CN105226984A - 调压变频分级控制的超声塑料焊接电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种调压变频分级控制的超声塑料焊接电源，包括：采样控制单元、整流及直流调压单元、定移相角逆变单元、匹配升压隔离单元和超声换能器五个单元；其中，所述采样控制单元包括：微处理器、第一信号调理电路、第二信号调理电路、驱动电路、有效值检测电路和相位检测电路；其中，第一信号调理电路和驱动电路均与微处理器相连；第二信号调理电路分别与有效值检测电路和相位检测电路相连；有效值检测电路和相位检测电路均与微处理器的AD采样端口相连；本发明具有输出电压电流波形THD小，调压范围宽，可以实现大功率超声焊接，调压或调功响应快，电压纹波小即换能器振动振幅波动小，频率跟踪精度和准确性高，电转换效率高等特点。

Description

调压变频分级控制的超声塑料焊接电源

技术领域

本发明涉及一种超声波焊接电源，尤其涉及调压变频分级控制的超声塑料焊接电源。

背景技术

现有的超声塑料焊接电源按工作频率的不同大致可以分为串联谐振跟踪和并联谐振跟踪两大类。跟踪串联谐振频率的电流源型控制方式，功率较大，频率跟随性能较好，但是电转换效率不高，稳定性不好。跟踪并联谐振频率的电压源型控制方式，电转换效率高，但功率不大，频率跟随性能不好。

现有的数字控制的压控型超声焊接电源一般采用逆变桥移相来进行调压以及变频。由于后级滤波匹配电路是固定的，在负载突变过程中移相角的变化会导致滤波效果变化，即输出电压电流波形正弦化可能时好时坏，就可能会影响电源的电转换效率。

现有的匹配电路多采用变压器副边LC匹配，这种匹配电感取值较大，不便用辅助绕组检测输出电压。

现有的频率跟踪方法主要有电压电流相位跟踪和恒压测电流跟踪，其跟踪的谐振频率分别是反谐振频率和最大阻抗频率。电流较小的情况下，跟踪电流最小值的方法可能会产生失谐，另外当导纳圆偏离X轴较远时阻抗最大频率对应的负载阻抗角较大，会产生比较大的无功分量，不利于电源有功输出。电流电压波形较差时采用相位跟踪的方法很有可能找不到反谐振点，从而产生失谐，因此也存在一定的缺陷。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种一种调压变频分级控制的超声塑料焊接电源，该电源具有功率大，频率跟踪速度快精度高，产生振幅恒定波动小，电压电流畸变小等特点。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种调压变频分级控制的超声塑料焊接电源，包括：采样控制单元、整流及直流调压单元、定移相角逆变单元、匹配升压隔离单元和超声换能器五个单元；其中，所述采样控制单元包括：微处理器、第一信号调理电路、第二信号调理电路、驱动电路、有效值检测电路和相位检测电路；其中，第一信号调理电路和微处理器的AD采样端口相连；驱动电路与微处理器的EPWM端口相连；第二信号调理电路的原边电流调理信号输出端、副边电流调理信号输出端和辅助绕组电压调理信号输出端分别与三个有效值检测电路的输入端口相连；第二信号调理电路的副边电流调理信号输出端和辅助绕组电压调理信号输出端与相位检测电路的输入端口相连；三个有效值检测电路的输出端口和相位检测电路的输出端口均与微处理器的AD采样端口相连；

所述整流及直流调压单元包括：二极管D1-D6，MOS管Q1、Q2，电感L1、L2，电容C1、C2，电流霍尔传感器H1、H2，电压霍尔传感器Hv；其中，二极管D1的阳极和二极管D2的阴极相连后接市电的一端；二极管D3的阳极和二极管D4的阴极相连后接到市电的另一端；二极管D1的阴极、二极管D3的阴极、MOS管Q1的漏极、MOS管Q2的漏极、电容C1的一端均相连与一点；二极管D2的阳极、二极管D4的阳极、电容C1的另一端、二极管D5的阳极、二极管D6的阳极、电容C2的一端均相连与一点；MOS管Q1的源极和二极管D5的阴极相连后与电感L1的一端相连；MOS管Q2源极和二极管D6阴极相连后与电感L2的一端相连；电感L1的另一端和电感L2的另一端相连后与电容C2的另一端相连；电感L1和电感L2的公共端与电感L1另一端之间设置电流霍尔传感器H1；电感L1和电感L2的公共端与电感L2另一端之间设置电流霍尔传感器H2；电容C2两端与电压霍尔传感器Hv的输入端相连；MOS管Q1的栅极和MOS管Q2的栅极均与各种驱动电路的输出端相连；电流霍尔传感器H1、电流霍尔传感器H2和电压霍尔传感器Hv均分别与第一信号调理电路的输入端口相连；

