数学分析方法去除异样点，再采用四项移动平均法对数据进行平滑，作为该频点的谐振回路电流采样值储存；然后将当前谐振回路电流采样值与前次谐振回路电流采样值进行比较，如果当前谐振回路电流采样值变大，则控制下一工作频率点与上一次频率变化方向一致；如果当前谐振回路电流采样值变小，则控制下一工作频率点与上一次频率变化方向相反；如果当前谐振回路电流采样值无变化，则按原谐振点频率继续驻点工作。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：（1）采用微处理器实现全数字化控制，可自动扫描设备工作谐振频率找到最佳谐振频率驻点工作，并全范围跟踪谐振频率工作，大大提高了超声波发生器的工作效率，降低了单位产量的能耗。（2）所述超声波发生器设置有完备的保护体制，对过压、过温等等情况进行监测，危险情况下可直接切断超声波输出模块工作，保护功率器件。（3）所述超声波发生器内各功能模块均智能化，预留通信接口、PLC信号接口等，可方便的与其他外围自动化设备联机工作；可实时采样输出电流变换，自动调节输出功率，保持输出功率基本恒定；（4）设置带有“死区时间”的驱动信号发生电路，可有效避免功率模块器件自激损坏，提高超声波发生器的工作可靠性和稳定性。（5）所述方法可有效避免谐振频率点漂移，提高超声波发生器的谐振效率。

附图说明

图1是本发明的电路原理示意框图；

图2是本发明所述控制模块原理组成示意框图；

图3是本发明所述频率自动跟踪实现流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。

如图1所示，本实施例所揭示的数字化全智能超声波发生器，包括依次连接的电源整流滤波模块、超声波输出模块及换能器，还包括控制模块和超声波源频率产生模块、超声波功率器件控制模块、功率器件保护模块；所述控制模块控制超声波源频率产生模块产生超声波原频率信号，该原频率信号通过驱动信号死区时间发生模块处理后输出给超声波功率器件控制模块，再由超声波功率器件控制模块输出给超声波输出模块。功率器件保护模块包括过流保护直流偏置电路、过压保护电路、过温保护电路、漏电/短路保护电路；这些保护电路均与与超声波输出模块直接连接，对过压、过温等等情况进行监测，危险情况下可直接切断超声波输出模块工作，保护功率器件。同时这些保护电路也将检测到的故障信息和保护信息传输给控制模块，以便控制模块做出相应的控制操作。

如图2所示，所述驱动信号死区时间发生模块包括专用双端脉冲调制芯片TL494，其内部集成误差放大器、脉宽比较器、基准电压源及输出电路，控制模块的控制信号一路由CT端送至死区时间比较器1的输入端，另一路与CT端信号互补的信号由FB端送至死区时间比较器2的输入端；死区时间比较器具有120mV的输入补偿电压，它可限制最小输出死区时间约等于锯齿波周期的4%，当死区时间比较器输出端接地，最大输出占空比为96%，而输出端接参考电平时，占空比为48%。当把死区时间控制输入端T接上固定的电压（范围在0—3.3V之间）即能在输出脉冲上产生附加有死区时间的两路驱动信号E1,E2，输出给超声波功率器件控制模块。本发明特别设计的驱动信号死区时间发生模块，驱动信号有了“死区时间”，可以有效防止超声波功率器件控制模块双臂同时导通，造成超声波功率器件控制模块之间形成短路，损毁该模块。

其中，控制模块为本发明实现智能化控制的核心。控制模块包括微处理器及与微处理器连接的联机通信电路、PLC外设信号接口电路、显示电路和键盘电路等。联机通信电路用于微处理器与其他设备通讯，进行双向通信，实现自动化生产。微处理器通过PLC外设信号接口可以实现超声波输出的智能化控制。

本发明采用交流电源供电，交流电源接入后一路经降压整流供控制模块及其它功能模块使用，另外一路经整流滤波模块直接整流成高压直流电，送到超声波输出模块，供功率模块器件斩波，输出超声波。

