CN111842094A - 数字化全智能超声波发生器及其自动对频方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了数字化全智能超声波发生器及其自动对频方法，涉及超声波发生器领域，数字化全智能超声波发生器包括电源整流滤波模块、超声波源频率产生模块、超声波功率控制模块、超声波输出模块、换能器和“死区”控制模块电源整流滤波模块给超声波功率控制模块供电，超声波功率控制模块控制超声波源频率产生模块工作，超声波源频率产生模块与超声波输出模块相连，超声波输出模块与换能器相连，“死区”控制模块串联在超声波功率控制模块和超声波源频率产生模块之间；超声波功率控制模块包括微处理器，微处理器上依次串联安装有数字频率合成电路、信号整形处理电路和功率放大电路，功率放大电路与超声波源频率产生模块相连。

Description

数字化全智能超声波发生器及其自动对频方法

技术领域

本发明涉及超声波发生器领域，尤其是涉及数字化全智能超声波发生器及其自动对频方法。

背景技术

目前市面上的传统超声波电源具有如下缺点：

1、其启动采用晶体管模拟放大器OTL/OCL线路，通过自激振荡产生超声波。这种谐振频率的启动依靠振荡线路的自激时，受零件误差和外围条件的影响有时自激不可靠，振动不起来，需要反复开关机；

2、超声波电源一般通过额外产生的锯齿波来平衡设备频率的漂移，设备谐振起来后，工作频率在一定范围内来回变大变小，由于频率变化范围是由线路事先决定好的，这样一来，工作频率在大多数时间段内都是偏离真正的谐振点，不在谐振点工作时，往往造成功耗浪费，效率降低。另外，工作频率忽大忽小，机械振动也就会忽大忽小，导致工作效果不稳定，影响产品质量；

3、自激振荡产生的超声波属于模拟线路控制，受零件本身误差影响较大，不利于批量稳定生产；

4、受模拟量采样和控制的限制，不利于实现整机的智能化自动控制。

发明内容

本发明为克服上述情况不足，提供了一种能解决上述问题的技术方案。

数字化全智能超声波发生器，包括电源整流滤波模块、超声波源频率产生模块、超声波功率控制模块、超声波输出模块、换能器和“死区”控制模块；

电源整流滤波模块给超声波功率控制模块供电，超声波功率控制模块控制超声波源频率产生模块工作，超声波源频率产生模块与超声波输出模块相连，超声波输出模块与换能器相连，“死区”控制模块串联在超声波功率控制模块和超声波源频率产生模块之间；

“死区”控制模块采用TL494双端脉冲调制器；

超声波功率控制模块包括微处理器，微处理器上依次串联安装有数字频率合成电路、信号整形处理电路和功率放大电路，功率放大电路与超声波源频率产生模块相连。

作为本发明进一步的方案：微处理器和功率放大电路之间连接有功率输出控制电路。

作为本发明进一步的方案：微处理器上还连接安装有输出实时反馈检测电路。

作为本发明进一步的方案：微处理器上连接有无线通信模块，无线通信模块采用联机通信电路或PLC外设信号接口电路。

作为本发明进一步的方案：微处理器上连接有的显示电路和键盘电路。

作为本发明进一步的方案：超声波源频率产生模块上连接有功率器件保护模块，功率器件保护模块包括串联设置的过流保护直流偏置电路、过压保护电路过温保护电路和漏电/短路保护电路，功率器件保护模块与超声波功率控制模块相连。

