CN105717831A - 一种超声波电源阻抗匹配系统、方法及控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超声波电源阻抗匹配系统、方法及控制系统，所述阻抗匹配系统包括阻抗匹配网络与换能器等效网络，其特征在于，所述阻抗匹配网络与超声波电源主电路耦合，所述阻抗匹配网络包括由所述超声波主电路漏感形成的具有电感电学特性的等效电感Le。与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用虚拟电感匹配模式，充分利用脉冲变压器绕制时存在的漏感，并联一定的补偿电容对，换能器及工具头系统进行谐振和阻抗匹配，降低实体匹配电感的成本以及整机的重量和实体电感发热的能耗，省材降耗。

Description

一种超声波电源阻抗匹配系统、方法及控制系统
技术领域
本发明涉及超声波电源领域，具体为一种超声波电源阻抗匹配系统、方法及控制系统。
背景技术
功率超声的应用十分广泛，利用超声的机械作用、空化作用、热效应和化学效应，可进行超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化、脱气、除尘、去锅垢、清洗、灭菌、促进化学反应和进行生物学研究等，在工矿业、农业、医疗等各个部门获得了广泛应用。
要使超声发生系统工作在达到最佳的输出状态，就必需使该超声发生系统中的换能器工作在谐振频率，通常需要采用阻抗匹配来实现。
而使超声发生系统工作在谐振频率的阻抗匹配通常需要添加阻抗匹配网络进行实现，目前超声波焊接电源的阻抗匹配大多是采用串联或并联电抗器和电容器的方法实现电源与换能器及其工具头的频率匹配。电抗器的存在增加了超声波电源的成本、重量和体积。
鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。
发明内容
为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种超声波电源阻抗匹配系统，包括阻抗匹配网络与换能器等效网络，所述阻抗匹配网络与超声波电源主电路耦合，所述阻抗匹配网络包括由所述超声波主电路漏感形成的具有电感电学特性的等效电感Le。
较佳的，所述阻抗匹配网络包括补偿电阻C2，所述换能器等效网络包括静态电容C0与动态阻抗。
一种采用所述电源阻抗匹配系统进行阻抗匹配方法，包括步骤：
S1:根据换能器系统的动态阻抗，确定系统谐振频率；
S2:测量阻抗匹配网络等效电感Le；
S3:确定阻抗匹配需要的电容；
S4:测量换能器静态电容；
S5:确定阻抗匹配网络补偿电容。
较佳的，所述步骤S1中，通过公式：
f s = 1 2 π L d C d
确定系统谐振频率fs，其中，分别为换能器系统的感抗与容抗。
较佳的，步骤S3中，确定的电容值为换能器补偿电容C2与换能器静态电容C0的并联电容。
一种超声波电源控制系统，包括一超声波主电路、一超声波控制系统、一工具头系统及所述的阻抗匹配系统；
所述超声波主电路通过所述阻抗匹配系统实现与所述工具头系统的阻抗匹配与连接；
所述超声波控制系统与所述阻抗匹配系统连接获取其输出信号；
所述超声波控制系统与所述超声波主电路连接并控制其工作状态。
较佳的，所述超声波控制系统包括一采样及调理电路、一比较电路、一转换器、一DSP控制器、一驱动电路与一输出接口电路；
所述采样调理电路与所述比较电路、所述DPS控制器分别相连，用于从所述阻抗匹配系统中获取其输出信号；
所述DSP控制器与所述驱动电路、所述转换器、所述输出接口电路分别相连，用于从所述采样及调理电路中获取电流、电压波形，进行处理，并通过所述转换器传送至所述比较电路，所述DPS控制器通过控制所述驱动电路实现对所述超声波主电路的控制；
