CN110504843A - 一种超声波电源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开涉及一种超声波电源，其特征在于：包括整流滤波模块、振幅控制模块、逆变隔离模块、调谐匹配模块、频率跟踪模块、MCU控制模块和辅助电源模块；其中，整流滤波模块，用于交流电转换为直流电并对直流电进行滤波；振幅控制模块，对整流滤波后的直流电进行振幅调节；逆变隔离模块，将振幅控制模块的直流电转变为交流电压，同时使得转换后的交流电压与市电隔离；频率跟踪模块，提取出超声波换能器电流的相位，进行信号处理得出逆变隔离模块所需要的驱动频率，使该超声波电源的频率形成一个闭环；MCU控制模块，控制超声波启、停，锁定超声波换能器和超声波模具起始频率，控制振幅。
Description
技术领域
本发明涉及电路技术领域，特别涉及一种超声波电源。
背景技术
现有市场所销售的数字式超声波电源，虽说是采用数字化控制，各项控制功能都非常完善，但是频率跟踪准确性和频率跟踪实时性还达不到自激震荡超声波电源效果。使用过程中由于瞬间的负载变化所带来的频率实时性跟踪效果不好，容易损坏超声波换能器和超声波模具。在一些实际应用中出现工作错误报警，导致现有的一些应用还是以自激式震荡超声波电源为主，但自激式超声波电源振幅控制精度低，谐振频率需要专业人员手动调节，人工调节所带来的调节误差没有办法完全避免。同时对于超声波换能器和超声波模具温度升高，所导致的谐振频率偏移补偿效果差，很容易导致超声波电源烧毁。自激式超声波电源启动超声波时没有软启动功能，每次启动对于超声波电源，超声波换能器，超声波模具所造成的冲击非常大，尤其是在超声波模具比较大或者难以起振的超声波模具时，启动冲击非常大，严重缩短了超声波电源，超声波换能器，超声波模具的使用寿命。
发明内容
本发明的目的：为了克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种超声波电源，本电源采用数字化控制电路，具有能量转换效率高，振幅控制精度高，频率跟踪实时性完全能达到自激震荡电源效果，完全融合两类电源的优点。
本发明公开涉及一种超声波电源，其特征在于：包括整流滤波模块、振幅控制模块、逆变隔离模块、调谐匹配模块、频率跟踪模块、MCU控制模块和辅助电源模块；
其中，整流滤波模块，用于交流电转换为直流电并对直流电进行滤波；
振幅控制模块，对整流滤波后的直流电进行振幅调节；
逆变隔离模块，将振幅控制模块的直流电转变为交流电压，同时使得转换后的交流电压与市电隔离；
调谐匹配模块，换能器工作在谐振频率时，可使该超声波电源保持阻性状态；
频率跟踪模块，提取出超声波换能器电流的相位，进行信号处理得出逆变隔离模块所需要的驱动频率，使该超声波电源的频率形成一个闭环；
MCU控制模块，控制超声波启、停，锁定超声波换能器和超声波模具起始频率，控制振幅；
辅助电源模块，负责给各个模块供电。
采用上述技术方案，数字化控制电路，具有能量转换效率高，控制方便，各项保护完善，解决自激式超声波电源振幅控制精度低、谐振频率需要专业人员手动调节、手动调节所带来的调节误差没有办法完全避免等一系列问题。同时兼具频率跟踪准确性和频率跟踪实时性。
本发明的再进一步设置：所述的整流滤波模块包括有接线端子，接线端子的输入端用于市电的接入，接线端子的输出端上连接有共模电感T2和保险丝，共模电感T2将市电传递到整流桥D1，整流桥D1市电转换为直流电，整流桥D1正极输出负极接地，整流桥D1和共模电感T2之间还连接有用于抑制浪涌电流的热敏电阻R4，整流滤波模块还设有用于消除差模干扰的差模电容以及用于直流滤波的滤波电容。
采用上述再进一步设置，把220VAC交流电转换为310VDC的直流电，保险丝用于保护电路在使用异常状态下不被损毁，差模电容用于滤除市电输入中的差模干扰，共模电感T2滤除市电输入中的共模干扰，热敏电阻R4抑制浪涌电流，滤波电容对直流电进行滤波使其电压稳定。
本发明的再进一步设置：振幅控制模块包括开关管Q1、PWM控制芯片U1，开关管Q1的C极与整流桥D1的输出端连接，开关管Q1的G极与PWM控制芯片U1连接，开关管Q1的E极连接有电流互感器T1，电流互感器T1初级线圈一端与开关管Q1的E极连接另一端连接有位储能电感L1，电流互感器T1的次级线圈一端接地，另一端连接有振幅反馈电路和过载保护电路，还包括有续流二极管D2，续流二极管D2的正极接地负极连接在位储能电感L1和开关管Q1之间，位储能电感L1输出端还连接有滤波电容。