数字化全智能超声波发生器的自动对频方法，包括宽频快速频率扫描的步骤及窄频精准频率扫描的步骤；

宽频快速频率扫描的步骤如下：

步骤1、控制在可以预期系统允许的工作最大工作频率范围内，以特定的频率扫描步长(如2Hz)进行扫频，并采样谐振回路的电流数据；

步骤2、对采样到的电流数据利用数学分析方法去除异样点，再采用移动平均法对数据进行平滑处理，最后利用一阶导数为零的数学分析原理，得到数据曲线拐点；

步骤3、通过比较拐点数据得到拐点数据绝对值的最大值点即为谐振点，微处理器记忆并储存该谐振点的参数；

窄频精准频率扫描的步骤如下：

步骤1、以宽频快速频率扫描得到的谐振点为基准参数，在可以预期的系统工作时最大频率漂移，以特定的频率跟踪步长(如0.5Hz)进行扫频，并采样谐振回路电流数据；

步骤2、对采样到的电流数据利用数学分析方法去除异样点，再采用移动平均法对数据进行平滑，最后利用一阶导数为零的数学分析原理，得到数据曲线拐点；

步骤3、通过比较拐点数据得到拐点数据绝对值的最大值点即为谐振点，微处理器记忆并储存此谐振点参数，并在此谐振点驻点工作。

作为本发明进一步的方案：宽频快步频率扫描用于超声波设备第一次使用或超声波配置有重大改变时使用；窄频精准频率扫描在超声波设备每次开机启动时使用。

作为本发明进一步的方案：还包括驻点工作时全范围跟踪谐振频率的步骤，步骤如下：

步骤1、在同一谐振点工作时，每隔固定时间间隔对谐振回路的电流数据进行一轮采样；

步骤2、每轮采样中，均多次采样谐振回路的电流数据，并对采样到的电流数据利用数学分析方法去除异样点，再采用四项移动平均法对数据进行平滑，移动平均法是可以平滑时间序列数据，根据时间序列数据、逐项推移，依次计算包含四项数的序时平均值；当时间序列的采样数据由于受随机波动的影响，起伏较大，不易显示出事件的发展趋势时，用移动平均法可以消除这些因素的影响，显示出采样数据的变化方向与趋势，然后依趋势线分析预测序列的长期趋势；最后得出的值，作为该频点的谐振回路电流采样值储存；

步骤3、然后将当前谐振回路电流采样值与前次谐振回路电流采样值进行比较，如果当前谐振回路电流采样值变大，则控制下一工作频率点与上一次频率变化方向一致；如果当前谐振回路电流采样值变小，则控制下一工作频率点与上一次频率变化方向相反；如果当前谐振回路电流采样值无变化，则按原谐振点频率继续驻点工作。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、采用微处理器实现全数字化控制，可自动扫描设备工作谐振频率找到最佳谐振频率驻点工作，并全范围跟踪谐振频率工作，大大提高了超声波发生器的工作效率，降低了单位产量的能耗。

2、所述超声波发生器设置有完备的保护体制，对过压、过温等等情况进行监测，危险情况下可直接切断超声波产生模块工作，保护功率器件。

3、所述超声波发生器内各功能模块均智能化，预留通信接口、PLC信号接口等，可方便的与其他外围自动化设备联机工作；可实时采样输出电流变换，自动调节输出功率，保持输出功率基本恒定。

4、设置带有“死区时间”的驱动信号发生电路，可有效避免功率模块器件自激损坏，提高超声波发生器的工作可靠性和稳定性。

5、所述方法可有效避免谐振频率点漂移，提高超声波发生器的谐振效率。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的结构示意框图。

图2是本发明超声波功率控制模块的结构示意框图。

图3是本发明自动对频方法的流程示意图。

图中所示：1、电源整流滤波模块；2、超声波源频率产生模块；3、超声波功率控制模块；4、超声波输出模块；5、换能器；6、“死区”控制模块；31、微处理器；32、数字频率合成电路；33、信号整形处理电路；34、功率放大电路；7、功率输出控制电路；8、输出实时反馈检测电路；9、无线通信模块；10、显示电路；11、键盘电路；12、功率器件保护模块；121、过流保护直流偏置电路；122、过压保护电路；123、过温保护电路；124、漏电/短路保护电路。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-2，数字化全智能超声波发生器，包括电源整流滤波模块1、超声波源频率产生模块2、超声波功率控制模块3、超声波输出模块4、换能器5和“死区”控制模块6；

电源整流滤波模块1给超声波功率控制模块3供电，超声波功率控制模块3控制超声波源频率产生模块2工作，超声波源频率产生模块2与超声波输出模块4相连，超声波输出模块4与换能器5相连，“死区”控制模块6串联在超声波功率控制模块3和超声波源频率产生模块2之间；