所述比较电路获取功率预设值、电流相位值、电压相位值，并与获取的实际功率值、实际电流相位值、实际电压相位值相比较，并在存在差异时向所述转换器向所述DSP控制器发送信号，所述比较电路还与所述输出接口电路相连。
较佳的，所述DSP控制器还包括捕捉模块，用于获取所述采样及调理电路获取的电学参数。
较佳的，DPS控制器通过UART接口电路连接至人机交互界面，供用户控制超声电源控制系统。
较佳的，所述驱动电路包括PWM电路与IGBT驱动电路。与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用虚拟电感匹配模式，充分利用脉冲变压器绕制时存在的漏感，并联一定的补偿电容对，换能器及工具头系统进行谐振和阻抗匹配，降低实体匹配电感的成本以及整机的重量和实体电感发热的能耗，省材降耗。
附图说明
图1为本发明阻抗匹配系统示意图；
图2为本发明超声波电源结构示意图；
图3为本发明超声波控制系统示意图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
本发明所述的一种超声波电源阻抗匹配系统。
请参见图1所示，图1为本发明超声波电源阻抗匹配系统实施例一结构示意图，包括阻抗匹配网络与换能器等效网络。
所述阻抗匹配网络与超声波主电路耦合，超声波主电路网络至少包括一高频变压器T1，所述阻抗匹配网络包括电感Le与补偿电容C2，所述换能器等效网络包括换能器静态电容C0、换能器动态电容C1、换能器动态电感L1与换能器动态电阻R1。
这里应当指出的是，本实施例中，换能器的阻抗特性被等效成为了静态电容C0、换能器动态电容C1、换能器动态电感L1与换能器动态电阻R1四部分，对于本发明所述的系统，以及本发明下述所述的方法来说，并不必然严格按照如此进行等效，但至少应当包括静态电容部分(C0)与动态阻抗部分，在图1所述的实施例中，动态阻抗部分包括换能器动态电容C1、换能器动态电感L1与换能器动态电阻R1。
所述超声波主电路网络、阻抗匹配网络、换能器等效网络均为二端口网络，所述超声波主电路网络与阻抗匹配网络级联，所述阻抗匹配网络与所述换能器等效网络级联。
所述阻抗匹配网络包括电感Le与补偿电容C2，其中，在现有技术中，阻抗匹配网络通常需要采用实体的电感器与实体的电容器组成各种例如T型、π型阻抗匹配网络，由于通常阻抗匹配网络两端连接的网络阻抗相差较大，阻抗匹配网络通常都必须要有电感器的参与，电感器的制备原理是线圈的缠绕，这种结构功能上的限制使得电感器无法摆脱体积庞大、价格昂贵与其他电路适应性不良的问题。而超声波电源领域中，同样存在着这个问题，用于阻抗匹配的阻抗匹配网络中的电感器通常是一个较大的电感器，这个电感器将占用比较大的体积，为产品带来较大的成本提升。
本发明所述的超声波电源阻抗匹配网络，并不含实体电感器，而是利用超声波主电路网络中，变压器在绕制过程中存在的漏感。由于变压器的最基本原理是线圈的耦合，所以在线圈耦合的过程当中并非所有的磁力线都能够进入次级线圈，产生相当于电感器件性能的电学参数特性，称为漏感。漏感的存在是本领域已知的、常见的问题，通常，本领域技术人员对于漏感的处理，是尽量改善变压器的性能，尽量减小、消除漏感。
本发明所述的阻抗匹配网络，包括电感Le，所述电感Le为变压器漏感Le，如此设置实际上阻抗匹配网络并不包含实体的电感器，电路中的电感参数特性由变压器中的漏感等效生成。与现有存在的普遍的阻抗匹配网络相比，本发明所提供的阻抗匹配网络省略了实体电感的要素，并且利用了长久以来被本领域技术人员希望消除掉的漏感作为等效电感，不仅通过省略了电路要素实现了相似的同能，并且客服了长久以来存在于本领域中的技术偏见。
