CN109483038A - 一种自动追频超声波焊接电源装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动追频超声波焊接电源装置及其控制方法，包括输入模块、全桥DC‑AC模块、匹配模块、调节模块和频率控制追踪模块；输入模块将交流电转换为直流电压，全桥DC‑AC模块将直流电压转换为双向方波电压信号，匹配模块将双向方波电压信号转换为正弦波电压信号的超声波驱动换能器组件工作，调节模块控制全桥DC‑AC模块的占空比来调节输出的功率；频率控制追踪模块对正弦波电压信号的电流相位整形，对电压相位整形并计算若干个时序点的相位，根据电流相位与若干个时序点的相位的超前或滞后状态、输出对应的调整信号控制调节模块改变开关频率，以调节输出频率并进行频率自动追踪；从而提高了频率追踪的精度。

Description

一种自动追频超声波焊接电源装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及电源技术领域，尤其涉及的是一种自动追频超声波焊接电源装置及其控制方法。

背景技术

现有的自动追频超声波焊接机电源中，常见的频率追踪方法包括：

一、自激式，代表电路为台湾线路；其利用换能器两端电压选频移相自激驱动开关管；具有频率追踪速度快，追踪范围宽，线路简单，成本较低，负载适应性强等优点。但是，在负载变化较快或开关机瞬时状态下，电路中上下正负半桥臂易出现开通时间不一致的情况，导致变压器/电感饱和而烧掉开关管。并且台湾线路的反馈电路结构简单，导致调试比较困难且调试完成后易偏移。另外，频率追踪精度不高，换能器电声转换效率低，易损坏换能器和模具。同时，启动瞬时电压非常大，易损坏换能器和发生器。

二、电压比较式，代表电路为美国线路；其通过对比电压正负相位下的负载电流大小来对压控振荡器产生作用，以达到频率追踪的目的；具有频率追踪速度中等，追踪范围最宽，稳定性高，负载适应性中等优点。但是，电路中的电压比较有延时效应，导致追踪精率不高；并且，换能器两端电压较高，易损坏换能器及模具。同时，启动瞬时电压高易损坏换能器及负载。

三、相位比较式，代表电路为瑞士线路；其通过对比换能器电压与电流相位，用锁相环分出相位差并控制压控振荡器以达到追踪目的；具有频率追踪速度中等，稳定性高，频率追踪精度最高，换能器电声转换效率高，有输出电压箍位电路，对负载保护好等优点。但是，电路中的锁相环在输入相位相差90度时，无法判定前后时序，致使压控振荡器出现异常，以致于失锁严重。为解决该问题，瑞士线路电箱对换能器要求严格，且对匹配电容要求非常高；同时频率追踪范围窄。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种自动追频超声波焊接电源装置及其控制方法，旨在解决现有自动追频超声波焊接机电源的频率追踪精度不高的问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种自动追频超声波焊接电源装置，连接换能器组件，其包括输入模块、全桥DC-AC模块、匹配模块、调节模块和频率控制追踪模块；

所述输入模块将输入的交流电转换为直流电压，全桥DC-AC模块将直流电压转换为双向方波电压信号，匹配模块将双向方波电压信号转换为正弦波电压信号的超声波来驱动换能器组件工作，调节模块控制全桥DC-AC模块的占空比来调节输出的功率；频率控制追踪模块对正弦波电压信号的电流相位整形，对电压相位整形并计算若干个时序点的相位，根据电流相位与若干个时序点的相位的超前或滞后状态、输出对应的调整信号来控制调节模块改变全桥DC-AC模块的开关频率，以调节输出频率并进行频率自动追踪。