“死区”控制模块6采用TL494双端脉冲调制器；

超声波功率控制模块3包括微处理器31，微处理器31上依次串联安装有数字频率合成电路32、信号整形处理电路33和功率放大电路34，功率放大电路34与超声波源频率产生模块2相连。

“死区”控制模块6具有120mV的输入补偿电压，它可限制最小输出死区时间约等于锯齿波周期的4％，当输出端接地，最大输出占空比为96％，而输出端接参考电平时，占空比为48％；设置好“死区时间”，驱动信号有了“死区时间”后可以有效防止超声波源频率产生模块2双臂同时导通，造成超声波源频率产生模块2之间形成短路，从而避免损毁超声波源频率产生模块2。

作为本发明进一步的方案：微处理器31和功率放大电路34之间连接有功率输出控制电路7；电路得到控制，让超声波源频率产生模块2的工作更加稳定。

作为本发明进一步的方案：微处理器31上还连接安装有输出实时反馈检测电路8；使得微处理器31能够得知实时的电路情况，以便超声波功率控制模块3做出相应的控制操作。

作为本发明进一步的方案：微处理器31上连接有无线通信模块9，无线通信模块9采用联机通信电路或PLC外设信号接口电路；使得微处理器31具有数据传输的效果，方便作业人员查看实时的电路情况。

作为本发明进一步的方案：微处理器31上连接有的显示电路10和键盘电路11；作业人员能够通过键盘电路11输入对应的程序、代码来对超声波功率控制模块3进行操作，同时能够通过显示电路10得知超声波功率控制模块3的工作状态。

作为本发明进一步的方案：超声波源频率产生模块2上连接有功率器件保护模块12，功率器件保护模块12包括串联设置的过流保护直流偏置电路121、过压保护电路122、过温保护电路123和漏电/短路保护电路124，功率器件保护模块12与超声波功率控制模块3相连；这些保护电路均与超声波源频率产生模块2直接连接，对过压、过温等等情况进行监测，危险情况下可直接切断超声波源频率产生模块的工作，保护功率器件，同时这些保护电路也将检测到的故障信息和保护信息传输给超声波功率控制模块3，以便超声波功率控制模块3做出相应的控制操作。

请参阅图3，数字化全智能超声波发生器的自动对频方法，包括宽频快速频率扫描的步骤及窄频精准频率扫描的步骤；

宽频快速频率扫描的步骤如下：

步骤1、控制在可以预期系统允许的工作最大工作频率范围内，以特定的频率扫描步长(如2Hz)进行扫频，并采样谐振回路的电流数据；

步骤2、对采样到的电流数据利用数学分析方法去除异样点，再采用移动平均法对数据进行平滑处理，最后利用一阶导数为零的数学分析原理，得到数据曲线拐点；

步骤3、通过比较拐点数据得到拐点数据绝对值的最大值点即为谐振点，微处理器记忆并储存该谐振点的参数；

窄频精准频率扫描的步骤如下：

步骤1、以宽频快速频率扫描得到的谐振点为基准参数，在可以预期的系统工作时最大频率漂移，以特定的频率跟踪步长(如0.5Hz)进行扫频，并采样谐振回路电流数据；

步骤2、对采样到的电流数据利用数学分析方法去除异样点，再采用移动平均法对数据进行平滑，最后利用一阶导数为零的数学分析原理，得到数据曲线拐点；

步骤3、通过比较拐点数据得到拐点数据绝对值的最大值点即为谐振点，微处理器记忆并储存此谐振点参数，并在此谐振点驻点工作。

作为本发明进一步的方案：宽频快步频率扫描用于超声波设备第一次使用或超声波配置有重大改变时使用；窄频精准频率扫描在超声波设备每次开机启动时使用。

作为本发明进一步的方案：还包括驻点工作时全范围跟踪谐振频率的步骤，步骤如下：

步骤1、在同一谐振点工作时，每隔固定时间间隔对谐振回路的电流数据进行一轮采样；

步骤2、每轮采样中，均多次采样谐振回路的电流数据，并对采样到的电流数据利用数学分析方法去除异样点，再采用四项移动平均法对数据进行平滑，移动平均法是可以平滑时间序列数据，根据时间序列数据、逐项推移，依次计算包含四项数的序时平均值；当时间序列的采样数据由于受随机波动的影响，起伏较大，不易显示出事件的发展趋势时，用移动平均法可以消除这些因素的影响，显示出采样数据的变化方向与趋势，然后依趋势线分析预测序列的长期趋势；最后得出的值，作为该频点的谐振回路电流采样值储存；