所述定移相角逆变单元包括：MOS管Q3、Q4、Q5、Q6；其中，MOS管Q3的漏极和MOS管Q5的漏极相连后与整流及直流调压单元的电容C2的另一端相连；MOS管Q3的源极与MOS管Q4的漏极相连；MOS管Q5的源极与MOS管Q6的漏极相连；MOS管Q3的栅极、MOS管Q4的栅极、MOS管Q5的栅极、MOS管Q6的栅极分别与各自的驱动电路的输出端口相连；

所述匹配升压隔离单元包括：电容C3、C4，电感L3,变压器T1,电流互感器H3、H4；其中，MOS管Q3的源极和MOS管Q4的漏极的公共端与电容C3的一端相连；电容C3的另一端与电感L3的一端相连，电感L3的另一端与变压器T的原边一端相连；MOS管Q5的源极和MOS管Q6的漏极的公共端与变压器T的原边另一端相连，并在这两端之间设置电流互感器H3；变压器T的副边一端与电容C4的一端相连后与超声换能器的一端相连，变压器T的副边另一端与电容C4的另一端相连后与超声换能器的另一端相连；电容C4的另一端与超声换能器一端之间设置电流互感器H4；电流互感器H3、电流互感器H4和变压器T1的辅助绕组均与各自的第二信号调理电路的输入端口相连。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)定移相角60°逆变，输出波形三次谐波得以滤除，波形THD小，滤波效果好，且固定滤波器情况下变频和变负载都不会导致波形的畸变。

2)通过直流调压级进行调压，采用buck交错并联的结构及控制，可以适用到大功率的焊接使用中，并可以大幅减小直流母线电压电流纹波，而且调压范围宽；采用独立支路电流反馈的电压电流双闭环控制，可以实现均流，并提高系统动态响应速度，即令调压或调功响应加快。

3)匹配升压隔离电路用高频逆变器原边串联电容电感，副边并电容的方法，可以通过辅助绕组检测输出电压，有便于采样的优点，并可以减小电感值，利用LLC增益分析方法进行设计。

4)DSP内部频率跟踪方法，通过对变压器输入输出电流、辅助绕组电压有效值和输出电压电流相位进行单周期运算，可以在并联谐振频率、最大阻抗频率、反谐振频率中进行选择最优频率进行跟踪，当某路输入电信号检测出现偏差后能自动切换进行改善，这可以使得频率跟踪精度和准确性增高，并提高电转换效率。

附图说明

图1是本发明的电路图；

图2是本发明信号调理模块电路图；

图3是本发明有效值检测电路图；

图4是本发明相位检测电路图；

图5是本发明驱动电路图；

图6是本发明DSP内部控制图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明，但不只以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种调压变频分级控制的超声塑料焊接电源，包括：采样控制单元、整流及直流调压单元、定移相角逆变单元、匹配升压隔离单元和超声换能器五个单元；其中，所述采样控制单元包括：微处理器、第一信号调理电路、第二信号调理电路、驱动电路、有效值检测电路和相位检测电路；其中，第一信号调理电路和微处理器的AD采样端口相连；驱动电路与微处理器的EPWM端口相连；第二信号调理电路的原边电流调理信号输出端、副边电流调理信号输出端和辅助绕组电压调理信号输出端分别与三个有效值检测电路的输入端口相连；第二信号调理电路的副边电流调理信号输出端和辅助绕组电压调理信号输出端与相位检测电路的输入端口相连；三个有效值检测电路的输出端口和相位检测电路的输出端口均与微处理器的AD采样端口相连；所述微处理器可以采用型号为TMS320F28335的产品，但不限于此；

