CN107017761A - 一种小功率焊线机换能器的高精度控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小功率焊线机换能器的高精度控制系统，其功率输出前级电路的FPGA根据主机的指令信息，分别输出控制信号到DDS和DAC，以及模拟开关；DDS和DAC分别将其合成频率信号和幅值信号；模拟开关选择相应的放大系数来实现功率的档位调节；放大与滤波模块进行放大、滤波后，输出给叠加器进行叠加后得到超声频率小信号；二阶带通滤波模块进行二阶滤波，滤除带通外的高频、低频干扰信号；高精度组合功放模块进行放大后，得到一个满足换能器功率要求的超声频信号；变压器将所述超声频信号进行匹配后，高效率地施加到换能器上，从而激发换能器振动，换能器将产生的电压/电流信号输出给功率输出后级电路。本发明适用于小功率焊线机的换能器。

Description

一种小功率焊线机换能器的高精度控制系统

技术领域

本发明涉及工业控制技术领域，更具体的说，特别涉及一种小功率焊线机换能器的高精度控制系统。

背景技术

焊线机换能器的超声波控制精度是提高焊线机整体性能的关键所在，它直接影响着焊线机的焊线品质和速度。焊线机设备在设计生产过程中会根据实际的需求和成本的考虑选择不同功率的换能器，(不同功率换能器的阻抗又不一样，比如：5W换能器美国UT的阻抗一般在20Ω左右；而2.5W小换能器的阻抗各家差异更大通常都大于20Ω)。当原本设备使用5W换能器换成2.5W时就会有如下问题，第一：随着换能器功率的不同，需要重新设计控制板卡，使板卡的输出功率满足换能器要求并且不能超过它的额定功率；第二：根据焊接工艺的要求，每个焊点在焊接过程中换能器并不是满功率输出而是输出三个不同百分比的功率，(比如：2.5W小换能器输出10％的预备功率、20％的接触功率、40％的键合功率)，因此，这就要求控制板卡的功率输出更精准。另输出功率越小即相应的输出电压和输出电流也越小，为保证换能器的有效输出功率，需通过对输出电压电流信号进行采样、过零比较和鉴相，实现频率的自动跟踪，找到换能器的工作谐振点，因此必须对采样的电压电流小信号进行有效的滤波、放大提高信号的波形质量和幅值，保证小功率换能器工作时不会出现锁相异常的问题。综上所述，只要焊线机更换了不同功率的换能器时，就需要重新设计换能器的控制板卡，这样就增加了设备的成本，延长了设备的交期。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的技术问题，提供一种小功率焊线机换能器的高精度控制系统，通过一张控制板卡来实现带小功率的换能器，并解决小功率换能器在小信号工作时易发生锁相异常的问题，而不需要重新设计控制板卡，减少了设备的成本，缩短了设备的交期。