采用上述再进一步设置，由PWM控制芯片发出PWM信号，由一个BUCK电路来改变逆变电路的电压达到振幅调节作用，开关管Q1用于控制电感L1的储能时间，用以实现BUCK电路输出电压的改变，电流互感器T1用于测量BUCK电路电流用于保护和设备调试，在开关管Q1的通断过程中，电感L1不断地储能与释能，以达到电压调节的功能，在开关管Q1关闭时，电感L1通过续流二极管D2形成回路释放能量，滤波电容使得电压更加稳定。
本发明的进一步设置：逆变隔离模块包括有变压器T3、开关管Q2和开关管Q3，开关管Q2和开关管Q3组成半桥电路，振幅控制模块将直流电传递到半桥电路，半桥电路将直流电转换为超声波换能器同频率的交流电，交流电再由变压器T3初级线圈接入，变压器T3的次级线圈接出，将交流电压变为高压隔离电压传输到调谐匹配模块。
采用上述进一步设置，把直流电源转变为超声波换能器同频率的交流电压，同时通过变压器T3的隔离，达到一个阻抗匹配和与市电隔离。
本发明的再进一步设置：调谐匹配模块包括一个电感和若干个CBB高压薄膜电容，电感和CBB高压薄膜电容组成匹配电路，匹配电路上连接有匹配开关。
采用上述再进一步设置，使换能器工作在谐振频率时，使该超声波电源保持阻性状态，匹配开关可以微调CBB高压薄膜电容数量，来匹配不同静态电容的超声波换能器，使超声波系统能匹配多种型号的超声波换能器使用。
本发明的再进一步设置：频率跟踪模块包括电流互感器CT1和信号处理部分，电流互感器CT1和若干个CBB高压薄膜电容组成用于信号采集的差动变量电桥，变压器T3的次级线圈将电流传输到调谐匹配模块输入端，电流互感器CT1的初级线圈与调谐匹配模块的输出端连接，电流互感器CT1初级线圈还连接有接地线，电路互感器CT1的次级线圈上还连接有若干个串联设置的电阻，信号处理部分包括有差分放大电路、调频电阻U4和时基集成电路U10，差分放大电路与电流互感器CT1次级线圈连接，差动变量电桥将信号采集传递至差分放大电路，差分放大电路将信号处理传递到时基集成电路U10和调频电阻U4，时基集成电路U10输出端与MCU控制模块连接。
采用上述再进一步设置，差动变量电桥用于超声波换能器电流相位信号进行采集，将采集好的相位信号传递给差分放大电路，然后差分放大电路将信号处理形成和超声波换能器同频同相位的方波信号，方波传递给调频电阻U4和时基集成电路U10，调频电阻U4通过MCU设置一个基础频率使换能器工作在一个损耗最小的频率，能有效提高换能器使用效率，降低设备发热量，提高使用寿命，通过信号处理部分可以得出逆变隔离模块所需驱动频率，时基集成电路U10将所需驱动频率反馈给MCU控制模块，用来读取超声波电源工作频率，使得超声波电源的频率形成闭环，电阻可以用来限制电流互感器CT1次级线圈输出电压。
附图说明
图1为本发明整体电路图；
图2为本发明整流滤波模块电路图；
图3为本发明振幅控制模块电路图；
图4为本发明逆变隔离模块电路图；
图5为本发明调谐匹配模块电路图；
图6为本发明频率跟踪模块电路图；
图7为本发明MCU控制模块示意图；
图8为本发明差动变量电桥电路图；
图9为本发明流程控制图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式详细说明：
本发明公开涉及一种超声波电源，其特征在于：包括整流滤波模块1、振幅控制模块2、逆变隔离模块3、调谐匹配模块4、频率跟踪模块5、MCU控制模块7和辅助电源模块6；
其中，整流滤波模块1，用于交流电转换为直流电并对直流电进行滤波；
振幅控制模块2，对整流滤波后的直流电进行振幅调节；
逆变隔离模块3，将振幅控制模块2的直流电转变为交流电压，同时使得转换后的交流电压与市电隔离；
调谐匹配模块4，换能器工作在谐振频率时，可使该超声波电源保持阻性状态；
频率跟踪模块5，提取出超声波换能器电流的相位，进行信号处理得出逆变隔离模块3所需要的驱动频率，使该超声波电源的频率形成一个闭环；
MCU控制模块7，控制超声波启、停，锁定超声波换能器和超声波模具起始频率，控制振幅；
