CN103973262A - 一种用于换能器级联的超声波电源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于换能器级联的超声波电源，所述超声波电源包括整流桥、滤波电路、直流斩波电路、全桥逆变电路、第一阻抗无级匹配网络、第二阻抗无级匹配网络、第一换能器、第二换能器、匹配网络控制电路、电压电流采样电路、频率跟踪电路、功率恒定电路。匹配网络控制电路控制第一、第二阻抗无级匹配网络接入逆变输出电路的匹配电感大小。全桥逆变电路的输出电压、电流经过采样电路，接入频率跟踪电路和功率恒定电路，频率跟踪电路控制全桥逆变频率，功率恒定电路控制直流斩波电路输出电压大小。本发明的频率跟踪电路与第一、第二阻抗无级匹配网络的共同作用可以保证换能器级联的正常工作，改变以往单逆变器单换能器的运行模式。

Description

一种用于换能器级联的超声波电源

技术领域

本发明涉及超声波电源技术领域，具体涉及一种用于换能器级联的超声波电源。

背景技术

超声波电源通常称为超声波发生源，它的作用是把电能转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号。超声波电源的负载是超声换能器，超声换能器存在静态电容，因此，超声换能器在使用时通常必须有相对应的感性匹配网络，来配合超声换能器的工作。

目前，常用的超声波电源采用的匹配网络是单个电感或者T型匹配电感，通过改变逆变器输出的频率，达到跟踪换能器谐振频率的效果。这种工作方式下，使得单个逆变电源只能配套一个换能器运行，使得电源的容量受到换能器功率的限制。

发明内容

本发明目的在于公开一种用于换能器级联的超声波电源。

本发明公开一种用于换能器级联的超声波电源，频率跟踪电路控制全桥逆变电路输出的交流电频率跟踪换能器的谐振频率，匹配网络控制电路控制第一、第二阻抗无级匹配网络接入超声波电源逆变输出端等效匹配电感的大小，分别实现第一、第二换能器所在第一、第二支路谐振频率微调的效果，达到换能器级联工作的效果。

本发明的目的可采用以下技术方案实现：

一种用于换能器级联的超声波电源，其包括整流桥、滤波电路、直流斩波电路、全桥逆变电路、第一阻抗无级匹配网络、第二阻抗无级匹配网络、第一换能器、第二换能器、匹配网络控制电路、电压电流采样电路、频率跟踪电路、功率恒定电路；第一阻抗无级匹配网络由第一晶闸管、第二晶闸管、第一电感、第二电感构成；第二阻抗无级匹配网络由第三晶闸管、第四晶闸管、第三电感、第四电感构成；第一阻抗无级匹配网络与第一换能器并联组成第一支路，第二阻抗无级匹配网络与第二换能器并联组成第二支路；第一支路与第二支路级联后接入超声波电源逆变桥输出端；匹配网络控制电路通过控制第一阻抗无级匹配网络中驱动第一晶闸管、第二晶闸管的第一晶闸管驱动信号、第二晶闸管驱动信号的占空比大小能控制第一阻抗无级匹配网络接入逆变主电路等效电感的大小；匹配网络控制电路通过控制第二阻抗无级匹配网络中驱动第三晶闸管、第四晶闸管的第三晶闸管驱动信号、第四晶闸管驱动信号的占空比大小能控制第二阻抗无级匹配网络接入逆变主电路等效电感的大小；全桥逆变电路的输出电压、电流经过采样电路，接入频率跟踪电路和功率恒定电路，频率跟踪电路控制全桥逆变电路的逆变频率，功率恒定电路控制直流斩波电路输出电压的大小。

进一步优化的，所述匹配网络控制电路包括4个相同的晶闸管驱动信号产生电路，分别是第一晶闸管驱动信号产生电路、第二晶闸管驱动信号产生电路、第三晶闸管驱动信号产生电路、第四晶闸管驱动信号产生电路。第一、第三晶闸管驱动信号产生电路的正端接入输出电压采样信号；第二、第四晶闸管驱动信号产生电路的负端接入输出电压采样信号。第一、第三晶闸管驱动信号产生电路的负端以及第二、第四晶闸管驱动信号产生电路的正端接地。第一、第二、第三、第四晶闸管管驱动信号产生电路分别产生第一、第二、第三、第四晶闸管驱动信号。第一PI控制信号可以调节第一、第二晶闸管驱动信号占空比的大小；第二PI控制信号可以调节第三、第四晶闸管驱动信号占空比的大小。

