CN104711843A - 新型纺织材料全数字式超声波切割系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型纺织材料全数字式超声波切割系统，该切割系统包括微控制器和超声波切割机构，以及分别与微控制器相连的驱动系统、电压电流采集电路、相位差采集集成电路、工作状态数字化显示器和故障处理系统，驱动系统包括连接有MOSFET功率调节电路的IR2110驱动电路和连接有IGBT逆变器电路的EXB841驱动电路，MOSFET功率调节电路的前端连接全桥整流电路，后端与IGBT逆变器电路连接；电压电流采集电路包括电压采集信号电路和电流采集信号电路，电压采集信号电路和电流信号采集电路的输入端分别与超声波切割机构相连，电压采集信号电路和电流信号采集电路的输出端分别与微控制器连接；相位差采集集成电路的输入端与电压电路采集信号的输出端连接。本发明数字化程度高，稳定可靠，能够自动处理系统故障。

Description

新型纺织材料全数字式超声波切割系统

技术领域

本发明涉及超声波切割技术领域，具体地说，涉及一种全数字式智能化超声波切割系统。

背景技术

在纺织工业中，经常需要对纺织材料进行切割，在织物产品的生产过程中，也常常需要对织物进行分割以及切割下料，因此纤维织物的切割下料将直接影响产品的质量和生产效率。在纺织材料切割方面，现有的切割方法有机械刀具切割、电热丝切割和超声波切割三种，目前常用的切割法为电热丝切割，但其切口不平整，容易产生球状体，不美观，且时间长了，切口处容易再次脱线；超声波切割法相对于机械刀具切割、电热丝切割方法具有一定的优势，切割过程无污染，同时具有非常精密的工艺效果。现今应用在纺织材料切割方面的超声波切割系统大都数字化、智能化程度低，频率跟踪和功率控制操作频繁，且系统大部分采用模拟电路，数字化和集成化程度低，同时，对于系统故障不能进行自动处理。

发明内容

本发明的目的在于针对现有纺织材料在进行切割时存在的上述问题，提供了一种数字化程度高、稳定可靠、可实现系统故障自动处理的新型纺织材料全数字式超声波切割系统。

本发明的技术方案为：一种新型纺织材料全数字式超声波切割系统，该切割系统包括微控制器和超声波切割机构，以及分别与微控制器相连的驱动系统、电压电流采集电路、相位差采集集成电路、工作状态数字化显示器和故障处理系统，所述驱动系统包括连接有MOSFET功率调节电路的IR2110驱动电路和连接有IGBT逆变器电路的EXB841驱动电路，所述MOSFET功率调节电路的前端连接全桥整流电路，后端与所述IGBT逆变器电路连接；所述电压电流采集电路包括电压采集信号电路和电流采集信号电路，所述电压采集信号电路和电流信号采集电路的输入端分别与超声波切割机构相连，所述电压采集信号电路和电流信号采集电路的输出端分别与微控制器连接；所述相位差采集集成电路的输入端与电压电路采集信号的输出端连接。

优选的是，上述超声波切割系统中，所述电压采集电路采用高频变压器，将高频变压器并联在超声波切割机构的电压输入端，通过高频变压器的变压作用，经输入高压电转变为适合微控制器采集的3.3V以内的低压电。

优选的是，上述超声波切割系统中，所述电流采集电路采用霍尔电流传感器，将霍尔传感器串联在超声波切割机构的电流输入端，通过霍尔电流传感器将超声波切割机构转化为适合微控制器采集的3.3V以内的低压电。

进一步的，上述超声波切割系统中，所述超声波切割系统还设置有频率自动跟踪系统，该频率自动跟踪系统由微控制器、EXB841驱动电路和IGBT逆变器电路组成，微控制器通过独立的PWM信号的实时频率变化控制EXB841驱动电路实时改变IGBT逆变器电路中IGBT的开关状态，实现实时跟踪谐振频率。

优选的是，上述超声波切割系统中，所述的IGBT逆变器电路为四个IGBT组成的H桥结构电路，每个IGBT分别与一组EXB841驱动电路直接相连。

优选的是，上述超声波切割系统中，所述故障处理系统包括驱动系统故障处理部分、系统过压与欠压故障处理部分和故障信息显示处理部分，所述驱动系统故障处理部分和故障信息显示部分直接与微控制器相连，所述系统过压与欠压故障处理部分是将微控制器与电压采集电路的输出电压信号相连。

优选的是，上述超声波切割系统中，所述驱动故障处理部分用于处理驱动系统内部过流故障，当驱动系统出现过流故障时会输出过流信号，该过流信号直接与微控制器相连，微控制器一旦捕捉到故障信号，立即通过改变PWM信号的频率和占空比作出保护措施，做出报警并使驱动系统恢复正常。

