CN104549979A - 基于移相全桥大功率超声波发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于移相全桥大功率超声波发生器，其包括弱电电路模块、MCU模块、隔离驱动电路、整流滤波电路、全桥逆变模块、隔离变压器、LC滤波匹配电路、输出电压电流检测电路、温度检测电路、桥电流检测及过流保护电路、输出电流电压有效值测量电路、输出电流电压相位检测电路、输出过压过流保护电路、显示模块、储存模块和控制模块。本发明结构设计巧妙、合理，体积小，发热小，性能稳定，保护功能齐全，具有扫频范围及扫频电压自设定功能，能准确找到换能器谐振频率及稳定频率跟踪功能，且在加工过程中可实时监测输出电压、电流及负载阻抗信息等，另外操作方便、简易，功率大，利于广泛推广运用。

Description

基于移相全桥大功率超声波发生器

技术领域

本发明属于超声波发生器技术领域，具体涉及一种基于移相全桥大功率超声波发生器。

背景技术

目前，超声技术应用广泛，超声设备应用到机械、电子、化工、能源、医疗等各个领域。在实际应用中多数需要实时监测设备的工作情况，如超声波清洗机、超声波焊接机、超声波医疗设备等。超声波设备包含有换能器、超声波发生器及其他辅助设备。超声波发生器为换能器提供工作能量，使其将电能转换成声能。超声波发生器的工作效率直接影响换能器的工作情况。

现有的超声波发生器，一般采用的方式有:1、由自激振荡电路组成，存在输出功率受限制，且不能频率自动跟踪等不足；2、采用高频逆变单元、阻抗匹配系统和变压器耦合输出组成，因变压器频率特性局限性，存在输出功率受限制等不足。

发明内容

针对上述的不足，本发明目的在于，提供一种结构设计巧妙、合理，操作方便，且发热小，性能稳定，保护功能齐全，具有扫频范围及扫频电压自设定功能的基于移相全桥大功率超声波发生器。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案是：一种基于移相全桥大功率超声波发生器，其包括弱电电路模块、MCU模块、隔离驱动电路、整流滤波电路、全桥逆变模块、隔离变压器、LC滤波匹配电路、输出电压电流检测电路、温度检测电路、桥电流检测及过流保护电路、输出电流电压有效值测量电路、输出电流电压相位检测电路、输出过压过流保护电路、显示模块、储存模块和控制模块，所述MCU模块分别和弱电电路模块、显示模块、储存模块、控制模块、隔离驱动电路、温度检测电路、桥电流检测及过流保护电路、输出电压电流检测电路、输出电流电压有效值测量电路和输出过压过流保护电路相连接，所述全桥逆变模块分别和整流滤波电路、温度检测电路、桥电流检测及过流保护电路和隔离变压器相连接，该隔离变压器通过LC滤波匹配电路和输出电压电流检测电路相连接，该输出电压电流检测电路分别和输出电流电压有效值测量电路、输出电流电压相位检测电路、输出过压过流保护电路相连接。

作为本发明的一种改进，所述隔离驱动电路为四路隔离驱动电路。

作为本发明的一种改进，所述显示模块为液晶显示器，该液晶显示器通过UART与所述MCU模块相连接。

作为本发明的一种改进，所述储存模块为EEPROM，该EEPROM通过12C总线协议与所述MCU模块相连接。

作为本发明的一种改进，控制模块包括按键面板和开关按钮，该按键面板和开关按钮通过GPIO与所述MCU模块相连接。

作为本发明的一种改进，所述弱电电路模块包括24伏弱电电路模块、3.3伏弱电电路模块和12伏弱电电路模块。

本发明的有益效果为：本发明结构设计巧妙、合理，体积小，发热小，性能稳定，保护功能齐全，具有扫频范围及扫频电压自设定功能，能准确找到换能器谐振频率及稳定频率跟踪功能，且在加工过程中可实时监测输出电压、电流及负载阻抗信息等，另外操作方便、简易，功率大，利于广泛推广运用。