步骤3、然后将当前谐振回路电流采样值与前次谐振回路电流采样值进行比较，如果当前谐振回路电流采样值变大，则控制下一工作频率点与上一次频率变化方向一致；如果当前谐振回路电流采样值变小，则控制下一工作频率点与上一次频率变化方向相反；如果当前谐振回路电流采样值无变化，则按原谐振点频率继续驻点工作。

本发明具体的工作原理如下：通过微处理器控制数字频率合成电路输出两路互补的正弦波，再采用由信号整形处理电路中的集成运放将此正弦波整形成为占空比为定值的方波，然后由信号整形处理电路中的集成运放线路和比较器组成的电路把此方波整形为占空比可以通过数字电位器自动调节的方波，而且此方波做为后续功率模块器件的驱动信号是带有“死区时间”的，能有效避免功率模块器件自激损坏；输出实时反馈检测电路包括电流互感器、集成运放、模数转换，这些器件共同组成闭环负反馈回路，用于采集超声波工作电流状态数据，微处理器依据此电流状态值与自动扫描和自动跟踪得来的超声波工作频率数据，得出下一时段超声波频率，并通过控制数字频率合成电路输出，更改谐振频率；微处理器综合分析采集到的超声波产生模块的工作电流状态数据和用户设定值、设备安全工作值后通过数字电位器进行数模转换，改变后续超声波产生模块的驱动信号占空比，进而控制输出电压(电流、功率)；微处理器还可以直观地通过显示电路把实际工作电流显示出来；微处理器通过无线通信模块接收联机通信信号，通过锁相环(Phase Lock Loop)数学原理，计算进行超声波谐振相位，并通过控制数字频率合成电路输出，可以使多台超声波设备相位基本一致，同步输出，以达到最佳谐振效果；用户可以通过微处理器的设定送出超声波的时间长短，并直观地通过显示电路把设定工作时间和剩余工作时间显示出来。

超声波源频率产生模块是本发明完成超声波输出的核心载流器件，也是超声波回路中最脆弱的一环，本发明采取了过流保护、过压保护、过温保护、短路保护等保护措施外，提高超声波设备的工作稳定性和可靠性。

避开虚假的谐振点，快速找到设备真正的谐振点是所述超声波源频率产生模块工作的关键，为此本发明采取了宽频快速频率扫描与窄频精准频率扫描相结合的方式，宽频快步频率扫描用于超声波设备第一次使用或超声波配置有重大改变时使用，频率扫描速度快，在可以预期的系统允许的工作最大工作频率范围内，以特定的频率扫描步长(如2Hz)进行扫频，并收集谐振回路电流数据，利用数学分析方法去除异样点，对数据进行移动平均进行平滑，利用一阶导数为零的数学分析原理，得到数据曲线拐点，再通过比较拐点数据绝对值最大值点，即为谐振点，微处理器记忆并储存此谐振点参数，移动平均法是可以平滑时间序列数据，根据时间序列数据、逐项推移，依次计算包含四项数的序时平均值，当时间序列的采样数据由于受随机波动的影响，起伏较大，不易显示出事件的发展趋势时，用移动平均法可以消除这些因素的影响，显示出采样数据的变化方向与趋势，然后依趋势线分析预测序列的长期趋势，最后得出的值。

窄频精准频率扫描用于超声波设备每次开机启动，频率扫描时间短，窄频精准频率扫描是基于宽频快速频率扫描得到谐振点参数，依次谐振点参数为基准，可以在在可以预期的系统工作时最大频率漂移的范围内，以特定的频率跟踪步长(如0.5Hz)进行扫频，并收集数据，依据宽频快速频率扫描同样的数学分析原理可以找到精准谐振频率点。