优选的是，上述超声波切割系统中，所述系统过压欠压故障处理部分以微控制器为核心，故障输入信号为超声波切割机构两端的电压信号，当电压高于或低于超声波切割机构的安全电压范围时，微控制器直接做出处理，通过蜂鸣器报警，在工作状态数字化显示器上显示故障信息，并改变PWM信号占空比来调节超声波切割机构输入的平均电压实现过压或欠压故障自动处理。

优选的是，上述超声波切割系统中，所述故障信息显示处理部分将具体的何种故障信息实时显示出来，并实时显示系统自动处理故障的结果。

优选的是，上述超声波切割系统中，所述微控制器采用Kinetis K60微控制器；所述工作状态数字化显示器采用液晶显示方式。

本发明的有益效果为：(1)本发明数字化程度高，稳定可靠，能够自动处理系统故障。(2)本发明微控制器直接连接驱动系统、相位差采集集成电路以及工作状态数字化显示器，进行数据采集和运算处理、电压电流调节、PWM信号生产、系统状态监控等，并作为整个系统的主控芯片运行，完成多种综合功能。(3)本发明微控制器采用Kinetis K60微控制器，Kinetis系列微控制器是飞思卡尔半导体公司推出的是业内首款ARM Cortex-M4内核芯片，该系列微控制器采用了飞思卡尔90纳米薄膜存储器(TFS)闪存技术和Flex存储器功能(可配置的内嵌EEPROM)，支持超过1000万次的擦写，并融合了最新的低功耗革新技术，具有高性能、高精度的混合信号能力，宽广的互联性，人机接口和安全外设。(4)本发明设计有频率自动跟踪系统，实现了实时跟踪谐振频率的功能。

附图说明

图1为本发明具体实施方式的结构框图。

图2为本发明具体实施方式中IGBT逆变器电路的电路图。

图3为本发明具体实施方式中EXB841驱动电路的电路图。

图4为本发明具体实施方式中相位差采集集成电路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明提供的一种新型纺织材料全数字式超声波切割系统，该切割系统包括Kinetis K60微控制器和超声波切割机构，以及分别与Kinetis K60微控制器相连的驱动系统、电压电流采集电路、相位差采集集成电路、工作状态数字化显示器和故障处理系统，所述驱动系统包括连接有MOSFET功率调节电路的IR2110驱动电路和连接有IGBT逆变器电路的EXB841驱动电路。

超声波切割系统在工作时，由于负载发热、疲劳、老化、磨损、刚度变化和变化剧烈等变化造成了超声波换能器的阻抗变化，此时造成了输出功率的变化。需要采取一定控制方法是输出功率可以自动跟踪负载的变化，保证负载端超声波换能器振幅的稳定。为此，本实施例中，如图1所示，在所述MOSFET功率调节电路的前端连接KBPC5010全桥整流电路，后端与所述IGBT逆变器电路连接，并通过IR2110驱动电路来达到控制MOSFET通断的目的。MOSFET与滤波电容组成一个降压斩波器，工作时MOSFET的通断频率不变，通过改变MOSFET的开通时间来达到改变平均电压的目的，从而调低或者调高系统的输出功率。

本实施例中，IR2110驱动电路一端与MOSFET功率调节电路相连，一端与Kinetis K60微控制器的输出引脚相连，通过一路频率固定的PWM信号的实时占空比变化控制IR2110驱动电路实时改变MOSFET的开关状态，来达到实时调节输出功率的目的。

本实施例中，上述电压电流采集电路包括电压采集信号电路和电流采集信号电路，所述电压采集信号电路和电流信号采集电路的输入端分别与超声波切割机构相连，所述电压采集信号电路和电流信号采集电路的输出端分别与Kinetis K60微控制器连接。电压采集信号电路采集超声波切割机构两端电压，电流采集信号电路采集超声波切割机构的输入电流，根据电压和电流的信息，通过Kinetis K60微控制器达到调节系统频率和功率的目的。

本实施例中，所述电压采集电路采用高频变压器，将高频变压器并联在超声波切割机构的电压输入端，通过高频变压器的变压作用，经输入高压电转变为适合Kinetis K60微控制器采集的3.3V以内的低压电。保证了高频就留电压的相位信息保持不变。

本实施例中，所述电流采集电路采用霍尔电流传感器，将霍尔传感器串联在超声波切割机构的电流输入端，通过霍尔电流传感器将超声波切割机构转化为适合Kinetis K60微控制器采集的3.3V以内的低压电。同样是保持采集前后电信号的相位信息不变。

本实施例中，电压采集信号电路和电流采集信号电路同时与Kinetis K60微控制器直接相连，通过Kinetis K60微控制器内置的A/D转换器将采集的模拟信号转变为数字信号，通过处理电流信号来调节输出功率的大小，通过处理电压信号可以防止系统的过压和欠压。其中Kinetis K60微控制器内置16为A/D转换器，可以独立完成A/D采集工作，无需外部A/D采集电路，不仅大大简化了系统电路组成，而且使系统更加可靠，提高了系统的数字化水平。