本发明以微处理器为中心，微处理器以特定通讯协议控制以直接数字频率合成器为基础的频率发生模块，产生超声波源频率。超声波源频率经过整形、放大后成为占空比为定值的脉冲方波信号。微处理器依据实时检测到的反馈电流，进行频率自适应变化。

本发明具体的工作原理如下：首先通过微处理器控制超声波源频率产生模块输出两路互补的正弦波，该模块中的集成运放将此正弦波整形成为占空比为定值的方波，然后由集成运放线路和比较器组成的电路把此方波整形为占空比可以通过数字电位器自动调节的方波。此方波做为后续功率器件控制模块的驱动信号是带有“死区时间”的，能有效避免功率模块器件自激损坏。实时反馈检测电路包括电流互感器、集成运放、模数转换等，这些器件共同组成闭环负反馈回路，用于采集超声波工作电流状态数据，微处理依据此电流状态值与自动扫描和自动跟踪得来的超声波工作频率数据，得出下一时段超声波频率，并通过控制超声波源频率产生模块输出，更改谐振频率。微处理器综合分析采集到的超声波输出模块的工作电流状态数据和用户设定值、设备安全工作值后通过数字电位器进行数模转换，改变后续超声波输出模块的驱动信号占空比，进而控制输出电压（电流、功率）。微处理器还可以直观地通过显示模块把实际工作电流显示出来。微处理器通过联机接口接收联机通信信号，通过锁相环 (Phase Lock Loop) 数学原理，计算进行超声波谐振相位，并通过控制超声波源频率产生模块输出，可以使多台超声波设备相位基本一致，同步输出，以达到最佳谐振效果。用户可以通过微处理器设定送出的超声波的时间长短，并直观地通过显示模块把设定工作时间和剩余工作时间显示出来。

超声波功率器件控制模块是本发明完成超声波输出的核心载流器件，也是超声波回路中最脆弱的一环，本发明采取了过流保护、过压保护、过温保护、短路保护等保护措施外，提高超声波设备的工作稳定性和可靠性。

避开虚假的谐振点，快速找到设备真正的谐振点是所述超声波发生器工作的关键。为此本发明采取了宽频快速频率扫描与窄频精准频率扫描相结合的方式。宽频快步频率扫描用于超声波设备第一次使用或超声波配置有重大改变时使用，频率扫描速度快。在可以预期的系统允许的工作最大工作频率范围内，以特定的频率扫描步长（如2Hz）进行扫频，并收集谐振回路电流数据，利用数学分析方法去除异样点，对数据进行移动平均进行平滑，利用一阶导数为零的数学分析原理，得到数据曲线拐点，再通过比较拐点数据绝对值最大值点，即为谐振点，微处理器记忆并储存此谐振点参数。移动平均法是可以平滑时间序列数据，根据时间序列数据、逐项推移，依次计算包含四项数的序时平均值。当时间序列的采样数据由于受随机波动的影响，起伏较大，不易显示出事件的发展趋势时，用移动平均法可以消除这些因素的影响，显示出采样数据的变化方向与趋势，然后依趋势线分析预测序列的长期趋势，最后得出的值。

窄频精准频率扫描用于超声波设备每次开机启动，频率扫描时间短。窄频精准频率扫描是基于宽频快速频率扫描得到谐振点参数，依次谐振点参数为基准，可以在在可以预期的系统工作时最大频率漂移的范围内，以特定的频率跟踪步长（如0.5Hz）进行扫频，并收集数据，依据宽频快速频率扫描同样的数学分析原理可以找到精准谐振频率点。

本发明所述全范围跟踪谐振频率的实现方式，如图3所示，首先，在同一工作频率点多次采样谐振回路的电流数据，利用数学分析方法去除异样点，对数据采用移动平均法进行平滑，再算平均值，作为该频点的谐振回路电流采样值储存。然后对当前谐振回路电流采样值与先前谐振回路电流采样值进行分析比较，如果当前谐振回路电流采样值变大，则控制下一工作频率点与上一次频率变化方向一致，如果当前谐振回路电流采样值变小，则控制下一工作频率点与上一次频率变化方向相反，如果当前谐振回路电流采样值不变，则频率继续驻点工作。超声波设备的谐振频率点受外界条件影响是漂移不定的，本发明采用全范围跟踪频率方式可有效提高超声波设备的谐振效率。