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步说明。

附图说明

图1是本发明的电路模块结构示意图。

具体实施方式

实施例：参见图1，本实施例提供了一种基于移相全桥大功率超声波发生器，其包括弱电电路模块、MCU模块、隔离驱动电路、整流滤波电路、全桥逆变模块、隔离变压器、LC滤波匹配电路、输出电压电流检测电路、温度检测电路、桥电流检测及过流保护电路、输出电流电压有效值测量电路、输出电流电压相位检测电路、输出过压过流保护电路、显示模块、储存模块和控制模块。具体的，将所述MCU模块分别和弱电电路模块、显示模块、储存模块、控制模块、隔离驱动电路、温度检测电路、桥电流检测及过流保护电路、输出电压电流检测电路、输出电流电压有效值测量电路和输出过压过流保护电路相连接，所述全桥逆变模块分别和整流滤波电路、温度检测电路、桥电流检测及过流保护电路和隔离变压器相连接，该隔离变压器通过LC滤波匹配电路和输出电压电流检测电路相连接，该输出电压电流检测电路分别和输出电流电压有效值测量电路、输出电流电压相位检测电路、输出过压过流保护电路相连接。

所述弱电电路模块主要为弱电部分电路供电，具体包括24伏弱电电路模块、3.3伏弱电电路模块和12伏弱电电路模块。其中24伏弱电电路模块为液晶屏供电，3.3伏弱电电路模块为MCU供电，12伏弱电电路模块为各信号处理模块供电。

整流滤波电路为全桥逆变电路提供母线电压。

MCU模块具体采用采用ARM 32位Cortex M3内核CPU，低功耗、低成本、性能可靠。MCU电路模块主要完成以下功能：1）全桥移相4路驱动信号的生成；2）完成对输出电压、电流、电压电流相位差及温度信号的采集与处理；3）完成与液晶屏的通信；4）通过I2C总线与EEPROM进行通信，完成对数据的存取；5）读取外部开关及按键触发信号等。

所述显示模块为人机交互界面，完成用户参数设置及驱动器工作时参数的显示。本实施例中，该显示模块为液晶显示器，该液晶显示器通过UART与所述MCU模块相连接。

所述储存模块为EEPROM，该EEPROM通过12C总线协议与所述MCU模块相连接。该EEPROM完成驱动器掉电数据存储工作，保证下次开机时驱动器记住上次关机前的工作参数，以便对同一个负载，驱动器开机后直接输出使用。

控制模块主要是为配合液晶屏操作，方便用户使用。控制模块具体包括按键面板和开关按钮，该按键面板和开关按钮通过GPIO与所述MCU模块相连接。

所述隔离驱动电路为四路隔离驱动电路。用来对MCU模块输出的四路PWM波信号进行放大，以便驱动全桥逆变模块电路中的四个功率管；采用隔离驱动，将强电与弱电分开，以降低强电对弱电的干扰，提高系统稳定性。

全桥逆变模块采用四个功率管构成，用来将直流信号转换成交流信号，同时提升功率，为负载提供所需要的能量。

隔离变压器作用在于一方面与输出进行隔离，另一方面完成对电压的放大及阻抗匹配工作，让负载工作于最佳工作状态。

通过LC滤波匹配电路来选择合适的LC滤波参数，将全桥逆变电路输出的移相方波信号转换成标准正弦波信号，提供给负载。

输出电压电流检测电路利使用电压、电流互感器，分别对输出的高电压、大电流信号进行转换，缩小至信号处理电路可接受范围，以便后续电路对它进行处理。

温度检测电路采集全桥逆变功率管的温度信息，若发现驱动器因异常情况温升过高，立即做过温保护提醒，并停止驱动器输出，等排除故障后继续工作。

桥电流检测及过流保护电路用于完成对移相全桥电流的检测工作，用来监测其正常工作时的电流大小，同时当发生异常情况时，做出相应的判读并保护，以避免驱动器烧坏。

输出电流电压有效值测量电路利用有效值芯片，计算出反馈的电压、电流正弦波信号有效值，然后送给MCU模块采集，以便控制输出电压的大小；同时，通过电流值可算出输出总功率。

