CN105619782A - 一种用于超声波焊接机的电源系统 - Google Patents

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龙仕均
丁斌
张强
徐中
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Abstract

一种用于超声波焊接机的电源系统，包括主电路与控制电路；所述主电路包括依次连接的整流滤波电路、功率逆变电路和高频变压器；所述控制电路包括相位检测电路、电压反馈电路、电流反馈电路、电源控制芯片、DDS频率跟踪电路、移相脉冲产生电路和驱动电路；所述相位检测电路、电压反馈电路、电流反馈电路、DDS频率跟踪电路和移相脉冲产生电路分别连接电源控制芯片，移相脉冲产生电路通过驱动电路连接功率逆变电路。本发明的有益效果：频率分辨率到达1Hz，能够实现对换能器谐振频率的快速和准确跟踪；输出电压和输出电流能够连续可调，换能器输出振幅稳定；具有过流、过热等故障诊断和保护功能。

Description

一种用于超声波焊接机的电源系统
技术领域
本发明涉及一种超声波焊接领域，特别涉及一种用于超声波塑料焊接机的电源系统。
背景技术
超声波塑料焊接技术是一种新型的加工工艺,它不需添加任何粘接剂、溶剂或填料，且焊接速度快、连接强度高、操作简单，非常适应现代化大规模生产的需要。因此，超声波塑料焊接技术得到了越来越广泛的应用。但作为超声波焊接的关键部分，超声波焊接用电源，在当前国内产品中却依旧存在频率自动跟踪性能较差、输出振幅稳定性和连续可调性难以满足实际要求的问题。
中国专利文献号CN202275295U于2012年6月13日公开了一种超声焊接电源系统，并具体公开了包括一高频逆变电路、一高频变压器、至少一超声换能器、一微处理器、一压控振荡器、及一自动频率跟踪电路，所述高频逆变电路、高频变压器及超声换能器依次连接，由微处理器产生频率信号来控制超声换能器的工作，功率调节通过微处理器移相实现，频率跟踪采用一个周期内电流有效值偏差来控制压控振荡器实现。
该结构的存在上述缺陷，即频率自动跟踪性能较差、输出振幅稳定性和连续可调性难以满足实际要求，因此，有必要做进一步改进。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种结构简单合理、频率自动跟踪性能强、输出振幅稳定、连续可调性高的用于超声波焊接机的电源系统，以克服现有技术中的不足之处。
按此目的设计的一种用于超声波焊接机的电源系统，包括主电路与控制电路；其特征在于：所述主电路包括依次连接的整流滤波电路、功率逆变电路和高频变压器；所述控制电路包括相位检测电路、电压反馈电路、电流反馈电路、电源控制芯片、DDS频率跟踪电路、移相脉冲产生电路和驱动电路；所述相位检测电路、电压反馈电路、电流反馈电路、DDS频率跟踪电路和移相脉冲产生电路分别连接电源控制芯片，移相脉冲产生电路通过驱动电路连接功率逆变电路。
所述电源控制芯片包括以UC3879(UC3879：相移式PWM控制IC)为核心的移相调功电路、相位检测电路、电流电压采样电路和全桥逆变驱动电路。
所述DDS(DDS:直接数字式频率合成器)频率跟踪电路采用高集成度直接频率合成芯片AD9850(AD9850：直接频率合成器)，采用低通椭圆滤波器滤除相应的杂波分量和其他高频干扰信号。
所述整流滤波电路为全桥整流电路，采用单相整流桥模块KBPC5010，最大承受反向峰值电压为1000V，最大正向平均电流为为50A；此外，整流滤波电路采用3300μF/450V的铝制的电解电容来实现电容滤波，所述电解电容两端并联两个4.7μF/650V的CBB电容，以抑制高频尖峰电压与电路存在的ESR和ESL问题。
所述功率逆变电路选用MOSFET(MOSFET:金属氧化物半导体场效应管)作为超声电源功率开关器件，采用FGA25N120(FGA25N120L:IGBT型晶体管)作为电源功率开关管，并采用RC吸收电路作为缓冲吸收电路。
