CN104135163A - 一种基于buck电路的旋转超声加工驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于BUCK电路的旋转超声加工驱动器，包括单片机、电源电路、超声换能器、电压电流采样电路、锁相电路、高频变压器、非接触式电能传输装置、全桥逆变电路、BUCK直流斩波电路以及驱动电路；所述单片机通过IO口输出BUCK驱动信号和全桥逆变电路的驱动信号，分别控制BUCK直流斩波电路和全桥逆变电路；BUCK直流斩波电路连接全桥逆变电路，全桥逆变电路输出信号到高频变压器，高频变压器通过非接触式电能传输装置连接超声换能器；所述电压电流采样电路采集高频变压器输出信号的电压和电流，经过锁相电路后反馈到所述单片机；所述单片机通过反馈信号处理以实现所述BUCK直流斩波电路驱动信号占空比小范围的调节，通过改变所述BUCK直流斩波电路驱动信号的占空比，调节所述BUCK直流斩波电路的输出电压，实现加工过程中所述超生加工驱动器功率的调节。

Description

一种基于BUCK电路的旋转超声加工驱动器

技术领域

本发明涉及一种旋转超声加工驱动器，尤其涉及一种基于BUCK电路的旋转超声加工驱动器。

背景技术

现有技术中常用的超声加工驱动器有:1)基于自激震荡电路和功放电路的超声加工驱动器；2)基于单片机和全桥逆变(半桥逆变)的超声加工驱动器；3)基于单片机和可调硅电路和全桥逆变(半桥逆变)的超声加工驱动器。

其存在的问题及缺陷是：1)采用自激式震荡电路，它没有信号源，需要电路中满足相位和幅值要求才能自激震荡，在加工过程中超声加工换能器的频率追踪存在严重缺陷；2)采用单片机作为信号发生源，并加上全桥逆变或者半桥逆变电路的超声驱动器，存在的问题是不能调节超声驱动器的输出功率，造成加工的工艺不满足实际加工的要求；3)采用可控硅电路的超声驱动器，虽然可以达到调节驱动器输出功率的功能，由于它调节的范围和精度存在很大的误差，所以加工过程中存在很大的问题。

现有的单片机开发实验系统一般是通过专门的仿真器、编程器或者加载头再通过加载调试线将在PC机上编译完成的单片机二进制执行文件下载到开发板上的单片机芯片上并执行。如果是通过仿真器连接的话，还可以在线观察下载下去的单片机程序运行的情况并进行程序的调试。还有一些型号比较老的单片机(如51单片机)是采用将单片机芯片取下来放在专门的编程器中进行编程，编程完成后再将芯片插回到开发板上去执行。另外，也有些型号的单片机则是采用单片机内部的通用异步收发串行接口来加载程序到芯片内部的程序存储空间的。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于BUCK电路的旋转超声加工驱动器，实现加工过程中功率的调节，且调节功率具有快速性和精确性的优点。

本发明通过如下技术方案实现：

一种基于BUCK电路的旋转超声加工驱动器，包括单片机、电源电路、超声换能器、电压电流采样电路、锁相电路、高频变压器、非接触式电能传输装置、全桥逆变电路、BUCK直流斩波电路以及驱动电路；所述单片机通过IO口输出BUCK驱动信号和全桥逆变电路的驱动信号；所述BUCK驱动信号通过驱动电路后输入到所述BUCK直流斩波电路，驱动所述BUCK直流斩波电路输出信号到所述全桥逆变电路；所述全桥逆变电路的驱动信号通过DSS信号生产电路+驱动电路后输入到所述全桥逆变电路，驱动所述全桥逆变电路输出信号到所述高频变压器；所述高频变压器通过所述非接触式电能传输装置连接所述超声换能器；所述电压电流采样电路采集高频变压器输出信号的电压和电流，经过锁相电路后反馈到所述单片机；所述单片机通过反馈信号处理以实现所述BUCK直流斩波电路驱动信号占空比小范围的调节，通过改变所述BUCK直流斩波电路驱动信号的占空比，调节所述BUCK直流斩波电路的输出电压，实现加工过程中所述超生加工驱动器功率的调节。