进一步地，匹配网络控制电路通过控制驱动第一晶闸管、第二晶闸管的第一晶闸管驱动信号、第二晶闸管驱动信号占空比的大小可以控制第一阻抗无级匹配网络接入电路的等效电感大小，使第一换能器所在第一支路的第一支路电压、第一支路电流同相位。匹配网络控制电路通过控制驱动第三晶闸管、第三晶闸管的第三晶闸管驱动信号、第四晶闸管驱动信号占空比的大小可以控制第二阻抗无级匹配网络接入电路的等效电感大小使第二换能器所在第二支路的第二支路电压、第二支路电流同相位。

所述的一种用于换能器级联的超声波电源，其特征在于全桥逆变电路输出的电压、电流经过采样电路得到的采样信号，经过频率跟踪电路控制全桥逆变电路的逆变频率，使得全桥逆变电路的输出频率跟踪换能器的谐振频率。

所述的一种用于换能器级联的超声波电源，其特征在于频率跟踪电路控制全桥逆变电路输出的交流电频率跟踪换能器的谐振频率；由于频漂影响，第一换能器、第二换能器的谐振频率具有微小的差异，而第一阻抗无级匹配网络、第二阻抗无级匹配网络分别调节第一支路、第二支路的谐振频率，使得第一支路的第一支路电压、第一支路电流同相位以及第二支路的第二支路电压、第二支路电流同相位。

一种用于换能器级联的超声波电源，采用逆变频率跟踪和阻抗无级匹配网络共同达到换能器谐振的目的。第一阻抗无级匹配网络、第二阻抗无级匹配网络分别调节第一换能器、第二换能器所在第一支路、第二支路的谐振频率达到一个逆变器下多个换能器共同工作的目的，改变了以往超声波电源单逆变器单换能器的工作模式。

本发明与已有技术相比具有以下优点：

本发明所提出的换能器级联的超声波电源与传统的超声波电源不同，传统的超声波电源采用单个电感匹配网络和T型匹配网络，其电感值恒定不可调，已有的可调匹配网络也是通过电感投切的方式，采用的是有级调节，精度受到限制。传统的超声波电源仅仅调节全桥逆变电路输出频率来达到频率跟踪的目的，由于工作环境各有差异，每个换能器的工作时的谐振频率漂移也不同，因此，一台电源只能接一个换能器负载。

本发明所提出的换能器级联的超声波电源可以通过调节第一、第二阻抗无级匹配网络接入主电路的等效电感，达到第一、第二换能器所在第一、第二支路谐振频率微调的效果。在频率跟踪电路的共同作用下，可以使得第一、第二换能器的输入电压、电流在同一个逆变器的条件下达到同相位的效果。使得一个逆变电源下，换能器级联运行成为可能，使得电源的容量不再受到换能器功率的限制。

附图说明

图1是用于换能器级联的超声波电源构成示意图；

图2是级联换能器的连接图；

图3是匹配网络控制电路图；

图4是晶闸管驱动信号产生电路图；

图5是psim仿真条件下全桥逆变电路输出电压、电流以及第一换能器、第二换能器所在支路电流的波形图。

图6是相位差脉冲指示信号V15和相位差电压指示信号V40波形图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。

如图1所示，一种用于换能器级联的超声波电源，包括整流桥、滤波电路、直流斩波电路、全桥逆变电路、第一阻抗无级匹配网络TL1、第二阻抗无级匹配网络TL2、第一换能器tran1、第二换能器tran2、匹配网络控制电路、电压电流采样电路、频率跟踪电路、功率恒定电路。