如图2所述，所述第一信号调理电路和第二信号调理电路相同，均包括：运放U3，电阻R3、R7、R10、R11、R14、R15、R18，电容C12、C15、C19、C20、C21、C23；其中，运放U3的负极电源端口接-15V电源，正极电源端口接15V电源；电阻R7的一端、电阻R3的一端、电容C15的一端、电容C12的一端均相连后接入运放U3B的反相输入端；电阻R14的一端、电阻R18的一端、电容C15的另一端、电容C21的一端均相连后接入运放U3B的同相输入端；电阻R18的另一端、电容C21的另一端、电容C23的一端、电容C19的一端、电容C20的一端均接地；电容C12的另一端、电阻R3的另一端、电阻R10的一端、电容C23的另一端均与运放U3B的输出端相连；电阻R10的另一端、电阻R11的一端和电容C19的另一端相连与一点；电阻R11的另一端与电容C20的另一端相连；电阻R7的另一端和电阻R14的另一端分别接电阻R15的两端；运放U3B的型号为TL072，但不限于此；

如图3所示，所述有效值检测电路包括：包括有效值检测U4芯片，滑动变阻器Rm3、Rm4，电阻R13，电容C14、C24，接插件Header1；其中，有效值检测U4芯片的输出偏置端口与电阻R13的一端相连，电阻R13的另一端接滑动变阻器Rm3的滑动端相连；滑动变阻器Rm3电阻丝的两端分别接+15V电源和-15V电源；有效值检测U4芯片的分母输入端口与滑动变阻器Rm4电阻丝的一端相连；电容C14的一端与有效值检测U4芯片的电压输入端相连；电容C24的一端与有效值检测U4芯片的平均电容连接端口相连；有效值检测U4芯片的有效值输出端口、电容C24的另一端、滑动变阻器Rm4电阻丝的另一端相连后与接插件Header1的一个端口相连；接插件Header1的另一端口接地；有效值检测芯片U4可以采用型号为AD637的产品，但不限于此；

如图4所示，所述相位检测电路包括：相位检测芯片U5、电阻R26、R29、R31、R32、R34、R35，电容C25、C26、C28、C30、C31、C37，接插件Header2；其中，电容C25的一端接地，另一端与电阻R26相连后接5V电源；电阻R26的另一端与电容C28的一端相连后接相位检测芯片U5的电源输入端口；电容C26的一端与电阻R29的一端相连；电容C26的另一端与相位检测芯片U5的检测信号第一输入端相连；电容C28的另一端、电阻R29的另一端、电容C30的一端、电容C31的一端、电阻R35的一端均接地；电容C30的另一端与相位检测芯片U5的第一偏置补偿端口相连；电容C31的另一端与相位检测芯片U5的第二偏置补偿端口相连；电阻R35的另一端与电容C37的一端相连，电容C37的另一端与相位检测芯片U5的检测信号第二输入端相连；相位检测芯片U5的增益输出端和增益反馈端之间通过电阻R32相连；相位检测芯片U5的内部基准电压输出端与电阻R31的一端相连，电阻R31的另一端接地；相位检测芯片U5可以采用型号为AD8302的产品，但不限于此；

如图5所示，所述驱动电路包括：隔离芯片U6，驱动芯片U7，稳压芯片U8，电阻R36-R40，电容C38-C41，二极管D7；其中，电阻R36的一端与隔离芯片U6的正相输入端口相连，隔离芯片U6的负相输入端口接地；电阻R37的一端和电阻R38的一端相连后接隔离芯片U6的使能端口；电阻R38的另一端与隔离芯片U6的电压输出端口相连后接驱动芯片U7的输入端口；驱动芯片U7的供电电压端口接15V电源；二极管D7的阴极和电阻R39的一端相连后接驱动芯片U7的输出端口；二极管D7的阳极和电阻R39的另一端相连后与电阻R40的一端相连；电容C38的一端和电容C39的一端相连后接稳压芯片U8的输入端，稳压芯片U8的输入端接15V电源；电容C40的一端和电容C41的一端相连后接稳压芯片U8的输出端相连；隔离芯片U6的电源端口与电阻R37的另一端相连后接稳压芯片U8的输出端；隔离芯片U6的接地端口、驱动芯片U7的接地端口、稳压芯片U8的接地端口、电容C38的另一端、电容C39的另一端、电容C40的另一端、电容C41的另一端和电阻R40的另一端均接驱动地；隔离芯片U6可以采用型号为6N137的产品，但不限于此；驱动芯片U7可以采用型号为MIC4429的产品，但不限于此；稳压芯片U8可以采用型号为MC7805的产品，但不限于此。