进一步地，所述BUCK直流斩波电路的电感设计和电容设计。

进一步地，所述全桥逆变电路包括4个RCD缓冲电路，并联在全桥逆变电路的四个桥臂，所述RCD缓冲电路由电阻和二极管并联后再串联一个电容构成。

进一步地，所述单片机采用基于ARM Cortex-M3内核的STM32微处理器。所述电压电流采样电路使用数字芯片AD8436，所述锁相电路使用数字芯片74HC74D。所述驱动电路采用隔离型芯片IR2110。

进一步地，所述电源电路包括220V/9V工频变压器、整流滤波、电路电源芯片L7805C和ASM1117，市电通过所述220V/9V工频变压器获得的9V交流电，然后通过整流滤波电路获得12V直流电，然后通过L7805C和ASM1117分别获得数字芯片所需的3.3V和5V电压。

进一步地，其特征在于：所述旋转超声加工驱动器还包括基于MAX3232SE的串口通信接口电路，通过操作触摸屏以实现上位机与下位机的通信，直接操作下位机完成搜频、锁频功能。

进一步地，所述高频变压器实现全桥逆变电路和超声换能器之间的阻抗匹配和能量的传输。

本发明的有益效果是：本发明提出的基于BUCK电路的旋转超声加工驱动器基于74HC74D的锁相电路，可以完成搜频和锁频的功能，可以使换能器工作在谐振频率点，从而使换能器工作在更高的效率，延长其使用寿命；BUCK直流斩波电路，具有体积小，效率高等特点，通过改变BUCK直流斩波电路驱动信号的占空比，调节BUCK变换器的输出电压，可以实现加工过程中功率的调节；单片机通过反馈信号处理可以实现BUCK变换器驱动信号占空比小范围的调节，从而相比市场上的驱动器而言，调节功率具有快速性和精确性的优点。

附图说明

图1是本发明的基于BUCK电路的旋转超声加工驱动器结构图；

图2是本发明的旋转加工驱动器的单片机最小系统电路图；

图3是本发明的旋转加工驱动器的电源电路图；

图4是本发明的旋转加工驱动器的电压电流采样电路图；

图5是本发明的旋转加工驱动器的锁相电路图；

图6(a)是本发明的旋转加工驱动器的驱动电路图；

图6(b)是驱动电路图的自举电路示意图；

图7是本发明的旋转加工驱动器的串口通信接口电路图；

图8是本发明的旋转加工驱动器的市电整流滤波电路图；

图9是本发明的旋转加工驱动器的Buck直流斩波电路图；

图10是Buck直流斩波电路的驱动信号和输出信号波形图；

图11是本发明的旋转加工驱动器的全桥逆变电路图；

图12是本发明的旋转加工驱动器的DDS信号生产电路。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

如附图1所示，本发明的基于BUCK电路的旋转超声加工驱动器，它包括单片机、电源电路、串口通信接口电路、超声换能器、电压电流采样电路、锁相电路、高频变压器、全桥逆变电路、BUCK直流斩波电路、直接数字合成DDS电路以及驱动电路。单片机通过IO口输出BUCK驱动信号和全桥逆变电路的驱动信号；BUCK驱动信号通过驱动电路后输入到所述BUCK直流斩波电路，驱动BUCK直流斩波电路输出信号到所述全桥逆变电路；所述全桥逆变电路的驱动信号通过DSS信号生产电路+驱动电路后输入到所述全桥逆变电路，驱动所述全桥逆变电路输出信号到高频变压器；所述高频变压器连接所述超声换能器；所述电压电流采样电路采集高频变压器输出信号的电压和电流，经过锁相电路后反馈到所述单片机；所述单片机通过反馈信号处理以实现所述BUCK直流斩波电路驱动信号占空比小范围的调节，通过改变所述BUCK直流斩波电路驱动信号的占空比，调节所述BUCK直流斩波电路的输出电压，实现加工过程中所述超生加工驱动器功率的调节。

