CN103441752A

CN103441752A - 一种新型的自动追频控制电路

Info

Publication number: CN103441752A
Application number: CN2013103127476A
Authority: CN
Inventors: 张潮海; 陆焱
Original assignee: NANJING LAWRENCE ELECTRONIC CO Ltd
Current assignee: NANJING LAWRENCE ELECTRONIC CO Ltd
Priority date: 2013-07-24
Filing date: 2013-07-24
Publication date: 2013-12-11

Abstract

本发明公布了一种新型的自动进行频率追踪的控制电路，包括：时序发生与起动信号发生电路(1)，逻辑切换控制电路(2)和电流过零比较环节电路(3)，其中时序发生与起动信号发生电路(1)的输出和电流过零比较环节电路(3)的输出都传递给逻辑切换控制电路(2)，由它根据时序判决策决定将哪一路信号输出，实现起动和自动追频。特征在于利用当实现频率追踪目标时超声焊机电源的电压与电流的相位关系，通过检测焊机电源电流，在电流过零时刻控制主电路的开关切换，即可达到自动追频的目的。此外，逻辑切换控制电路(2)采用分时实现起动和自动追频控制并具有保护功能。该控制电路与传统上用锁相环的方案相比，相位锁定的可靠性高和电路结构简单。

Description

一种新型的自动追频控制电路

技术领域

本发明涉及一种自动追频控制电路，尤其是应用于频率调节和谐振控制场合如超声波金属焊接电源的频率自动控制电路。

背景技术

超声波金属焊接是利用高频振动波传递到两个需焊接的金属表面，在加压的情况下，使两个金属表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合，其优点在于快速、节能、熔合强度高、导电性好、无火花、接近冷态加工；超声波金属焊接应用于镍氢电池、锂电池、聚合物电池的电极加工及电线与名种电子元件、接点、连接器互熔等场合。

超声波设备的驱动电源必须和换能器模具良好配合，匹配对整机性能的影响是决定性的，若匹配不好，轻者是换能器无力，焊不牢；重者换能器发热严重，烧坏电极片及驱动电源；为实现匹配，驱动电源根据换能器及传动系统和被加工工件的参数来调整输出高频电源的频率，然而，这些参数往往是变化的，所以驱动电源的频率须自动地调整以适应这些变化，即实现自动追频。

现有技术一般用锁相环控制可以实现这种频率自动跟踪，但是相位控制系统的设计比较复杂，它的稳定性和可靠性也低于幅值控制系统。

发明内容

为克服锁相环控制的上述缺陷，本发明提供了一种结构简单，相位锁定可靠性高的频率自动追踪电路。

本发明的技术方案为：

一种新型的自动追频控制电路，包括：时序发生与起动信号发生电路(1)，逻辑切换控制电路(2)，和电流过零比较环节电路(3)。上电起动时，驱动电源频率由起动信号发生电路(1)给出，起动阶段结束后，经过逻辑切换，驱动电源频率由电流过零比较环节电路(3)的输出决定，电压与电流同相位为原则，实现频率自动追踪。

所述时序发生与起动信号发生电路(1)，由时基芯片555(A)，555(B)及其外围分立元件电路构成，其中由时基芯片555(A)及其外围电路构成的时序发生环节是一个单稳态电路，上电起动时，它产生一个高电平信号经555(A)的3管脚输出，起动结束时，该信号变为低电平；时基芯片555(B)及其外围电路构成多谐振荡器，它产生一个高频信号，它经分频后用作起动时的频率控制信号。

所述逻辑切换控制电路(2)由四个二输入与非门、集成电路IC(1)、集成电路IC(2)及若干分立元件组成。上电起动时，555(A)的3管脚输出高电平，一方面该信号经与非门B反相后，再经二极管D5输入到与非门C的1管脚，将比较器IC(3)的输出信号封锁，另一方面该信号输入到与非门A的1管脚使之开放；位于555(B)的3管脚的起动频率信号经分频器IC(1)、非门(A)、触发器IC(2)和与非门D后输出，控制后续主电路的开关管。起动结束时，555(A)的3号管脚电平变为低，该信号一方面通过与非门(A)将起动频率信号封锁，另一方面它经与非门(B)反相后变为高电平，为将比较器的输出信号解除封锁作准备。由电阻R4、电容C5、及二极管D5组成的网络是一个功能为高电平延时通过的单向延时环节，该延时是为在切换时保护主电路。延时结束后，与非门C解除封锁，比较器IC(3)的输出信号可以通过与非门(C)和与非门(D)传递给后续主电路实现频率自动追踪控制。