所述的自动追频超声波焊接电源装置中，所述输入模块包括供电电源端、EMI电路和整流滤波电路；

所述供电电源端外接电源，用于输入交流电；

所述EMI电路对所述交流电进行去噪；

所述整流滤波电路将去噪后的交流电转换为直流电压并滤波后输出给全桥DC-AC模块。

所述的自动追频超声波焊接电源装置中，所述调节模块包括PWM电路、移相全桥及功率控制电路和检测电路；

所述PWM电路输出占空比可调的控制信号控制全桥DC-AC模块的开关时间及频率，将直流电压转化为频率和脉宽可控的双向方波电压信号；

所述移相全桥及功率控制电路控制全桥DC-AC模块的占空比来调节功率输出；

所述检测电路用于检测换能器组件两端的电压和电流。

所述的自动追频超声波焊接电源装置中，所述频率控制追踪模块包括：频率调节及控制电路、相位整形电路、相位判断处理电路和压控振荡；

所述相位整形电路对正弦波电压信号的电流相位整形，对电压相位整形并计算若干个时序点的相位；

所述相位判断处理电路比较电流相位与若干个时序点的相位是否超前或滞后，输出对应的超前信号或滞后信号；

频率调节及控制电路根据超前信号或滞后信号控制调节模块改变全桥DC-AC模块的开关频率，以调节输出频率并进行频率自动追踪。

所述的自动追频超声波焊接电源装置中，所述若干个时序点的相位为0～90度，90～180度，180～270度，270～360度这四个时序点的相位。

所述的自动追频超声波焊接电源装置中，所述频率控制追踪模块还包括追踪失败保护电路，用于检测频率追踪失败时，输出报警信号关断超声波输出。

一种采用所述的自动追频超声波焊接电源装置的控制方法，其包括：

步骤A、输入模块将输入的交流电转换为直流电；

步骤B、全桥DC-AC模块将直流电压转换为双向方波电压信号；

步骤C、匹配模块将双向方波电压信号转换为正弦波电压信号的超声波来驱动换能器组件工作；

步骤D、调节模块通过控制全桥DC-AC模块的占空比来调节输出的功率；

步骤E、频率控制追踪模块对正弦波电压信号的电流相位整形，对电压相位整形并计算若干个时序点的相位，根据电流相位与若干个时序点的相位的超前或滞后状态、输出对应的调整信号来控制调节模块改变全桥DC-AC模块的开关频率，以调节输出频率并进行频率自动追踪。

相较于现有技术，本发明提供的自动追频超声波焊接电源装置及其控制方法，通过输入模块将输入的交流电转换为直流电压，全桥DC-AC模块将直流电压转换为双向方波电压信号，匹配模块将双向方波电压信号转换为正弦波电压信号的超声波来驱动换能器组件工作，调节模块控制全桥DC-AC模块的占空比来调节输出的功率；频率控制追踪模块对正弦波电压信号的电流相位整形，对电压相位整形并计算若干个时序点的相位，根据电流相位与若干个时序点的相位的超前或滞后状态、输出对应的调整信号来控制调节模块改变全桥DC-AC模块的开关频率，以调节输出频率并进行频率自动追踪中；从而提高了频率追踪的精度。

附图说明

图1是本发明提供的自动追频超声波焊接电源装置的结构框图。

图2本发明提供的控制方法流程图。

具体实施方式

本发明提供一种自动追频超声波焊接电源装置及其控制方法。为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，本发明提供的自动追频超声波焊接电源装置包括输入模块10、全桥DC-AC(直流转交流)模块20、匹配模块30、调节模块40和频率控制追踪模块50。所述全桥DC-AC(直流转交流)模块20连接输入模块10、匹配模块30和调节模块40，调节模块40连接频率控制追踪模块50和换能器组件，匹配模块30连接换能器组件和频率控制追踪模块50。所述输入模块10将输入的交流电转换为直流电压，全桥DC-AC模块20将直流电压转换为双向方波电压信号，匹配模块30可采用LC谐振电路将双向方波电压信号转换为正弦波电压信号的超声波来驱动换能器组件工作。调节模块40通过控制全桥DC-AC模块20的占空比来调节输出的功率。频率控制追踪模块50对正弦波电压信号的电流相位进行整形，对电压相位整形并计算若干个时序点的相位，比较电压相位和电流相位的相位差，根据电流相位与若干个时序点的相位的超前或滞后状态、输出对应的调整信号来控制调节模块改变全桥DC-AC模块的开关频率，以调节输出频率并进行频率自动追踪。其中，若干个为3个或3个以上，较佳地为4个。

本实施例中，所述输入模块10包括供电电源端110、EMI电路120和整流滤波电路130；所述供电电源端110、EMI电路120、整流滤波电路130依次连接，所述整流滤波电路130连接全桥DC-AC模块20。所述供电电源端110外接电源，用于输入交流电(90～265V/50～60HZ)。EMI电路120用于对所述交流电进行去噪，以滤除电磁噪声干扰，从而避免电路产生的电磁噪声对电网的污染。整流滤波电路130将去噪后的交流电转换为直流电压并滤波(可内置电解电容来滤波)后输出给全桥DC-AC模块20。

所述调节模块40包括PWM电路410、移相全桥及功率控制电路420和检测电路430。所述PWM电路410连接移相全桥及功率控制电路420和频率控制追踪模块50；检测电路430连接全桥DC-AC模块20、频率控制追踪模块50和换能器组件。

所述PWM电路410包括型号为SG3525的PWM控制芯片及其外围电路。SG3525是一种性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成PWM控制芯片，其简单可靠且使用方便灵活；输出驱动为推拉输出形式，增加了驱动能力；内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器，有过流保护功能，频率可调同时能限制最大占空比。PWM电路410输出占空比可调的控制信号来控制全桥DC-AC模块20内IGBT开关管的开关时间及频率，即可将直流电压转化为频率和脉宽可控的双向方波电压信号。