所述高频变压器选用纳米晶材料作为变压器磁芯，采用电能转换效率较高且体积较小的环形磁芯，其特点是电阻率较高，涡流损耗小。
所述相位检测电路采用双电压比较器集成电路芯片LM393(LM393：双电压比较器集成电路)将正弦交流信号处理为相位检测电路能够识别的电平信号。
所述驱动电路采用光耦隔离驱动方式，前级采用单通道高速隔离光耦，后级采用MOSFET(MOSFET:金属氧化物半导体场效应管)高速专用驱动芯片。
所述主电路还包括匹配电路和电流互感器；所述控制电路还包括液晶显示、开关量输入/输出电路、故障检测电路和RS232接口；
所述匹配电路采用0.22μF/1000V型的CBB电容串联连接作为等效匹配电容，采用PS184125型号的铁硅铝磁环作为电感磁芯。
本发明的有益效果：频率分辨率到达1Hz，能够实现对换能器谐振频率的快速和准确跟踪；输出电压和输出电流能够连续可调，换能器输出振幅稳定；具有过流、过热等故障诊断和保护功能；液晶显示能够实时显示超声电源工作参数，人机界面直观；具备RS232接口，方便后续功能扩展。
附图说明
图1是本发明一实施例的整体结构框线图。
图2是本发明一实施例的控制示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。
参见图1，本用于超声波焊接机的电源系统，包括主电路与控制电路；其特征在于：所述主电路包括依次连接的整流滤波电路、功率逆变电路和高频变压器；所述控制电路包括相位检测电路、电压反馈电路、电流反馈电路、电源控制芯片、DDS频率跟踪电路、移相脉冲产生电路和驱动电路；所述相位检测电路、电压反馈电路、电流反馈电路、DDS频率跟踪电路和移相脉冲产生电路分别连接电源控制芯片，移相脉冲产生电路通过驱动电路连接功率逆变电路。
所述电源控制芯片包括以UC3879(UC3879：相移式PWM控制IC)为核心的移相调功电路、相位检测电路、电流电压采样电路和全桥逆变驱动电路。
所述DDS(DDS:直接数字式频率合成器)频率跟踪电路采用高集成度直接频率合成芯片AD9850(AD9850：直接频率合成器)，采用低通椭圆滤波器滤除相应的杂波分量和其他高频干扰信号。DDS频率跟踪电路解决焊接过程中，换能器固有谐振频发生漂移，超声焊头输出振幅发生波动的现象，从而使超声波焊接电源具备准确快速的频率跟踪功能。
所述整流滤波电路为全桥整流电路，采用单相整流桥模块KBPC5010，最大承受反向峰值电压为1000V，最大正向平均电流为为50A；此外，整流滤波电路采用3300μF/450V的铝制的电解电容来实现电容滤波，所述电解电容两端并联两个4.7μF/650V的CBB电容，以抑制高频尖峰电压与电路存在的ESR和ESL问题。220V的单相交流市电通过整流滤波电路转换为功率逆变模块所需的直流电，期间采用整流滤波电路抑制经全桥整流输出的直流电压中的脉动成分。
所述功率逆变电路选用MOSFET(MOSFET:金属氧化物半导体场效应管)作为超声电源功率开关器件，采用IGBT作为电源功率开关管，并采用RC吸收电路作为缓冲吸收电路。
所述功率开关管产生所需的超声逆变、频率调节和功率输出等功能，由于电路板ESL的存在，使用缓冲吸收电路减少开关应力和EMI的影响。
所述高频变压器选用纳米晶材料作为变压器磁芯，采用电能转换效率较高且体积较小的环形磁芯，其特点是电阻率较高，涡流损耗小。高频变压器利用电磁的相互感应进行电压变换和传递，同时起着输出隔离的作用。
所述相位检测电路采用双电压比较器集成电路芯片LM393(LM393：双电压比较器集成电路)将正弦交流信号处理为相位检测电路能够识别的电平信号。
所述驱动电路采用光耦隔离驱动方式，前级采用单通道高速隔离光耦，后级采用MOSFET(MOSFET:金属氧化物半导体场效应管)高速专用驱动芯片。
所述主电路还包括匹配电路和电流互感器；所述控制电路还包括液晶显示、开关量输入/输出电路、故障检测电路和RS232接口；