所述电流过零比较电路(3)由比较器IC(3)及外围分立元件电路构成，当电源频率接近目标频率时，系统工作在谐振状态，此时焊机电源的电流相位与电压的相位相同，通过检测电流，在它过零时刻控制主电路的开关切换，即可达到自动追频的目的。

工作原理是：驱动焊机电源主电路的频率信号来自本电路的的输出(2)，因此焊机电源的电压就是本电路的的输出(2)信号经功率放大所成；当达到频率追踪目标时，焊机电源的电压应该与电流的频率和相位一致，通过检测焊机电源电流，在它过零时刻控制主电路的开关切换，即可达到自动追频的目的；由单稳态电路来分时发出起动和自动追频信号，上电起动时，起动频率由多谐振荡器的振荡频率经分频后所得，控制该频率的值同时可达到软启动的目的，进入追频阶段时，本电路的输出信号就是电流过零比较电路(3)的输出，当电源频率接近目标频率时，系统工作在谐振状态，此时焊机电源的电流相位与电压的相位相同，通过检测电流，在它过零时刻控制主电路的开关切换，即可达到自动追频的目的。

所述电流过零比较电路(3)由比较器IC(3)及外围分立元件电路构成，当电源频率接近自标频率时，系统工作在谐振状态，此时焊机电源的电流相位与电压的相位相同，通过检测电流，在它过零时刻控制主电路的开关切换，即可达到自动追频的目的。电阻R8的作用是引入微量正反馈，提高比较器的抗干扰能力。

逻辑切换控制电路(2)由四个二输入与非门、集成电路IC(1)、集成电路IC(2)及若干分立元件组成；上电起动时，它将比较器IC(3)的输出信号封锁，而让多谐振荡器的振荡频率经分频后作为输出信号，实现软起动；在自动追频阶段，它将多谐振荡器的频率信号封锁，而让比较器IC(3)的输出作为输出信号信号，经传递给后续主电路后实现频率自动追踪控制。由电阻R4、电容C5、及二极管D5组成的网络是一个功能为高电平延时通过的单向延时环节，其作用是在切换时对主电路实行最小脉宽保护。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明

图1为本发明的一种实施例的原理图，其中(1)时序发生与起动信号发生电路，(2)逻辑切换控制电路，(3)电流过零比较环节电路；

在图1中，时序发生与起动信号发生电路(1)的输出和电流过零比较环节电路(3)的输出都传递给逻辑切换控制电路(2)，由它根据时序决定将哪一路信号输出，实现起动和自动追频。

本图1中，上述时序发生与起动信号发生电路(1)由时基芯片555(A)，555(B)及其外围分立元件电路构成，其中由时基芯片555(A)及电阻R1、电容C1、电容C2及二极管D1构成的时序发生环节是一个典型的单稳态电路，上电起动时，它产生一个高电平信号经555(A)的3管脚输出，起动结束时，该信号变为低电平；时基芯片555(B)及电阻R2、电阻R3、电容C3、电容C4、二极管D2及二极管D3构成一个典型的多谐振荡器，输出方波信号。

在图1中，上述逻辑切换控制电路(2)由四个二输入与非门、集成电路IC(1)、集成电路IC(2)及若干分立元件组成；对于非门(A)：1管脚与芯片555(A)的3管脚连接，2管脚与芯片IC(1)的Q管脚连接，3管脚与芯片IC(2)的D管脚连接；对于非门(B)：1管脚、2管脚都与芯片555(A)的3管脚连接，3管脚与二极管D5的阴极连接；对于非门(C)：1管脚与二极管D5的阳极连接，2管脚与二极管D6的阴极连接；对于非门(D)：1管脚与芯片IC(2)的Q管脚连接，2管脚与非门(C)的3管脚连接，3管脚为本电路的输出端；对于芯片IC(1)：Q管脚与D管脚连接，构成分频器，R管脚与S管脚连接并接地，C管脚与芯片555(B)的3管脚连接，同时与电阻R5的一端连接，Q管脚和与非门A的2管脚连接；上述电阻R5的另一端与电容C6的一端连接，电容C6的另一端接地；对于芯片IC(2)：R管脚与S管脚连接并接地，C管脚与电阻R5和电容C6的公共端连接，D管脚和与非门(A)的3管脚连接，Q管脚和与非门(D)的1管脚连接；电阻R4与二极管D5并联；电容C5的一端与二极管D5的阳极连接，另一端接地。