辅助电源模块6，负责给各个模块供电；
数字化控制电路，具有能量转换效率高，控制方便，各项保护完善，解决自激式超声波电源振幅控制精度低、谐振频率需要专业人员手动调节、人工调节所带来的调节误差没有办法完全避免，频率跟踪准确性和频率跟踪实时性效果好。
所述的整流滤波模块1包括有接线端子COM1，COM1为HB9500-5P接线端子，接线端子COM1的输入端用于市电的接入，接线端子COM1的输出端上连接有共模电感T2和保险丝FU1，共模电感T2将市电传递到整流桥D1，整流桥D1市电转换为直流电，整流桥D1正极输出负极接地，整流桥D1和共模电感T2之间还连接有用于抑制浪涌电流的热敏电阻R4，整流滤波模块1还设有用于消除差模干扰的差模电容C13、C14以及用于直流滤波的滤波电容C12、C15、C16、C17，把220VAC交流电转换为310VDC的直流电，保险丝FU1用于保护电路在使用异常状态下不被损毁，差模电容用于滤除市电输入中的差模干扰，共模电感T2滤除市电输入中的共模干扰，热敏电阻R4抑制浪涌电流，滤波电容对直流电进行滤波使其电压稳定。
振幅控制模块2包括开关管Q1、PWM控制芯片U1，U1为SG3525芯片，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，它在超声波电源中的作用就是根据用户需要提供合适的PWM波形驱动开关管Q1，实现BUCK电路不同的输出电压，因为SG3525芯片产生的PWM波形无法直接适用于开关管Q1，所以需要经过一个驱动变压器T4及后续无源元件进行一定的变压、整形，来驱动开关管Q1，开关管Q1的C极与整流桥D1的输出端连接，开关管Q1的G极与PWM控制芯片U1连接，开关管Q1的E极连接有电流互感器T1，电流互感器T1初级线圈一端与开关管Q1的E极连接另一端连接有位储能电感L1，电流互感器T1的次级线圈一端接地，另一端连接有振幅反馈电路8和过载保护电路9，振幅反馈电路8和过载保护电路9可以保护电路，还包括有续流二极管D2，续流二极管D2的正极接地负极连接在位储能电感L1和开关管Q1之间，位储能电感L1输出端还连接有滤波电容C18、C19，由PWM控制芯片发出PWM信号，由一个BUCK电路来改变逆变电路的电压达到振幅调节作用，开关管Q1用于控制位储能电感L1的储能时间，用以实现BUCK电路输出电压的改变，电流互感器T1用于测量BUCK电路电流用于保护和设备调试，在开关管Q1的通断过程中，位储能电感L1不断地储能与释能，以达到电压调节的功能，在开关管Q1关闭时，位储能电感L1通过续流二极管D2形成回路释放能量，滤波电容使得电压更加稳定。
逆变隔离模块3包括有变压器T3、开关管Q2和开关管Q3，开关管Q2和开关管Q3组成半桥电路，振幅控制模块2将直流电传递到半桥电路，半桥电路将直流电转换为交流电，交流电再由变压器T3初级线圈接入，变压器T3的次级线圈接出，将交流电压变为高压隔离电压传输到调谐匹配模块4，把直流电源转变为超声波换能器同频率的交流电压，同时通过变压器T3的隔离，达到一个阻抗匹配和与市电隔离的效果，半桥电路将BUCK电路输出的直流电压转变成交流电压，再经由变压器T3将交流电压变为高压隔离电压。
调谐匹配模块4包括一个电感L4和CBB高压薄膜电容C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C11，电感L4和CBB高压薄膜电容组成匹配电路，匹配电路上连接有匹配开关10，使换能器工作在谐振频率时，使该超声波电源保持阻性状态，匹配开关10可以微调CBB高压薄膜电容数量，来匹配不同静态电容的超声波换能器，使超声波电源能匹配多种型号的超声波换能器使用。