附图2所示的是基于STM32的单片机最小系统，它包括8Mhz晶振电路，启动模式电路，电源电路，单片机通过IO口输出BUCK驱动信号和全桥逆变电路的驱动信号，还有另外一些外设的接口电路。

附图3所示的是电源电路，它包括220V/9V工频变压器、整流滤波、电路电源芯片L7805C和ASM1117，市电通过所述220V/9V工频变压器获得的9V交流电，然后通过整流滤波电路获得12V直流电，然后通过L7805C和ASM1117分别获得数字芯片所需的3.3V和5V电压。3.3V的电源经过滤波电容滤波后供给数字芯片和模拟芯片使用。

附图4所示的是电压电流有效值采样电路图，在实际加工过程中需要知道换能器两端的电压和流过换能器的电流的有效值，基于OPA2134的电压电流调理电路，本发明设计了基于AD8436的电压电流有效值采集电路。

换能器工作在谐振频率点时效率最高，工作最稳定。而换能器的谐振频率点会因装配和工作老化而改变。如果改变的频率只是漂移，变化不大，频率跟踪信号可以控制信号发生器，使信号发生器的频率在一定范围内跟踪换能器的谐振频率点，让发生器工作在最佳状态。本发明设计了如附图5所示的基于数字芯片74HC74D的锁相电路。本发明的锁相电路应用于含有非接触式电能传输的旋转超声加工，检测的电压电流是非接触式电能传输装置中非接触式旋转变压器原边的电压和电流。

本发明简化了全桥逆变电路的驱动电路的设计难度，采用STM32的GPIO口直接输出四路驱动信号。由于单片机只能输出3.3V的电压不能直接驱动功放管，另外功放管电路属于高压部分，与弱电驱动部分需要隔离，因此本发明设计了如附图6(a)所示的基于隔离型芯片IR2110的驱动电路。针对IR2110的特点设计了如附图6(b)所示的自举电路，通过VB和VS两个管脚的自举电容以实现自举电压的形式，并且选取了合适大小的栅极电阻以实现对功放管的完美驱动。通过STM32单片机给出驱动信号的频率，完成扫频功能。BUCK直流斩波电路的驱动电路设计与全桥逆变电路的驱动电路设计相同，通过单片机可以直接实现不同的开关频率。

为了增加人机交互性，本发明设计了如附图7所示的基于MAX3232SE的串口通信接口电路，通过操作触摸屏以实现上位机与下位机的通信，直接操作下位机完成搜频，锁频等功能。

附图8所示的是市电的整流滤波电路图，由于市电存在很大的EMI干扰，在整流滤波之前进行两个共模电感进行处理，以减弱EMI干扰强度。经过共模电感处理后的市电通过整流滤波后得到纹波的直流电，通过大容量的电解电容进行滤波，获得比较平滑的直流电供给全桥逆变电路使用。

本发明的BUCK直流斩波电路的设计，包括两个部分。第一部分是BUCK驱动电路的设计，和全桥逆变电路的驱动电路设计一样，采用基于IR2110S的驱动电路。第二部分BUCK主电路的设计，主要包括高频的电感的设计和滤波电容的设计。旋转加工驱动器的BUCK直流斩波电路如附图9所示。

附图10是BUCK直流斩波电路的驱动信号和输出信号波形图，其中V_G是驱动信号的电压，V_O是BUCK直流斩波电路的输出电压。

v_EO(wt)的傅里叶表达式如下所示：

$v_{\mathrm{EO}}\left(\mathrm{wt}\right)=C_o+\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n\cos \left(\mathrm{n\ωt}\right)$

式中输出电压的直流平均值

$V_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\underset{0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\∫}}{v}_{\mathrm{ED}}d\left(\mathrm{\ωt}\right)=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{V}_s\mathrm{\θ}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{V}_{s}2\mathrm{\πD}={\mathrm{DV}}_s$

通过上面的公式可以发现，BUCK变换器的平均输出电压等于占空比乘以输入电压，通过改变不同的占空比就可以得到不同的输出电压，从而改变全桥逆变电路的输出功率。

BUCK直流斩波电路的高频电感的设计过程：

1.确定一定纹波电流，计算出需要的电感量值；

2.通过面积法确定面积乘积AP；

3.通过公示 $N_{\mathrm{MIN}}=\frac{{\mathrm{LI}}_{\mathrm{MAX}}{10}^4}{B_{\mathrm{MAX}}{A}_e}$ 计算最小的匝数；

4.通过公式 $l_0=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\λ}}_0{N}^2{A}_e{10}^2}{L}$ 计算磁芯气隙.