级联换能器的连接图如图2所示，第一阻抗无级匹配网络TL1由第一晶闸管THY1、第二晶闸管THY2、第一电感L1、第二电感L2构成。第二阻抗无级匹配网络TL2由第三晶闸管THY3、第四晶闸管THY4、第三电感L3、第四电感L4构成。第一阻抗无级匹配网络TL1与第一换能器tran1并联组成第一支路，第二阻抗无级匹配网络TL2与第二换能器tran2并联组成第二支路。第一支路与第二支路级联后接到全桥逆变电路的输出端。频率跟踪电路控制全桥逆变电路的输出频率，匹配网络控制电路控制第一阻抗无级匹配网络和第二阻抗无级匹配网络接入主电路的等效电感的大小。

本实例的频率跟踪电路与阻抗无级匹配网络共同作用达到换能器级联的目的。级联换能器的连接图如图2所示，频率跟踪电路使得全桥逆变电路输出交流电的频率跟踪第一换能器tran1和第二换能器tran2的谐振频率。匹配网络控制电路无级调节第一阻抗无级匹配网络TL1和第二阻抗无级匹配网络TL2接入主电路等效电感值的大小，分别达到与第一换能器tran1和第二换能器tran2无级匹配的效果。当第一换能器tran1与第二换能器tran2各自出现不同的频漂时，通过匹配网络控制电路的控制，可以使得第一换能器tran1所在第一支路的第一支路电压、第一支路电流同相位，第二换能器tran2所在第二支路的第二支路电压、第二支路电流处于同相位状态。由于全桥逆变电路只能跟踪一个超声波换能器的谐振频率，而采用阻抗无级匹配网络调节的方法，可以使得每个换能器所在支路电压、电流都处于同相位的状态。如此，就改变了以往传统超声波电源单个全桥逆变电路单个换能器的运行模式。使得换能器级联运行成为可能，超声波电源的容量不再受到换能器功率的限制。图5是psim仿真条件下全桥逆变电路输出电压、电流以及第一换能器tran1、第二换能器tran2所在支路电流的波形图。其中VP1是全桥逆变电路输出的电压波形，V7是全桥逆变电路输出的电流波形，V60是第一支路的电流波形，V42是第二支路的电流波形。为了观察方便，图中的电流是经过放大后的波形。可以看出全桥逆变输出的电压VP1、电流V7，以及第一换能器tran1、第二换能器tran2所在支路的电流V60、V42处于同相位状态。逆变输出的电流为两支路电流之和。图6是psim仿真条件下，第一换能器tran1和第二换能器tran2所在支路电压电流相位差的电压指示信号的波形图，V15是第一支路的相位差指示信号，V40是第二支路的相位差指示信号。从图中可以看出，V15和V40在0.45S之后归零，即此时第一支路电压、第一支路电流同相位，第二支路电压与第二支路电流同相位。

本发明的匹配网络控制电路元器件连接关系如下：

如图4，第一比较器COMP5的正输入端脚1为晶闸管驱动信号产生电路的正输入端；第一比较器COMP5的负输入端脚2为晶闸管驱动信号产生电路的负输入端。第一比较器COMP5的输出端脚27经过第一电阻R20接入第一放大器OP_AMP3的负输入端脚5，同时第一比较器COMP5的输出端脚27接第一单稳态触发器MONO3的下降沿触发端脚23。第一单稳态触发器的Q输出端脚24接入第一三极管npn3的基极B1，第一单稳态触发器的Q非输出端悬空，上升沿触发端接地。第一三极管的集电极C1和发射极E1分别接第一放大器OP_AMP3的负输入端脚5和输出端脚7，脚5和脚7接入第一电容C22。第一放大器OP_AMP3的正输入端脚6经过第二电阻R21接地。第一放大器OP_AMP3的输出端脚7经过第三电阻R24接入第二放大器OP_AMP5的负输入端脚8，第二放大器的负输入端脚8经过第四电阻R28与输出端脚10相连接，正输入端脚9经过五电阻R25后接地，输出端脚10接入第二比较器COMP7的正输入端脚11，第二比较器COMP7的输出端脚13为晶闸管驱动信号产生电路的输出端，可以产生晶闸管驱动信号。第二比较器COMP7的负输入端脚12接外部PI控制信号。

Claims (5)