频率跟踪模块5包括电流互感器CT1和信号处理部分12，电流互感器CT1和CBB高压薄膜电容C4、C6、C7、C8、C9、C11形成差动变量电桥11，差动变量电桥11用于超声波换能器电流相位信号进行采集，电流互感器CT1的初级线圈与调谐匹配模块4的输出端连接，电流互感器CT1初级线圈还用于与接地线和换能器负极连接，电流互感器CT1次级线圈上还设有串联设置电阻R11,R12,R13,R14，电阻 R11,R12,R13,R14来限制电流互感器CT1次级线圈输出电压，信号处理部分包括有差分放大电路13、调频电阻U4和时基集成电路U10，差分放大电路13与电流互感器CT1的次级线圈连接，将采集好的信号传递给差分放大电路13，然后差分放大电路13将信号处理成方波传递给调频电阻U4和时基集成电路U10，时基集成电路U10输出端连接有接线端口P1，P1与MCU控制模块7连接，调频电阻U4通过MCU控制模块7设置一个基础频率使换能器工作谐振频率，使换能器工作在一个损耗最小的频率，能有效提高换能器使用效率，降低设备发热量，提高使用寿命，通过信号处理部分可以得出逆变隔离模块3所需驱动频率，时基集成电路U10将所需驱动频率反馈给MCU控制模块7，用来读取超声波电源工作频率，使得超声波电源的频率形成闭环。
辅助电源输出±15V负责给整个控制体统提供直流电源，U7为电源管理芯片，型号为昂宝公司的OB2263M，电路为芯片通用应用电路。
Claims (6)
1.一种超声波电源，其特征在于：包括整流滤波模块、振幅控制模块、逆变隔离模块、调谐匹配模块、频率跟踪模块、MCU控制模块和辅助电源模块；
其中，整流滤波模块，用于交流电转换为直流电并对直流电进行滤波；
振幅控制模块，对整流滤波后的直流电进行振幅调节；
逆变隔离模块，将振幅控制模块的直流电转变为交流电压，同时使得转换后的交流电压与市电隔离；
调谐匹配模块，换能器工作在谐振频率时，可使该超声波电源保持阻性状态；
频率跟踪模块，提取出超声波换能器电流的相位，进行信号处理得出逆变隔离模块所需要的驱动频率，使该超声波电源的频率形成一个闭环；
MCU控制模块，控制超声波启、停，锁定超声波换能器和超声波模具起始频率，控制振幅；
辅助电源模块，负责给各个模块供电。
2.根据权利要求1所述的一种超声波电源，其特征在于：所述的整流滤波模块包括有接线端子，接线端子的输入端用于市电的接入，接线端子的输出端上连接有共模电感T2和保险丝，共模电感T2将市电传递到整流桥D1，整流桥D1市电转换为直流电，整流桥D1正极输出负极接地，整流桥D1和共模电感T2之间还连接有用于抑制浪涌电流的热敏电阻R4，整流滤波模块还设有用于消除差模干扰的差模电容以及用于直流滤波的滤波电容。
3.根据权利要求1或2所述的一种超声波电源，其特征在于：振幅控制模块包括开关管Q1、PWM控制芯片U1，开关管Q1的C极与整流桥D1的输出端连接，开关管Q1的G极与PWM控制芯片U1连接，开关管Q1的E极连接有电流互感器T1，电流互感器T1初级线圈一端与开关管Q1的E极连接，另一端连接有位储能电感L1，电流互感器T1的次级线圈一端接地，另一端连接有振幅反馈电路和过载保护电路，还包括有续流二极管D2，续流二极管D2的正极接地负极连接在位储能电感L1和开关管Q1之间，位储能电感L1输出端还连接有滤波电容。
4.根据权利要求3所述的一种超声波电源，其特征在于：逆变隔离模块包括有变压器T3、开关管Q2和开关管Q3，开关管Q2和开关管Q3组成半桥电路，振幅控制模块将直流电传递到半桥电路，半桥电路将直流电转换为交流电，交流电再由变压器T3初级线圈接入，变压器T3的次级线圈接出，将交流电压变为高压隔离电压传输到调谐匹配模块。
5.根据权利要求4所述的一种超声波电源，其特征在于：调谐匹配模块包括一个电感和若干个CBB高压薄膜电容，电感和CBB高压薄膜电容组成匹配电路，匹配电路上连接有匹配开关。
6.根据权利要求5所述的一种超声波电源，其特征在于：频率跟踪模块包括电流互感器CT1、信号处理部分，电流互感器CT1和若干个CBB高压薄膜电容组成用于信号采集的差动变量电桥，变压器T3的次级线圈将电流传输到调谐匹配模块输入端，电流互感器CT1的初级线圈与调谐匹配模块的输出端连接，电流互感器CT1初级线圈还连接有接地线，电路互感器CT1的次级线圈上还连接有若干个串联设置的电阻，信号处理部分包括有差分放大电路、调频电阻U4和时基集成电路U10，差分放大电路与电流互感器CT1次级线圈连接，差动变量电桥将信号采集传递至差分放大电路，差分放大电路将信号处理传递到时基集成电路U10和调频电阻U4，时基集成电路U10输出端与MCU控制模块连接。
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