在图1中，上述电流过零比较电路(3)由比较器IC(3)及外围分立元件电路构成；对于芯片IC(3)：8管脚与正电源+V连接，4管脚与负电源-V连接，2管脚接地，3管脚与输入电流信号连接，1管脚与电阻R7的一端连接，电容C7跨接于2管脚和3管脚之间，电阻R8跨接于1管脚和3管脚之间，电阻R6跨接于1管脚和8管脚之间；上述电阻R7的另一端与二极管D6的阴极和与非门(C)的2管脚连接，二极管D6的阳极接地。

在本实例中：正电源+V选12V，负电源-V选-12V；与非门(A)、与非门(B)、与非门(C)及与非门(D)可用一个接单电源的集成芯片MC4011 来实现，芯片IC(1)和IC(2)用集成电路MC4013实现，芯片IC(3)用集成电路LM393实现；所用电阻都选择功率为0.25W的金属膜电阻，精度为1％；所用电容都选择低压无极性型；二极管D1选普通型，其它二极管选择快速恢复型，便于处理较高频率的信号。

本发明的有益效果

克服了锁相环控制电路相位控制系统的设计比较复杂，稳定性和可靠性也低于幅值控制系统的缺陷。本发明提供了一种结构简单，相位锁定可靠性高的频率自动追踪电路。

Claims

1.一种新型高频高压开关电源用IGBT驱动电路，其特征在于，包括开关控制电路(1)、脉冲变压器隔离电路(2)和稳压电路(3)组成；前端控制器MCU产生IGBT驱动信号后输入到高速双路同相驱动器MC33152；输出端连接脉冲变压器隔离电路的初级电路，经由脉冲变压器隔离电路隔离传输到次级电路；脉冲变压器次级电路的输出连接稳压电路的输入端，稳压电路的输出端则分别接入IGBT的栅极和射极。

2.根据权利要求1所述的一种新型高频高压开关电源用IGBT驱动电路，其特征在于开关控制电路(1)由前端控制器MCU、电源VCC、电容C1、MC33152组成；其中MCU的输出端与MC33152的4管脚连接，电源VCC端接MC33152的6管脚并与电容C1的一端连接，电源VCC负端接地；电容C1的一端接VCC的正端并与MC33152的6管脚连接，另一端接地；MC33152的3管脚接地；MC33152的5管脚接脉冲变压器隔离电路(2)的输入端。

3.根据权利要求1所述的一种新型高频高压开关电源用IGBT驱动电路，其特征在于脉冲变压器隔离电路(2)由电容C2和脉冲变压器T1组成；C2的一端与MC33152的5管脚连接，另一端与脉冲变压器T1的初级线圈的接脚1连接；脉冲变压器T1的初级线圈的接脚2接地；脉冲变压器T1的次级线圈的接脚3、接脚4分别与稳压电路(3)的两个输入端连接。

4.根据权利要求1所述的一种新型高频高压开关电源用IGBT驱动电路，其特征在于稳压电路(3)由电阻R1、R2、R3、肖特基二极管D1、齐纳二极管DZ1、DZ2组成；D1和R2串联后再和R1并联后的并联电路的一端与脉冲变压器T1的次级线圈的接脚3并与R3的一端连接，D1和R2串联后再和R1并联后的并联电路的另一端与DZ1和DZ2组成的串联电路的一端并与IGBT的栅极连接；R3的一端与D1和R2串联后再和R1并联后的并联电路的一端并与脉冲变压器T1的次级线圈的接脚3连接，R3的另一端与IGBT的发射极和脉冲变压器T1的次级线圈的接脚4并与DZ1和DZ2组成的串联电路的一端连接；DZ1和DZ2组成的串联电路的一端与D1和R2串联后再和R1并联后的并联电路的一端并与IGBT的栅极连接，DZ1和DZ2组成的串联电路的另一端与R3的一端和脉冲变压器T1的次级线圈的接脚4并与IGBT的发射极连接。