本发明还提供一种阻抗匹配方法。
利用本发明所述的阻抗匹配系统进行阻抗匹配的方法，包括步骤：
S1:根据换能器系统的动态阻抗，确定系统谐振频率；
换能器及工具头系统的动态电感、动态电容决定了换能器的谐振频率fs，即通过公式：
f s = 1 2 π L d C d
可以确定出该换能器及其工具头系统的串联谐振频率，其中，式中的Ld，Cd分别为换能器系统的感抗与容抗。在图1所示实施例中，Ld＝L1，Cd＝C1。
S2:测量阻抗匹配网络等效电感Le；
确定谐振频率后，确定变压器的漏感，即阻抗匹配网络等效电感Le，此处可以通过各种电感测量设备进行测量，例如LCR电桥设备。
S3:确定阻抗匹配需要的电容；
确定换能器的系统谐振频率fs与变压器漏感Le，及阻抗匹配网络的感抗后，利用公式确定阻抗匹配系统的容抗C。
S4:测量换能器静态电容；
测量换能器的静态电容C0，
S5:确定阻抗匹配网络补偿电容C2。
确定所述阻抗匹配系统的容抗C、换能器的静态电容C0后，根据公式C＝C0+C2，确定所述阻抗匹配网络的补偿电容C2。
其中，步骤S1、步骤S2、步骤S4设计测量步骤，其可以变换顺序：既可以事先全部测量好，也可以在需要使用该参数的步骤之前进行测量。但是需要保证在需要使用该参数之前，该参数已经被测量好，作为一种本方法通用的描述，本方法的简要步骤描述为：
测量换能器系统动态容抗与感抗，确定换能器系统谐振频率；
测量变压器漏感，确定阻抗匹配系统电容值；
测量换能器系统静态容抗，确定阻抗匹配网络补偿电容。
本发明还提供一种超声波电源控制系统。
请参见图2所示，图2为本发明所述的超声波电源控制系统架构图。
本发明所述的超声波电源控制系统包括一超声波主电路1、一超声波控制系统2、一换能器及阻抗匹配系统3与一工具头系统4.
所述超声波主电路1、所述换能器及阻抗匹配系统3与所述工具头系统4顺次连接，所述超声波主电路1通过所述换能器及阻抗匹配系统3与所述工具头系统4实现阻抗匹配与能量转换，使所述工具头系统4顺利完成工作。
其中，所述换能器及阻抗匹配系统3即图1中所示的结构。
所述超声波控制系统2一端从所述换能器及阻抗匹配系统3中获取输出信号，并进行判断、处理，输出反馈信号输入至所述超声波主电路控制超声波主电路的输出，从而使本发明所述的控制系统实现一个闭环的反馈。
请参见图3所示，图3为本发明所述超声波控制系统结构图。
所述超声波控制系统包括一采样及调理电路201、一比较电路202、一转换器203、一DSP控制器204、一驱动电路205、一输出接口电路206。
所述采样及调理电路201与所述换能器及阻抗匹配系统3连接，具体的，其能够获取换能器等效网络两端的电学参数，所述电学参数包括但不限于电流与电压的波形，并将所述测试的电学参数通过传送至所述比较电路202；
所述采样机调理电路201同时将测试的电学参数传送至所述DPS控制器204中，所述DPS控制器204对接收到的电流、电压波形进行计算，得出电学参数的电学特性，包括但不限于电流、电压的乘积、以及电流电压的相位差。所述DPS控制器204将该电学参数通过所述转换器203发送至所述比较电路202中。
所述比较电路202中预存整个超声波电源系统的输出功率预设值，所述比较电路202接受了所述电学参数与预设值进行比对，如果存在差异，则将信号发送至所述输出接口电路206，所述输出接口电路将所述比较电路202发送的信号进行发送至所述DPS控制器204。
本实施例中所述转换器203为数模转换器。
所述DPS控制器204在所述比较电路202判断电路工作在非预设环境时，将对所述驱动电路205发送控制信号，驱动电路205接收到控制信号后，对超声波主电路进行控制。