滤波电容的设计主要通过纹波电压的要求就行设计，fs是开关频率，fc是一阶低通滤波器的截止频率。参考公示如下所示:

$\frac{\mathrm{\Δ}{V}_O}{V_O}=\frac{{\mathrm{\π}}^2}{2}{\left(\frac{f_c}{f_s}\right)}^2(1-D)\≤0.01$

全桥逆变电路是旋转超声加工驱动器的功率核心部分电路，针对目前所有的半桥，全桥等拓扑结构，本发明选取了全桥架构作为功放的核心电路结构，如附图11所示。通过全桥移相算法，在驱动信号的作用完成直流电向高频交流电即直流信号转换为高频方波信号。驱动信号的连接方式就是直接加在4个功放管的G级。通过高频变压器完成阻抗匹配和能量的传输，高频变压器是开关型超声波电源的核心部分，通过变压器原理知，高频变压器可以将换能器即负载的阻值通过公式折算到原边，通过设计合适的高频变压器可以使得换能器的阻值可以通过匝数比折算成与电源内阻相等，此时传输的效率最大，这也就是高频变压器完成阻抗匹配和能量传输的主要功能。针对全桥逆变电路在一对桥臂驱动信号切换的时候，会导致输出的直流电压产生尖峰，为了保护功放管的安全和工作寿命，本发明设计了RCD缓冲电路。RCD缓冲电路具体的连接方式所述全桥逆变电路包括4个RCD缓冲电路，并联在全桥逆变电路的四个桥臂，所述RCD缓冲电路由电阻和二极管并联后再串联一个电容构成。

在超声系统实际工作过程中，为了确保开关管处于安全的工作区域内，必须设计一定的缓冲电路去软化开关管的开关过程，达到提高设计电路的可靠性。缓冲电路在逆变器中的应用最为广泛，可以有效的抑制开关管在关断时候的尖峰电压毛刺，同时可以减小开关损耗和电磁干扰。本发明采用的RCD缓冲电路，它的主要工作过程和原理分析如下：

(1)开关管关断后，电路中的漏感(主要包括开关管的寄生电容和高频变压器的漏感)的能量通过阻尼二极管对缓冲电容进行充电，直到电容两端电压值为C_U＝U_DS-U_VD，由于缓冲电容的存在限制了电压的上升速度，减小了上升电压和关断电流的重合，降低了关断功耗；

(2)开关管导通后，缓冲电容C通过缓冲电阻R和开关管放电，可以使开关管快速导通。由于电容C的放电作用使得电流上升速度变快，导通时间缩短，同样减小了电压和电流的重合度，减小了导通的功耗。

RCD参数的计算可以根据开关管的关断特性计算，关断的过程中损耗的能量为：

$E=\frac{{\mathrm{CU}}_{\mathrm{DS}}^2}{2}=\frac{I_D{U}_{\mathrm{DS}}(T_f+T_r)}{2}$

I_D为最大栅极电流，U_DS为最大栅源电压，T_r为栅极电压上升时间，T_f为开关管集电极电流下降时间。由上式和查询开关管手册可计算得:

$C=\frac{I_D(T_f+T_r)}{U_{\mathrm{DS}}}$

缓冲电路要求开关管关断之前，缓冲电容C必须将储存的电能通过电阻R释放掉，应满足以下条件：3RC＝T_ON；式子中T_ON为最小导通时间，可查询器件手册获得。

针对旋转超声加工过程中的功率控制，本发明使用单片机加IR2110S驱动芯片的共同作用以实现在旋转超声加工过程中的功率恒定与功率调节。

附图12所示是DDS信号生产电路，其基于芯片AD9837。通过单片机写入DDS频率字和控制字，编程输出正弦波、方波等。通过它与驱动电路配合驱动全桥逆变的优点是频率的控制相对于通过载波得到的驱动信号的电路更加的简单，更加的精确。其中，DDS控制字和频率字是DDS信号生产电路的输入信号。

本发明提出的基于BUCK电路的旋转超声加工驱动器基于74HC74D的锁相电路，可以完成搜频和锁频的功能，可以使换能器工作在谐振频率点，从而使换能器工作在更高的效率，延长其使用寿命；BUCK直流斩波电路，具有体积小，效率高等特点，通过改变BUCK直流斩波电路驱动信号的占空比，调节BUCK变换器的输出电压，可以实现加工过程中功率的调节；单片机通过反馈信号处理可以实现BUCK变换器驱动信号占空比小范围的调节，从而相比市场上的驱动器而言，调节功率具有快速性和精确性的优点。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于BUCK电路的旋转超声加工驱动器，包括单片机、电源电路、超声换能器、电压电流采样电路、锁相电路、高频变压器、非接触式电能传输装置、全桥逆变电路、BUCK直流斩波电路以及驱动电路，其特征在于：所述单片机通过IO口输出BUCK驱动信号和全桥逆变电路的驱动信号；所述BUCK驱动信号通过驱动电路后输入到所述BUCK直流斩波电路，驱动所述BUCK直流斩波电路输出信号到所述全桥逆变电路；所述全桥逆变电路的驱动信号通过DSS信号生产电路+驱动电路后输入到所述全桥逆变电路，驱动所述全桥逆变电路输出信号到所述高频变压器；所述高频变压器通过所述非接触式电能传输装置连接所述超声换能器；所述电压电流采样电路采集高频变压器输出信号的电压和电流，经过锁相电路后反馈到所述单片机；所述单片机通过反馈信号处理以实现所述BUCK直流斩波电路驱动信号占空比小范围的调节，通过改变所述BUCK直流斩波电路驱动信号的占空比，调节所述BUCK直流斩波电路的输出电压，实现加工过程中所述超生加工驱动器功率的调节。

2.根据权利要求1所述的旋转超声加工驱动器，其特征在于：所述BUCK直流斩波电路的电感设计和电容设计。

3.根据权利要求1所述的旋转超声加工驱动器，其特征在于：所述全桥逆变电路包括4个RCD缓冲电路，并联在全桥逆变电路的四个桥臂，所述RCD缓冲电路由电阻和二极管并联后再串联一个电容构成。

4.根据权利要求1所述的旋转超声加工驱动器，其特征在于：所述单片机采用基于ARM Cortex-M3内核的STM32微处理器。

5.根据权利要求1所述的旋转超声加工驱动器，其特征在于：所述电源电路包括220V/9V工频变压器、整流滤波、电路电源芯片L7805C和ASM1117，市电通过所述220V/9V工频变压器获得的9V交流电，然后通过整流滤波电路获得12V直流电，然后通过L7805C和ASM1117分别获得数字芯片所需的3.3V和5V电压。

6.根据权利要求1所述的旋转超声加工驱动器，其特征在于：所述电压电流采样电路使用数字芯片AD8436，所述锁相电路使用数字芯片74HC74D。

7.根据权利要求1所述的旋转超声加工驱动器，其特征在于：所述驱动电路采用隔离型芯片IR2110。

8.根据权利要求1所述的旋转超声加工驱动器，其特征在于：所述旋转超声加工驱动器还包括基于MAX3232SE的串口通信接口电路，通过操作触摸屏以实现上位机与下位机的通信，直接操作下位机完成搜频、锁频功能。

9.根据权利要求1所述的旋转超声加工驱动器，其特征在于：所述高频变压器实现全桥逆变电路和超声换能器之间的阻抗匹配和能量的传输。