本发明未具体介绍的功能模块，均可采用现有成熟功能模块或者是本领域技术人员根据功能模块描述可实现的，在此不再赘述。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制，但凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均应落在本发明的保护范围之内。

Claims

1.数字化全智能超声波发生器，包括依次连接的电源整流滤波模块、超声波输出模块及换能器，还包括控制模块和超声波源频率产生模块、超声波功率器件控制模块；其特征在于，

所述控制模块控制超声波源频率产生模块产生超声波原频率信号，该原频率信号通过驱动信号死区时间发生模块处理后输出给超声波功率器件控制模块，再由超声波功率器件控制模块输出给超声波输出模块。

2.根据权利要求1所述的数字化全智能超声波发生器，其特征在于，所述控制模块包括微处理器及与微处理器连接的联机通信电路和PLC外设信号接口电路。

3.根据权利要求2所述的数字化全智能超声波发生器，其特征在于，所述控制模块还包括与微处理器连接的显示电路和键盘电路。

4.根据权利要求1所述的数字化全智能超声波发生器，其特征在于：所述驱动信号死区时间发生模块包括专用双端脉冲调制器件,其内部集成误差放大器、脉宽比较器、基准电压源及输出电路，专用双端脉冲调制器件CT端和FB端接超声波源频率产生模块，死区时间控制输入端CONT接上固定电压即在输出脉冲上产生附加死区时间的两路驱动信号E1、E2输出给超声波功率器件控制模块。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的数字化全智能超声波发生器，其特征在于：进一步包括功率器件保护模块，所述功率器件保护模块包括过流保护直流偏置电路、过压保护电路、过温保护电路、漏电/短路保护电路；所述功率器件保护模块与超声波输出模块连接，同时与控制模块连接将故障保护信息传输给控制模块。

6.数字化全智能超声波发生器自动对频方法，包括宽频快速频率扫描的步骤及窄频精准频率扫描的步骤；

所述宽频快速频率扫描方式如下：

在可以预期的系统允许的工作最大工作频率范围内，以特定的频率扫描步长进行扫频，并采样谐振回路电流数据；

对采样到的电流数据利用数学分析方法去除异样点，再采用移动平均法对数据进行平滑，最后利用一阶导数为零的数学分析原理，得到数据曲线拐点；

通过比较拐点数据得到拐点数据绝对值的最大值点即为谐振点，微处理器记忆并储存此谐振点参数；

所述窄频精准频率扫描的方式如下：以宽频快速频率扫描得到的谐振点为基准参数，在可以预期的系统工作时的最大频率漂移范围内，以特定的频率跟踪步长进行扫频，并采样谐振回路电流数据；

通过比较拐点数据得到拐点数据绝对值的最大值点即为谐振点，微处理器记忆并储存此谐振点参数，并在此谐振点驻点工作。

7.根据权利要求6所述的数字化全智能超声波发生器自动对频方法，其特征在于：所述宽频快步频率扫描用于超声波设备第一次使用或超声波配置有重大改变时使用；所述窄频精准频率扫描在超声波设备每次开机启动时使用。

8.根据权利要求7所述的数字化全智能超声波发生器自动对频方法，其特征在于：还包括驻点工作时全范围跟踪谐振频率的步骤其实现方式为：

在同一谐振点工作时，每隔固定时间间隔对谐振回路的电流数据进行一轮采样；

每轮采样中，均多次采样谐振回路的电流数据，并对采样到的电流数据利用数学分析方法去除异样点，再采用四项移动平均法对数据进行平滑，作为该频点的谐振回路电流采样值储存；

然后将当前谐振回路电流采样值与前次谐振回路电流采样值进行比较，如果当前谐振回路电流采样值变大，则控制下一工作频率点与上一次频率变化方向一致；如果当前谐振回路电流采样值变小，则控制下一工作频率点与上一次频率变化方向相反；如果当前谐振回路电流采样值无变化，则按原谐振点频率继续驻点工作。