例如，本实施例中，驱动电路205采用PWM电路与IGBT驱动的模式对连接的IGBT逆变电路进行控制，所述DPS控制器204接收到所述比较电路202的信号，判断目前超声电源输出与预设功率不符时，控制PWM电路的占空比，并经驱动电路放大，控制全桥逆变电路的输出电流和电压的增大或减小，从而实现超声波电源的恒功率输出；
当所述电流电压的相位差在所述超声波电源工作过程中发生偏差时，所述DSP控制器将调节PWM的频率及相位，从而实现超声波电源的锁相输出。
作为一种改进的选择，所述DPS控制器204包括一CAP模块，即捕捉模块，所述CAP模块能够获取所述采样机调理电路获取的电学参数，并计算电流、电压的相位差。
作为一种改进的选择所述DPS控制器通过UART接口电路连接至人机交互界面，供用户控制超声电源控制系统。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超声波电源阻抗匹配系统，包括阻抗匹配网络与换能器等效网络，其特征在于，所述阻抗匹配网络与超声波电源主电路耦合，所述阻抗匹配网络包括由所述超声波主电路漏感形成的具有电感电学特性的等效电感Le。
2.如权利要求1所述的超声波电源阻抗匹配系统，其特征在于，所述阻抗匹配网络包括补偿电阻C2，所述换能器等效网络包括静态电容C0与动态阻抗。
3.一种采用如权利要求1或2所述电源阻抗匹配系统进行阻抗匹配方法，其特征在于，包括步骤：
S1:根据换能器系统的动态阻抗，确定系统谐振频率；
S2:测量阻抗匹配网络等效电感Le；
S3:确定阻抗匹配需要的电容；
S4:测量换能器静态电容；
S5:确定阻抗匹配网络补偿电容。
4.如权利要求3所述的阻抗匹配方法，其特征在于，所述步骤S1中，通过公式：
f s = 1 2 π L d C d
确定系统谐振频率fs，其中，分别为换能器系统的感抗与容抗。
5.如权利要求3所述的阻抗匹配方法，其特征在于，步骤S3中，确定的电容值为换能器补偿电容C2与换能器静态电容C0的并联电容。
6.一种超声波电源控制系统，其特征在于，包括一超声波主电路、一超声波控制系统、一工具头系统及如权利要求1或2所述的阻抗匹配系统；
所述超声波主电路通过所述阻抗匹配系统实现与所述工具头系统的阻抗匹配与连接；
所述超声波控制系统与所述阻抗匹配系统连接获取其输出信号；
所述超声波控制系统与所述超声波主电路连接并控制其工作状态。
7.如权利要求6所述的超声波电源控制系统，其特征在于，所述超声波控制系统包括一采样及调理电路、一比较电路、一转换器、一DSP控制器、一驱动电路与一输出接口电路；
所述采样调理电路与所述比较电路、所述DPS控制器分别相连，用于从所述阻抗匹配系统中获取其输出信号；
所述DSP控制器与所述驱动电路、所述转换器、所述输出接口电路分别相连，用于从所述采样及调理电路中获取电流、电压波形，进行处理，并通过所述转换器传送至所述比较电路，所述DPS控制器通过控制所述驱动电路实现对所述超声波主电路的控制；
所述比较电路获取功率预设值、电流相位值、电压相位值，并与获取的实际功率值、实际电流相位值、实际电压相位值相比较，并在存在差异时向所述转换器向所述DSP控制器发送信号，所述比较电路还与所述输出接口电路相连。
8.如权利要求7所述的超声波电源控制系统，其特征在于，所述DSP控制器还包括捕捉模块，用于获取所述采样及调理电路获取的电学参数。
9.如权利要求7所述的超声波电源控制系统，其特征在于，DPS控制器通过UART接口电路连接至人机交互界面，供用户控制超声电源控制系统。
10.如权利要求7所述的超声波电源控制系统，其特征在于，所述驱动电路包括PWM电路与IGBT驱动电路。
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