所述整流及直流调压单元包括：二极管D1-D6，MOS管Q1、Q2，电感L1、L2，电容C1、C2，电流霍尔传感器H1、H2，电压霍尔传感器Hv；其中，二极管D1的阳极和二极管D2的阴极相连后接市电的一端；二极管D3的阳极和二极管D4的阴极相连后接到市电的另一端；二极管D1的阴极、二极管D3的阴极、MOS管Q1的漏极、MOS管Q2的漏极、电容C1的一端均相连与一点；二极管D2的阳极、二极管D4的阳极、电容C1的另一端、二极管D5的阳极、二极管D6的阳极、电容C2的一端均相连与一点；MOS管Q1的源极和二极管D5的阴极相连后与电感L1的一端相连；MOS管Q2源极和二极管D6阴极相连后与电感L2的一端相连；电感L1的另一端和电感L2的另一端相连后与电容C2的另一端相连；电感L1和电感L2公共端和电感L1另一端之间放置电流霍尔传感器H1；电感L1和电感L2公共端和电感L2另一端之间放置电流霍尔传感器H2；电容C2两端连接到电压霍尔传感器Hv；MOS管Q1的栅极和MOS管Q2的栅极均与驱动电路的二极管D7的阳极相连；电流霍尔传感器H1的两端、电流霍尔传感器H2的两端和电压霍尔传感器Hv的两端均分别接第一信号调理电路的电阻R15的两端；

所述定移相角逆变单元包括：MOS管Q3、Q4、Q5、Q6；其中，MOS管Q3的漏极和MOS管Q5的漏极相连后与整流及直流调压单元的电容C2的另一端相连；MOS管Q3的源极与MOS管Q4的漏极相连；MOS管Q5的源极与MOS管Q6的漏极相连；MOS管Q3的栅极、MOS管Q4的栅极、MOS管Q5的栅极、MOS管Q6的栅极均分别与各自的驱动电路的二极管D7的阳极相连；

所述匹配升压隔离单元包括：电容C3、C4，电感L3,变压器T1,电流互感器H3、H4；其中，MOS管Q3的源极和MOS管Q4的漏极的公共端与电容C3的一端相连；电容C3的另一端与电感L3的一端相连，电感L3的另一端与变压器T的原边一端相连；MOS管Q5的源极和MOS管Q6的漏极的公共端与变压器T的原边另一端相连，并在这两端之间放置电流互感器H3；变压器T的副边一端与电容C4的一端相连后与超声换能器的一端相连，变压器T的副边另一端与电容C4的另一端相连后与超声换能器的另一端相连；电容C4的另一端与超声换能器一端之间放置电流互感器H4；电流互感器H3的两端、电流互感器H4的两端和变压器T1的辅助绕组的两端均与各自的第二信号调理电路的电阻R15的两端相连；

整个电源的输入为单相市电220V交流，通过整流及直流调压单元输出调压范围在150-250V之间，逆变单元定移相角60度，频率调节范围在18KHz-21KHz之间，经过匹配后输出标准正弦波幅值为1300V，波动小于5％。

本实施例的整流及直流调压单元采用了全桥不控整流后通过两个buck交错并联进行调压的结构，开关频率为100KHz，三角载波移相180度进行控制，减小了输出电压电流纹波。当功率等级要求增大时，可以采用多个buck交错并联的方式进行设计。

通过两个电流霍尔传感器对两并联支路电流进行采样，通过电压霍尔传感器对直流输出电压进行采样，以同一电流参考值分别对两支路电流进行控制，实现均流，提高动态响应速度，同时实现限流功能。动态调压响应时间小于10ms。

定移相角逆变单元采用恒定60度移相角进行控制，可以得到THD含量最小的波形。逆变开关管选用的是MOS管，开关频率高，可以适用到100KHz以上频率的焊接要求中。

匹配升压隔离单元采用变比为1:5的升压变压器，原边串联隔值电容和滤波电感，副边并联滤波电容进行匹配。本实施例中滤波电感可以取120uH，隔值电容取20uF。

通过变压器辅助绕组采样输出电压，通过两个电流互感器分别采样变压器原副边电流。采用AD637芯片搭建的电路检测电压和电流的有效值。电压电流相位差可以通过AD8302搭建的电路进行检测。