输出电流电压相位检测电路通过过零比较器，将反馈的电压、电流正弦波信号变换成标准方波信号，然后送给MCU模块进行测量，计算出电压与电流的相位差，通过相位差信息，可寻找换能器谐振频率点，以及实现频率跟踪功能。

输出过压过流保护电路用于输出反馈的电压、电流信号，一方面通过信号调理电路送给单片机进行采集，另一方面送给过压、过流保护电路，与预设定的保护阈值进行比较，大于该阈值时电路即保护，以免驱动器因异常操作而损坏。

使用时，打开开关按钮接通电源，此时弱电电路模块已正常供电，然后间隔2ms，MCU模块控制继电器，接通连接220V市的电整流滤波电路，给全桥逆变模块供电。

正常通电后，MCU模块读取EEPROM里存储的数据，于液晶显示器里显示。然后通过液晶显示器的数字键盘及按键面板，可设置相应的扫频范围及振幅值。设置好以上参数后，通过按键触发，MCU模块检测到高电平启动扫频程序，输出频率递增的四路PWM信号，PWM信号经过隔离驱动电路提升电平，驱动全桥逆变模块工作于开关状态，输出的移相方波信号经过LC滤波匹配电路后生成标准正弦波信号，施加在负载两端。同时，温度检测电路、桥电流检测及过流保护电路、输出电流电压有效值测量电路、输出电流电压相位检测电路、输出过压过流保护电路及各保护电路都处于正常工作状态。

待扫频结束后，MCU模块通过输出电流电压相位检测电路及输出电流电压有效值测量电路所测得的值，来判断所接负载（换能器）的谐振频率点，然后输出该谐振频率点的正弦波。然后将按键面板中的开关拨至ON状态，MCU模块检测到输出信号，输出超声波。在正常工作状态下，温度检测电路、桥电流检测及过流保护电路、输出电流电压有效值测量电路、输出电流电压相位检测电路和输出过压过流保护电路一直处于监控状态下，MCU模块将这些采集的信息发送给液晶显示器进行显示。在正常输出状态下，还可通过按键面板中的调幅旋钮来调节输出振幅大小，以满足不同的使用需求，操作方便、简易。

因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制，采用与其相同或相似的其它装置，均在本发明保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于移相全桥大功率超声波发生器，其特征在于，其包括弱电电路模块、MCU模块、隔离驱动电路、整流滤波电路、全桥逆变模块、隔离变压器、LC滤波匹配电路、输出电压电流检测电路、温度检测电路、桥电流检测及过流保护电路、输出电流电压有效值测量电路、输出电流电压相位检测电路、输出过压过流保护电路、显示模块、储存模块和控制模块，所述MCU模块分别和弱电电路模块、显示模块、储存模块、控制模块、隔离驱动电路、温度检测电路、桥电流检测及过流保护电路、输出电压电流检测电路、输出电流电压有效值测量电路和输出过压过流保护电路相连接，所述全桥逆变模块分别和整流滤波电路、温度检测电路、桥电流检测及过流保护电路和隔离变压器相连接，该隔离变压器通过LC滤波匹配电路和输出电压电流检测电路相连接，该输出电压电流检测电路分别和输出电流电压有效值测量电路、输出电流电压相位检测电路、输出过压过流保护电路相连接。

2.根据权利要求1所述的基于移相全桥大功率超声波发生器，其特征在于，所述隔离驱动电路为四路隔离驱动电路。

3.根据权利要求1所述的基于移相全桥大功率超声波发生器，其特征在于，所述显示模块为液晶显示器，该液晶显示器通过UART与所述MCU模块相连接。

4.根据权利要求1所述的基于移相全桥大功率超声波发生器，其特征在于，所述储存模块为EEPROM，该EEPROM通过12C总线协议与所述MCU模块相连接。

5.根据权利要求1所述的基于移相全桥大功率超声波发生器，其特征在于，控制模块包括按键面板和开关按钮，该按键面板和开关按钮通过GPIO与所述MCU模块相连接。

6.根据权利要求1所述的基于移相全桥大功率超声波发生器，其特征在于，所述弱电电路模块包括24伏弱电电路模块、3.3伏弱电电路模块和12伏弱电电路模块。