所述匹配电路采用0.22μF/1000V型的CBB电容串联连接作为等效匹配电容，采用PS184125型号的铁硅铝磁环作为电感磁芯。匹配电路起到提高超声电源的功率传输效率的作用，以减少超声电源与换能器相连接所产生的较大的无功损耗。
AD采样电路采用隔离取样方案，采用互感器取样并隔离的方式。
通信电路采用MAX3232型RS232收发器。
DDS频率跟踪电路、电源控制芯片中的UC3879、及ADC电路等分区域设计，围绕DDS频率跟踪电路中的AD9850、电源控制芯片中的UC3879和EPM3032等各功能单元的核心器件进行布局。
参见图2，电源控制芯片采集换能器两端电压和流经电流，一方面经过以LM393(LM393：双电压比较器集成电路)和CPLD(CPLD：复杂可编程逻辑器件)为核心的相位检测电路处理，进入高速输入捕捉模块(IC)处理后，经一定时序控制DDS频率跟踪电路以调整全桥逆变侧驱动频率，从而跟踪换能器谐振频率；另一方面经进入电源控制芯片内部高速ADC模块转换为数字信号，经PI运算处理后控制DAC大小以控制全桥逆变移相角，进而控制电源输出电压和电流。通过DSP相关I/O引脚的配置与连接，电源控制芯片相关开关量，同时在液晶显示上显示和修改超声波焊接电源相关工作参数。
上述为本发明的优选方案，显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本领域的技术人员应该了解本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.一种用于超声波焊接机的电源系统，包括主电路与控制电路；其特征在于：所述主电路包括依次连接的整流滤波电路、功率逆变电路和高频变压器；所述控制电路包括相位检测电路、电压反馈电路、电流反馈电路、电源控制芯片、DDS频率跟踪电路、移相脉冲产生电路和驱动电路；所述相位检测电路、电压反馈电路、电流反馈电路、DDS频率跟踪电路和移相脉冲产生电路分别连接电源控制芯片，移相脉冲产生电路通过驱动电路连接功率逆变电路。
2.根据权利要求1所述用于超声波焊接机的电源系统，其特征在于：所述电源控制芯片包括以UC3879为核心的移相调功电路、相位检测电路、电流电压采样电路和全桥逆变驱动电路。
3.根据权利要求2所述用于超声波焊接机的电源系统，其特征在于：所述DDS频率跟踪电路采用高集成度直接频率合成芯片AD9850，采用低通椭圆滤波器滤除相应的杂波分量和其他高频干扰信号。
4.根据权利要求3所述用于超声波焊接机的电源系统，其特征在于：所述整流滤波电路为全桥整流电路，采用铝制的电解电容来实现电容滤波，所述电解电容两端并联两个CBB电容，以抑制高频尖峰电压与电路存在的ESR和ESL问题。
5.根据权利要求4所述用于超声波焊接机的电源系统，其特征在于：所述功率逆变电路选用MOSFET作为超声电源功率开关器件，采用FGA25N120作为电源功率开关管，并采用RC吸收电路作为缓冲吸收电路。
6.根据权利要求5所述用于超声波焊接机的电源系统，其特征在于：所述高频变压器选用纳米晶材料作为变压器磁芯，采用电能转换效率较高且体积较小的环形磁芯。
7.根据权利要求6所述用于超声波焊接机的电源系统，其特征在于：所述相位检测电路采用双电压比较器集成电路芯片LM393将正弦交流信号处理为相位检测电路能够识别的电平信号。
8.根据权利要求7所述用于超声波焊接机的电源系统，其特征在于：所述驱动电路采用光耦隔离驱动方式，前级采用单通道高速隔离光耦，后级采用MOSFET高速专用驱动芯片。
9.根据权利要求1-8任一项所述用于超声波焊接机的电源系统，其特征在于：所述主电路还包括匹配电路和电流互感器；所述控制电路还包括液晶显示、开关量输入/输出电路、故障检测电路和RS232接口。
10.根据权利要求9所述用于超声波焊接机的电源系统，其特征在于：所述所述匹配电路采用CBB电容串联连接作为等效匹配电容，采用铁硅铝磁环作为电感磁芯。
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