为了解决以上提出的问题，本发明采用的技术方案为：

一种小功率焊线机换能器的高精度控制系统，包括功率输出前级电路和功率输出后级电路；

所述功率输出前级电路包括FPGA、DAC、DDS、放大与滤波模块、模拟开关、叠加器、二阶带通滤波模块、高精度组合功效模块和变压器；

所述FPGA根据主机的指令信息，分别输出控制信号到DDS和DAC，以及模拟开关；

所述DDS根据接收到的控制信号，将其合成频率信号，并输出给放大与滤波模块；DAC根据接收到的控制信号，将其转换成幅值信号，并输出给放大与滤波模块；

所述模拟开关根据接收到的控制信号，选择相应的放大系数来实现功率的档位调节，并将所述放大系数输出给放大与滤波模块；

所述放大与滤波模块将所述频率信号、幅值信号和放大系数进行放大、滤波后，输出给叠加器进行叠加后，得到超声频率小信号；

所述二阶带通滤波模块将所述超声频率小信号进行二阶滤波，滤除带通外的高频、低频干扰信号，并将二阶滤波后的信号输出给高精度组合功放模块；

所述高精度组合功放模块将所述二阶滤波后的信号进行放大后，得到一个满足换能器功率要求的幅值且无失真的超声频信号；

所述变压器将所述超声频信号进行匹配后，高效率地施加到换能器上，从而激发换能器振动，换能器将产生的电压/电流信号输出给功率输出后级电路。

所述功率输出后级电路包括电压/电流检测模块、放大与滤波模块、求有效值模块、滤波模块、ADC转换模块、模拟开关、过零比较模块、鉴相模块；

所述电压/电流检测模块对换能器输出的电压/电流信号进行闭环采样，并将采样得到的电压/电流小信号输出给放大与滤波模块；

所述模拟开关根据FPGA的控制指令选择放大系数，并将所述放大系数输出给放大与滤波模块；

所述放大与滤波模块根据所述放大系数，将所述电压/电流小信号进行放大与滤波处理，得到放大滤波后的电压/电流信号；

所述放大滤波后的电压/电流信号分两路，其中一路进入所述求有效值模块进行有效值转换，得到相应的直流信号；所述滤波模块将所述直流信号进行抗混叠滤波，滤除其中的高频分量，得到滤波后的电压/电流直流信号；所述ADCV和ADCI转换模块将所述滤波后的电压/电流直流信号进行转换，并将转换后得到的数字值输出给FPGA，由FPGA计算得到实际输出的电压、电流、功率和阻抗；

另一路进入滤波与放大模块进行滤波与放大，并将滤波放大后的电压/电流输出给过零模块；所述过零模块将所述滤波放大后的电压/电流进行过零比较，并将得到的过零比较信号输出给FPGA；

所述过零比较信号进入FPGA，并由FPGA内部的鉴相模块计算出相位差FPGA根据所述相位差实时地调整输出频率，从而使换能器工作在谐振频率上。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明中通过功率输出前级电路和功率输出后级电路，使得以后每次更换不同功率换能器时，直接接上去就可以使用，不需要重新设计新的控制板卡，这样在很大程度上节省了设备成本，缩短了设备的交期；此外，本发明还提高了小信号过零比较准确性，进一步提高了焊线机的焊线品质。

附图说明

图1为本发明功率输出前级电路的原理图。

图2为本发明功率输出后级电路的原理图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

参阅图1所示，本发明提供的一种小功率焊线机换能器的高精度控制系统，包括功率输出前级电路和功率输出后级电路。

控制板卡连接不同功率的换能器，首先控制板卡的上位机对换能器进行超声波校正得到DAC值与输出功率的对应关系，在实际工作中若要换能器输出某一功率，此时只需FPGA输出对应的控制信号给DAC。

所述功率输出前级电路包括FPGA、DAC、DDS、放大与滤波模块、模拟开关、叠加器、二阶带通滤波模块、高精度组合功效模块和变压器。

所述FPGA通过采用PCI总线接口与主机进行通讯，可提供高达132MB/s的数据传输速率。由于换能器控制板卡在焊线机工作中需要完成大量的数据实时交互，因此其能满足系统的数据处理需求。FPGA芯片根据主机的指令信息，分别输出控制信号到DDS和DAC，以及模拟开关。

所述DDS(直接数字合成器)根据接收到的控制信号，将其合成频率信号即换能器的谐振中心频率，并输出给放大与滤波模块；DAC(数模转换器)根据接收到的控制信号，将其转换成幅值信号，并输出给放大与滤波模块。

所述模拟开关根据接收到的控制信号，选择相应的放大系数来实现功率的档位调节，以满足不同焊线工艺的需求，并将所述放大系数输出给放大与滤波模块。

由于不同的换能器其谐振中心频率和功率不一样，通过DDS、DAC以及模块开关可以得到需要的谐振中心频率和功率。

所述放大与滤波模块将所述频率信号、幅值信号和放大系数进行放大、滤波后，输出给叠加器进行叠加后，得到超声频率小信号。

所述二阶带通滤波模块将所述超声频率小信号进行二阶滤波，滤除带通外的高频、低频干扰信号，从而获得高质量的超声频率小信号，并将二阶滤波后的信号输出给高精度组合功放模块。

所述高精度组合功放模块将所述高质量的超声频率小信号即二阶滤波后的信号进行放大后，得到一个满足换能器功率要求的幅值且无失真的超声频信号。

所述变压器将所述超声频信号进行匹配后，高效率地施加到换能器上，从而激发换能器振动，换能器将产生的电压/电流信号输出给功率输出后级电路。

如附图2所示，所述功率输出后级电路包括电压/电流检测模块、放大与滤波模块、求有效值模块、滤波模块(抗混叠)、ADC转换模块(电压ADCV/电流ADCI转换)、模拟开关(电压/电流增益切换)、过零比较模块(电压/电流过零比较)和鉴相模块。