超声波切割系统在工作中由于负载或温度变化造成超声波华能器的谐振频率发生变化，如果不及时调节频率会使系统工作在失谐状态下。本实施例中，所述超声波切割系统还设置有频率自动跟踪系统，该频率自动跟踪系统由微控制器、EXB841驱动电路和IGBT逆变器电路组成，其中，EXB841驱动电路采用高速光耦隔离，射极输出，延迟时间不超过1us，最高工作频率达50kHz，只需要外部提供一个+20V单电源，结构简单，具有有短路保护和过流保护功能；所述的IGBT逆变器电路为四个英飞凌IKW50N60T单管IGBT组成的H桥结构电路，每个IGBT分别与一组EXB841驱动电路直接相连，EXB841驱动电路直接与Kinetis K60微控制器的输出引脚相连，通过4路独立的PWM信号的实时频率变化控制EXB841驱动电路实时改变英飞凌IKW50N60T单管IGBT的开关状态，来达到实时跟踪谐振频率的功能。

本实施例中，所述相位差采集集成电路的输入端与电压电路采集信号的输出端连接，输出端与Kinetis K60微控制器的A/D采集引脚相连。当超声波切割系统工作在谐振状态下时，超声波切割机构两端电压和电流的相位保持一致，相位差采集集成电路的作用就是处理采集到的超声波切割机构两端电压和电流信号，并输出与相位差呈正比关系的电压信号，通过Kinetis K60微处理器的A/D采集该电压信号，得到数字信号并处理，Kinetis K60微控制器根据电压信号的大小将4路PWM信号的频率向着相位差减小的趋势进行微调，直至相位差减小到零，以此达到自动的实时跟踪谐振频率的目的。

上述相位差采集集成电路采用AD8302集成芯片为核心，并直接与Kinetis K60微控制器相连，相比于锁相环电路结构，大大简化了电路结构，避免了大部分模拟电路器件的使用，提高了系统的数字化水平，提高了系统的精确性和稳定性，相对于单独以电流或电压处理的方式，该相位差采集集成电路更加精确，且该相位差采集集成电路的输出电压信号直接与Kinetis K60微控制器的A/D采集引脚相连，无需外部A/D转换电路，是系统电路更加简化、可靠。

本实施例中，所述故障处理系统包括驱动系统故障处理部分、系统过压与欠压故障处理部分和故障信息显示处理部分，所述驱动系统故障处理部分和故障信息显示部分直接与微控制器相连，所述系统过压与欠压故障处理部分是将Kinetis K60微控制器与电压采集电路的输出电压信号相连。

本实施例中，所述驱动故障处理部分用于处理驱动系统内部过流故障，当驱动系统出现过流故障时会输出过流信号，该过流信号直接与Kinetis K60微控制器相连，Kinetis K60微控制器一旦捕捉到故障信号，立即通过改变PWM信号的频率和占空比作出保护措施，做出报警并使驱动系统恢复正常。实现了过流故障的自动报警、自动处理、及时处理，并在工作状态数字化显示器上实时显示，同时故障输出引脚直接与Kinetis K60微控制器输入引脚相连，简化了电路结构。

本实施例中，所述系统过压欠压故障处理部分以Kinetis K60微控制器为核心，故障输入信号为超声波切割机构两端的电压信号，当电压高于或低于超声波切割机构的安全电压范围时，微控制器直接做出处理，通过蜂鸣器报警，在工作状态数字化显示器上显示故障信息，并改变PWM信号占空比来调节超声波切割机构输入的平均电压实现过压或欠压故障自动处理。该故障处理部分的电路连接方式是Kinetis K60微处理器直接与高压变频器的输出电压信号相连，简化了电路结构，无需模拟式的外围A/D转换电路，提高了数字化水清，且可以自动报警、自动处理、及时处理，并在工作状态数字化显示器上实时显示。

本实施例中，所述故障信息显示处理部分直接与Kinetis K60微控制器相连，故障信息显示处理部分是工作状态数字化显示器的显示内容之一，当出现驱动系统故障或是系统过压与欠压故障时，Kinetis K60微控制器会直接控制工作状态数字化显示器将具体的何种故障信息实时显示出来，并实时显示系统自动处理故障的结果，提高了系统的直观性与可靠性。

本实施例中，所述工作状态数字化显示器直接与Kinetis K60微控制器相连，采用液晶显示方式，显示实时电压与实时电流、系统的工作频率和功率、系统是否出现故障、出现何种故障以及故障的自动处理结构等。电路结构简单，显示内容丰富直观，体现了系统的数字化水平。