如图6所示，DSP内部控制方式为，通过TMS320F28335微处理器对输入的电压电流有效值和相位差进行运算可以得到单周期内的负载阻抗对应的实部，跟踪实部最大值频率从而实现对并联谐振频率的跟踪。通过几个参数变化的特点可以在某个参数采样值不准的时候软件切换到跟踪反谐振频率或者最大阻抗频率，保证频率跟踪的准确性，系统不会失谐。通过输出电压U_s参考值V_oref作差，然后通过PI调节器和限幅对中间级参考电压V_DCref进行微调；前级直流稳压通过电压电流双环控制，载波移相角180°，输出两路PWM驱动波形。

Claims (1)

1.一种调压变频分级控制的超声塑料焊接电源，其特征在于，包括：采样控制单元、整流及直流调压单元、定移相角逆变单元、匹配升压隔离单元和超声换能器五个单元；其中，所述采样控制单元包括：微处理器、第一信号调理电路、第二信号调理电路、驱动电路、有效值检测电路和相位检测电路等；其中，第一信号调理电路和微处理器的AD采样端口相连；驱动电路与微处理器的EPWM端口相连；第二信号调理电路的原边电流调理信号输出端、副边电流调理信号输出端和辅助绕组电压调理信号输出端分别与三个有效值检测电路的输入端口相连；第二信号调理电路的副边电流调理信号输出端和辅助绕组电压调理信号输出端与相位检测电路的输入端口相连；三个有效值检测电路的输出端口和相位检测电路的输出端口均与微处理器的AD采样端口相连；

所述整流及直流调压单元包括：二极管D1-D6，MOS管Q1、Q2，电感L1、L2，电容C1、C2，电流霍尔传感器H1、H2，电压霍尔传感器Hv；其中，二极管D1的阳极和二极管D2的阴极相连后接市电的一端；二极管D3的阳极和二极管D4的阴极相连后接到市电的另一端；二极管D1的阴极、二极管D3的阴极、MOS管Q1的漏极、MOS管Q2的漏极、电容C1的一端均相连与一点；二极管D2的阳极、二极管D4的阳极、电容C1的另一端、二极管D5的阳极、二极管D6的阳极、电容C2的一端均相连与一点；MOS管Q1的源极和二极管D5的阴极相连后与电感L1的一端相连；MOS管Q2源极和二极管D6阴极相连后与电感L2的一端相连；电感L1的另一端和电感L2的另一端相连后与电容C2的另一端相连；电感L1和电感L2的公共端与电感L1另一端之间设置电流霍尔传感器H1；电感L1和电感L2的公共端与电感L2另一端之间设置电流霍尔传感器H2；电容C2两端与电压霍尔传感器Hv的输入端相连；MOS管Q1的栅极和MOS管Q2的栅极均与各种驱动电路的输出端相连；电流霍尔传感器H1、电流霍尔传感器H2和电压霍尔传感器Hv均分别与第一信号调理电路的输入端口相连；

所述定移相角逆变单元包括：MOS管Q3、Q4、Q5、Q6；其中，MOS管Q3的漏极和MOS管Q5的漏极相连后与整流及直流调压单元的电容C2的另一端相连；MOS管Q3的源极与MOS管Q4的漏极相连；MOS管Q5的源极与MOS管Q6的漏极相连；MOS管Q3的栅极、MOS管Q4的栅极、MOS管Q5的栅极、MOS管Q6的栅极分别与各自的驱动电路的输出端口相连；

所述匹配升压隔离单元包括：电容C3、C4，电感L3,变压器T1,电流互感器H3、H4；其中，MOS管Q3的源极和MOS管Q4的漏极的公共端与电容C3的一端相连；电容C3的另一端与电感L3的一端相连，电感L3的另一端与变压器T的原边一端相连；MOS管Q5的源极和MOS管Q6的漏极的公共端与变压器T的原边另一端相连，并在这两端之间设置电流互感器H3；变压器T的副边一端与电容C4的一端相连后与超声换能器的一端相连，变压器T的副边另一端与电容C4的另一端相连后与超声换能器的另一端相连；电容C4的另一端与超声换能器一端之间设置电流互感器H4；电流互感器H3、电流互感器H4和变压器T1的辅助绕组均与各自的第二信号调理电路的输入端口相连。