1.一种用于换能器级联的超声波电源，其特征在于包括整流桥、滤波电路、直流斩波电路、全桥逆变电路、第一阻抗无级匹配网络（TL1)、第二阻抗无级匹配网络(TL2)、第一换能器(tran1)、第二换能器(tran2)、匹配网络控制电路、电压电流采样电路、频率跟踪电路、功率恒定电路；第一阻抗无级匹配网络（TL1）由第一晶闸管（THY1）、第二晶闸管（THY2）、第一电感（L1）、第二电感（L2）构成；第二阻抗无级匹配网络（TL2）由第三晶闸管（THY3)、第四晶闸管（THY4）、第三电感（L3）、第四电感（L4）构成；第一阻抗无级匹配网络(TL1)与第一换能器(tran1)并联组成第一支路，第二阻抗无级匹配网络(TL2)与第二换能器(tran2)并联组成第二支路；第一支路与第二支路级联后接入超声波电源逆变桥输出端；匹配网络控制电路通过控制第一阻抗无级匹配网络中驱动第一晶闸管（THY1）、第二晶闸管（THY2）的第一晶闸管驱动信号、第二晶闸管驱动信号的占空比大小能控制第一阻抗无级匹配网络（TL1)接入逆变主电路等效电感的大小；匹配网络控制电路通过控制第二阻抗无级匹配网络中驱动第三晶闸管（THY3）、第四晶闸管（THY4）的第三晶闸管驱动信号、第四晶闸管驱动信号的占空比大小能控制第二阻抗无级匹配网络（TL2)接入逆变主电路等效电感的大小；全桥逆变电路的输出电压、电流经过采样电路，接入频率跟踪电路和功率恒定电路，频率跟踪电路控制全桥逆变电路的逆变频率，功率恒定电路控制直流斩波电路输出电压的大小。

2.根据权利要求1所述的一种用于换能器级联的超声波电源，其特征在于所述匹配网络控制电路包括4个相同的晶闸管驱动信号产生电路，分别是第一晶闸管驱动信号产生电路、第二晶闸管驱动信号产生电路、第三晶闸管驱动信号产生电路、第四晶闸管驱动信号产生电路；第一、第三晶闸管驱动信号产生电路的正端接入输出电压采样信号；第二、第四晶闸管驱动信号产生电路的负端接入输出电压采样信号；第一、第三晶闸管驱动信号产生电路的负端以及第二、第四晶闸管驱动信号产生电路的正端接地；第一、第二、第三、第四晶闸管管驱动信号产生电路分别产生第一、第二、第三、第四晶闸管驱动信号；第一、第二晶闸管驱动信号占空比的大小由第一PI控制信号调节；第三、第四晶闸管驱动信号占空比的大小由第二PI控制信号调节。

3.根据权利要求1所述的一种用于换能器级联的超声波电源，其特征在于匹配网络控制电路通过控制驱动第一晶闸管（THY1)、第二晶闸管（THY2)的第一晶闸管驱动信号、第二晶闸管驱动信号占空比的大小来控制第一阻抗无级匹配网络（TL1)接入电路的等效电感大小，使第一换能器（tran1)所在第一支路的第一支路电压、第一支路电流同相位；匹配网络控制电路通过控制驱动第三晶闸管（THY3)、第三晶闸管（THY4)的第三晶闸管驱动信号、第四晶闸管驱动信号占空比的大小来控制第二阻抗无级匹配网络（TL2)接入电路的等效电感大小使第二换能器(tran2)所在第二支路的第二支路电压、第二支路电流同相位。

4.根据权利要求1~3任一项所述的一种用于换能器级联的超声波电源，其特征在于全桥逆变电路输出的电压、电流经过采样电路得到的采样信号，经过频率跟踪电路控制全桥逆变电路的逆变频率，使得全桥逆变电路的输出频率跟踪换能器的谐振频率。

5.根据权利要求4所述的一种用于换能器级联的超声波电源，其特征在于频率跟踪电路控制全桥逆变电路输出的交流电频率跟踪换能器的谐振频率；由于频漂影响，第一换能器（tran1)、第二换能器（tran2)的谐振频率具有微小的差异，而第一阻抗无级匹配网络（TL1)、第二阻抗无级匹配网络（TL2)分别调节第一支路、第二支路的谐振频率，使得第一支路的第一支路电压、第一支路电流同相位以及第二支路的第二支路电压、第二支路电流同相位。