为实现功率的闭环精确控制，所述电压/电流检测模块对换能器输出的电压/电流信号进行闭环采样，并将采样得到的电压/电流小信号输出给放大与滤波模块。

所述放大与滤波模块将所述电压/电流小信号进行放大与滤波处理，得到放大滤波后的电压/电流信号。其放大系数通过模拟开关进行相应的增益切换，即模拟开关根据FPGA的控制指令选择放大系数，并将所述放大系数输出给放大与滤波模块，以保证电压/电流信号进入ADC转换的信号幅值，从而提高ADC的精度。

所述放大滤波后的电压/电流信号分两路，其中一路进入所述求有效值模块进行有效值转换，得到相应的直流信号。所述滤波模块将所述直流信号进行抗混叠滤波，滤除其中的高频分量，得到滤波后的电压/电流直流信号。所述ADCV和ADCI转换模块将所述滤波后的电压/电流直流信号进行转换，并将转换后得到的数字值输出给FPGA，由FPGA计算得到实际输出的电压、电流、功率和阻抗。

另一路进入滤波与放大模块进行滤波与放大，并将滤波放大后的电压/电流输出给过零模块。所述过零模块将所述滤波放大后的电压/电流进行过零比较，并将得到的过零比较信号输出给FPGA。通过在过零比较前，将信号经过所述滤波与放大模块后，这样可以提高了小信号过零比较的准确性。

所述过零比较信号进入FPGA，并由FPGA内部的鉴相模块计算出相位差(实际工作时实测小信号的过零比较相位误差为-1°～+2°)，FPGA根据计算出的相位差实时地调整输出频率，从而使换能器工作在谐振频率上。

本发明适用于6W以下小功率焊线机换能器的高精度控制，但又不仅限于6W，针对其它小功率也均可适用。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种小功率焊线机换能器的高精度控制系统，其特征在于：包括功率输出前级电路和功率输出后级电路；

所述功率输出前级电路包括FPGA、DAC、DDS、放大与滤波模块、模拟开关、叠加器、二阶带通滤波模块、高精度组合功效模块和变压器；

所述FPGA根据主机的指令信息，分别输出控制信号到DDS和DAC，以及模拟开关；

所述DDS根据接收到的控制信号，将其合成频率信号，并输出给放大与滤波模块；DAC根据接收到的控制信号，将其转换成幅值信号，并输出给放大与滤波模块；

所述模拟开关根据接收到的控制信号，选择相应的放大系数来实现功率的档位调节，并将所述放大系数输出给放大与滤波模块；

所述放大与滤波模块将所述频率信号、幅值信号和放大系数进行放大、滤波后，输出给叠加器进行叠加后，得到超声频率小信号；

所述二阶带通滤波模块将所述超声频率小信号进行二阶滤波，滤除带通外的高频、低频干扰信号，并将二阶滤波后的信号输出给高精度组合功放模块；

所述高精度组合功放模块将所述二阶滤波后的信号进行放大后，得到一个满足换能器功率要求的幅值且无失真的超声频信号；

所述变压器将所述超声频信号进行匹配后，高效率地施加到换能器上，从而激发换能器振动，换能器将产生的电压/电流信号输出给功率输出后级电路。

2.根据权利要求1所述的小功率焊线机换能器的高精度控制系统，其特征在于：所述功率输出后级电路包括电压/电流检测模块、放大与滤波模块、求有效值模块、滤波模块、ADC转换模块、模拟开关、过零比较模块、鉴相模块；

所述电压/电流检测模块对换能器输出的电压/电流信号进行闭环采样，并将采样得到的电压/电流小信号输出给放大与滤波模块；

所述模拟开关根据FPGA的控制指令选择放大系数，并将所述放大系数输出给放大与滤波模块；

所述放大与滤波模块根据所述放大系数，将所述电压/电流小信号进行放大与滤波处理，得到放大滤波后的电压/电流信号；

所述放大滤波后的电压/电流信号分两路，其中一路进入所述求有效值模块进行有效值转换，得到相应的直流信号；所述滤波模块将所述直流信号进行抗混叠滤波，滤除其中的高频分量，得到滤波后的电压/电流直流信号；所述ADCV和ADCI转换模块将所述滤波后的电压/电流直流信号进行转换，并将转换后得到的数字值输出给FPGA，由FPGA计算得到实际输出的电压、电流、功率和阻抗；

另一路进入滤波与放大模块进行滤波与放大，并将滤波放大后的电压/电流输出给过零模块；所述过零模块将所述滤波放大后的电压/电流进行过零比较，并将得到的过零比较信号输出给FPGA；

所述过零比较信号进入FPGA，并由FPGA内部的鉴相模块计算出相位差FPGA根据所述相位差实时地调整输出频率，从而使换能器工作在谐振频率上。