所述移相全桥及功率控制电路420通过控制全桥DC-AC模块20内的IGBT开关管的占空比来调节功率输出。具体是改变全桥右上和右下、左上和左下的晶体管的开通时序，控制双向方波电压信号的电压高低以达到控制输出功率的目的。所述检测电路430用于检测换能器组件两端的电压、电流(相位和大小)和阻抗，为实时调节超声波的频率输出提供数据基础。

现有自激式超声波焊接电源若要改变超声波输出功率，必须改变变压器匝比，才能改变输出电压，达到改变超声波输出功率，调节很不方便，而且只有几个固定的匝比可供选择。本实施例的移相全桥及功率控制电路420，通过输出一个0到3.3V的电压无极改变全桥右上和右下与左上及左下的晶体管开通时序，控制双向方波电压信号的电压高低从而达到控制输出功率的目的，这样可以支持快速改变超声波输出功率的焊接要求。

所述频率控制追踪模块50包括：频率调节及控制电路510、相位整形电路520、相位判断处理电路530和压控振荡器540；所述频率调节及控制电510连接PWM电路410和压控振荡器540，相位判断处理电路530连接压控振荡器540和相位整形电路520，相位整形电路520连接检测电路430和匹配模块30。

所述频率调节及控制电路510通过PWM控制芯片外接的定时电阻来控制输出频率。即振荡器频率由外接电阻和电容决定。

本实施例中的频率调节及控制电路510是针对现有锁相环易受干扰、时序判定易混乱的特点作出改进，实验证明其具有以下优点：频率追踪速度高，稳定性高，频率追踪精度比普通相位比较式更高(现有相位比较式为每周期一次追踪，本实施例改进为4次)，电声转换效率高，测试基本无发热情况。同时，负载适应性强(经测试不同换能器及不同模具的可替换性非常高)，正常输出电压最低，对换能器及模具保护效果好。另外，启动瞬间电压箍位，负载振动平滑。对匹配电容及电感要求非常低，实验中将上述两个参数减半均能正常工作。

所述相位整形电路520：是对全桥DC-AC电路输出的电压、电流相位信号进行处理、整形，将正弦波电流、电压信号通过比较器波整形为方波信号并处理。

所述相位判断处理电路540将整形后的电压信号与整形后的电流信号比较，得出超前或者滞后信号来控制压控振荡器(VCO)540。每个周期监测换能器组件的工作频率变化，及时调节PWM控制芯片的基准频率以达到调节输出频率的目的，即可实现频率自动追踪。

所述压控振荡器540指输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路，频率是输入信号电压的函数的振荡器，振荡器的工作状态或振荡回路的元件参数受输入控制电压的控制，就可构成一个压控振荡器。

所述频率控制追踪模块50的相位追踪方法具体为：在换能器的负极与输出负极之间串联一个检测变压器(即检测电路430)，用以检测输出电流。相位整形电路520对这个电流进行整形，使之成为一个方波信号。相位整形电路520还对换能器两端的电压进行整形，分别计算出0～90度，90～180度，180～270度，270～360度这4个时序点的相位。现有常规的相位追踪方法只需计算出0～180度，180～360度两个点。对电流相位和电压相位进行判断，若电流相位超前于0度，则输出一个正相电压，利用正相电压将频率抬升。反之，则输出一个反相电压，并将频率降低，以达到频率追踪的目的。

由于现有电路中电流的占空比使终为50％，所以当电流相位与电压相位呈90度差时，则不能判断相位是超前或者滞后，以致于追踪会出现错乱的现象。而本实施例在不同时候分别利用不同的若干个时序点来作为判断基准，所以不会出现错乱的现象。

进一步实施例中，所述频率控制追踪模块50还包括追踪失败保护电路550，所述追踪失败保护电路550连接压控振荡器540。当频率追踪失败后，追踪失败保护电路输出报警信号到PWM电路410及时关断超声波输出。以防持续输出对换能器或者电路构成影响或者损坏。

现有的自激式、电压比较式超声波焊接电路在负载变化较快或者开关机瞬时状态下，易出现上下正负半桥臂开通时间不一致的情况，从而导致变压器/电感饱和而烧掉开关管，启动瞬时电压非常大，易损坏换能器。本实施例的追踪失败保护电路550可及时在频率追踪失败的瞬间关断超声波输出，以防持续输出对换能器或者电路构成影响或者损坏。