本实施例中，本发明超声波切割系统的供电为220V/50Hz的交流电，220V/50Hz交流电先经过KBPC5010全桥整流电路转换为220V直流电，再经过IGBT逆变器电路变为20KHz以上的交流电。

工作原理：

本发明超声波切割系统的核心控制部分为Kinetis K60微控制器，微控制器直接产生五路独立的PWM信号，一路PWM信号通过占空比的变化控制IR2110驱动电路，通过改变MOSFET的开断时间来实现平均电压的改变，达到改变系统输出的目的；四路PWM信号控制四个EXB841驱动电路，四个EXB841驱动电路分别直接连接四个IKW50N60T单管IGBT组成的H桥IGBT逆变器电路，Kinetis K60微控制器通过改变四路PWM信号频率来实现逆变后的交流电的频率改变，同时实现频率自动跟踪的功能。

以上所举实施例仅用为方便举例说明本发明，在本发明所述技术方案范畴，所属技术领域的技术人员所作各种简单变形与修饰，均应包含在以上申请专利范围中。

Claims (10)

1.一种新型纺织材料全数字式超声波切割系统，其特征在于：该切割系统包括微控制器和超声波切割机构，以及分别与微控制器相连的驱动系统、电压电流采集电路、相位差采集集成电路、工作状态数字化显示器和故障处理系统，所述驱动系统包括连接有MOSFET功率调节电路的IR2110驱动电路和连接有IGBT逆变器电路的EXB841驱动电路，所述MOSFET功率调节电路的前端连接全桥整流电路，后端与所述IGBT逆变器电路连接；所述电压电流采集电路包括电压采集信号电路和电流采集信号电路，所述电压采集信号电路和电流信号采集电路的输入端分别与超声波切割机构相连，所述电压采集信号电路和电流信号采集电路的输出端分别与微控制器连接；所述相位差采集集成电路的输入端与电压电路采集信号的输出端连接。

2.根据权利要求1所述的新型纺织材料全数字式超声波切割系统，其特征在于：所述电压采集电路采用高频变压器，将高频变压器并联在超声波切割机构的电压输入端，通过高频变压器的变压作用，经输入高压电转变为适合微控制器采集的3.3V以内的低压电。

3.根据权利要求1所述的新型纺织材料全数字式超声波切割系统，其特征在于：所述电流采集电路采用霍尔电流传感器，将霍尔传感器串联在超声波切割机构的电流输入端，通过霍尔电流传感器将超声波切割机构转化为适合微控制器采集的3.3V以内的低压电。

4.根据权利要求1所述的新型纺织材料全数字式超声波切割系统，其特征在于：所述超声波切割系统还设置有频率自动跟踪系统，该频率自动跟踪系统由微控制器、EXB841驱动电路和IGBT逆变器电路组成，微控制器通过独立的PWM信号的实时频率变化控制EXB841驱动电路实时改变IGBT逆变器电路中IGBT的开关状态，实现实时跟踪谐振频率。

5.根据权利要求1所述的新型纺织材料全数字式超声波切割系统，其特征在于：所述的IGBT逆变器电路为四个IGBT组成的H桥结构电路，每个IGBT分别与一组EXB841驱动电路直接相连。

6.根据权利要求1所述的新型纺织材料全数字式超声波切割系统，其特征在于：所述故障处理系统包括驱动系统故障处理部分、系统过压与欠压故障处理部分和故障信息显示处理部分，所述驱动系统故障处理部分和故障信息显示部分直接与微控制器相连，所述系统过压与欠压故障处理部分是将微控制器与电压采集电路的输出电压信号相连。

7.根据权利要求6所述的新型纺织材料全数字式超声波切割系统，其特征在于：所述驱动故障处理部分用于处理驱动系统内部过流故障，当驱动系统出现过流故障时会输出过流信号，该过流信号直接与微控制器相连，微控制器一旦捕捉到故障信号，立即通过改变PWM信号的频率和占空比作出保护措施，做出报警并使驱动系统恢复正常。

8.根据权利要求6所述的新型纺织材料全数字式超声波切割系统，其特征在于：所述系统过压欠压故障处理部分以微控制器为核心，故障输入信号为超声波切割机构两端的电压信号，当电压高于或低于超声波切割机构的安全电压范围时，微控制器直接做出处理，通过蜂鸣器报警，在工作状态数字化显示器上显示故障信息，并改变PWM信号占空比来调节超声波切割机构输入的平均电压实现过压或欠压故障自动处理。

9.根据权利要求6所述的新型纺织材料全数字式超声波切割系统，其特征在于：所述故障信息显示处理部分将具体的何种故障信息实时显示出来，并实时显示系统自动处理故障的结果。

10.根据权利要求1所述的新型纺织材料全数字式超声波切割系统，其特征在于：所述微控制器采用Kinetis K60微控制器；所述工作状态数字化显示器采用液晶显示方式。