基于上述的自动追频超声波焊接电源装置，本发明还提供一种控制方法，请参阅图2，所述控制方法包括：

S100、输入模块将输入的交流电转换为直流电压；

S200、全桥DC-AC模块将直流电压转换为双向方波电压信号；

S300、匹配模块将双向方波电压信号转换为正弦波电压信号的超声波来驱动换能器组件工作；

S400、调节模块通过控制全桥DC-AC模块的占空比来调节输出的功率；

S500、频率控制追踪模块对正弦波电压信号的电流相位整形，对电压相位整形并计算若干个时序点的相位，根据电流相位与若干个时序点的相位的超前或滞后状态、输出对应的调整信号来控制调节模块改变全桥DC-AC模块的开关频率，以调节输出频率并进行频率自动追踪。

综上所述，本发明提供的自动追频超声波焊接电源装置及其控制方法，通过频率控制追踪模块的相位整形和若干个时序点的相位计算，根据相位的超前或滞后来调节输出频率并进行频率自动追踪；提高频率追踪速度和精度。通过调节模块改变全桥晶体管的开通时序，控制双向方波电压信号的电压高低从而达到控制输出功率的目的，可以支持快速改变超声波输出功率的焊接要求。通过追踪失败保护能在频率追踪失败的瞬间关断超声波输出，以防持续输出对换能器或者电路构成影响或者损坏。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种自动追频超声波焊接电源装置，连接换能器组件，其特征在于，包括输入模块、全桥DC-AC模块、匹配模块、调节模块和频率控制追踪模块；

所述输入模块将输入的交流电转换为直流电压，全桥DC-AC模块将直流电压转换为双向方波电压信号，匹配模块将双向方波电压信号转换为正弦波电压信号的超声波来驱动换能器组件工作，调节模块控制全桥DC-AC模块的占空比来调节输出的功率；频率控制追踪模块对正弦波电压信号的电流相位整形，对电压相位整形并计算若干个时序点的相位，根据电流相位与若干个时序点的相位的超前或滞后状态、输出对应的调整信号来控制调节模块改变全桥DC-AC模块的开关频率，以调节输出频率并进行频率自动追踪。

2.根据权利要求1所述的自动追频超声波焊接电源装置，其特征在于，所述输入模块包括供电电源端、EMI电路和整流滤波电路；

所述供电电源端外接电源，用于输入交流电；

所述EMI电路对所述交流电进行去噪；

所述整流滤波电路将去噪后的交流电转换为直流电压并滤波后输出给全桥DC-AC模块。

3.根据权利要求2所述的自动追频超声波焊接电源装置，其特征在于，所述调节模块包括PWM电路、移相全桥及功率控制电路和检测电路；

所述PWM电路输出占空比可调的控制信号控制全桥DC-AC模块的开关时间及频率，将直流电压转化为频率和脉宽可控的双向方波电压信号；

所述移相全桥及功率控制电路控制全桥DC-AC模块的占空比来调节功率输出；

所述检测电路用于检测换能器组件两端的电压和电流。

4.根据权利要求3所述的自动追频超声波焊接电源装置，其特征在于，所述频率控制追踪模块包括：频率调节及控制电路、相位整形电路、相位判断处理电路和压控振荡；

所述相位整形电路对正弦波电压信号的电流相位整形，对电压相位整形并计算若干个时序点的相位；

所述相位判断处理电路比较电流相位与若干个时序点的相位是否超前或滞后，输出对应的超前信号或滞后信号；

频率调节及控制电路根据超前信号或滞后信号控制调节模块改变全桥DC-AC模块的开关频率，以调节输出频率并进行频率自动追踪。

5.根据权利要求1所述的自动追频超声波焊接电源装置，其特征在于，所述若干个时序点的相位为0～90度，90～180度，180～270度，270～360度这四个时序点的相位。

6.根据权利要求5所述的自动追频超声波焊接电源装置，其特征在于，所述频率控制追踪模块还包括追踪失败保护电路，用于检测频率追踪失败时，输出报警信号关断超声波输出。

7.一种采用权利要求1所述的自动追频超声波焊接电源装置的控制方法，其特征在于，包括：

步骤A、输入模块将输入的交流电转换为直流电；

步骤B、全桥DC-AC模块将直流电压转换为双向方波电压信号；

步骤C、匹配模块将双向方波电压信号转换为正弦波电压信号的超声波来驱动换能器组件工作；

步骤D、调节模块通过控制全桥DC-AC模块的占空比来调节输出的功率；

步骤E、频率控制追踪模块对正弦波电压信号的电流相位整形，对电压相位整形并计算若干个时序点的相位，根据电流相位与若干个时序点的相位的超前或滞后状态、输出对应的调整信号来控制调节模块改变全桥DC-AC模块的开关频率，以调节输出频率并进行频率自动追踪。