本发明所述全范围跟踪谐振频率的实现方式，如图3所示，首先，在同一工作频率点多次采样谐振回路的电流数据，利用数学分析方法去除异样点，对数据采用移动平均法进行平滑，再算平均值，作为该频点的谐振回路电流采样值储存，然后对当前谐振回路电流采样值与先前谐振回路电流采样值进行分析比较，如果当前谐振回路电流采样值变大，则控制下一工作频率点与上一次频率变化方向一致，如果当前谐振回路电流采样值变小，则控制下一工作频率点与上一次频率变化方向相反，如果当前谐振回路电流采样值不变，则频率继续驻点工作，超声波设备的谐振频率点受外界条件影响是漂移不定的，本发明采用全范围跟踪频率方式可有效提高超声波设备的谐振效率。

本发明未具体介绍的功能模块，均可采用现有成熟功能模块或者是本领域技术人员根据功能模块描述可实现的，在此不再赘述。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (9)

1.数字化全智能超声波发生器，其特征在于：包括电源整流滤波模块、超声波源频率产生模块、超声波功率控制模块、超声波输出模块、换能器和“死区”控制模块；

电源整流滤波模块给超声波功率控制模块供电，超声波功率控制模块控制超声波源频率产生模块工作，超声波源频率产生模块与超声波输出模块相连，超声波输出模块与换能器相连，“死区”控制模块串联在超声波功率控制模块和超声波源频率产生模块之间；

“死区”控制模块采用TL494双端脉冲调制器；

超声波功率控制模块包括微处理器，微处理器上依次串联安装有数字频率合成电路、信号整形处理电路和功率放大电路，功率放大电路与超声波源频率产生模块相连。

2.根据权利要求1所述的数字化全智能超声波发生器，其特征在于：微处理器和功率放大电路之间连接有功率输出控制电路。

3.根据权利要求1所述的数字化全智能超声波发生器，其特征在于：微处理器上还连接安装有输出实时反馈检测电路。

4.根据权利要求1所述的数字化全智能超声波发生器，其特征在于：微处理器上连接有无线通信模块，无线通信模块采用联机通信电路或PLC外设信号接口电路。

5.根据权利要求1所述的数字化全智能超声波发生器，其特征在于：微处理器上连接有的显示电路和键盘电路。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的数字化全智能超声波发生器，其特征在于：超声波源频率产生模块上连接有功率器件保护模块，功率器件保护模块包括串联设置的过流保护直流偏置电路、过压保护电路、过温保护电路和漏电/短路保护电路，功率器件保护模块与超声波功率控制模块相连。

7.数字化全智能超声波发生器的自动对频方法，其特征在于：包括宽频快速频率扫描的步骤及窄频精准频率扫描的步骤；

宽频快速频率扫描的步骤如下：

步骤1、控制在可以预期系统允许的工作最大工作频率范围内，以特定的频率扫描步长(如2Hz)进行扫频，并采样谐振回路的电流数据；

步骤2、对采样到的电流数据利用数学分析方法去除异样点，再采用移动平均法对数据进行平滑处理，最后利用一阶导数为零的数学分析原理，得到数据曲线拐点；

步骤3、通过比较拐点数据得到拐点数据绝对值的最大值点即为谐振点，微处理器记忆并储存该谐振点的参数；

窄频精准频率扫描的步骤如下：

步骤1、以宽频快速频率扫描得到的谐振点为基准参数，在可以预期的系统工作时最大频率漂移，以特定的频率跟踪步长(如0.5Hz)进行扫频，并采样谐振回路电流数据；

步骤2、对采样到的电流数据利用数学分析方法去除异样点，再采用移动平均法对数据进行平滑，最后利用一阶导数为零的数学分析原理，得到数据曲线拐点；

步骤3、通过比较拐点数据得到拐点数据绝对值的最大值点即为谐振点，微处理器记忆并储存此谐振点参数，并在此谐振点驻点工作。

8.根据权利要求7所述的数字化全智能超声波发生器的自动对频方法，其特征在于：宽频快步频率扫描用于超声波设备第一次使用或超声波配置有重大改变时使用；窄频精准频率扫描在超声波设备每次开机启动时使用。

9.根据权利要求8所述的数字化全智能超声波发生器的自动对频方法，其特征在于：还包括驻点工作时全范围跟踪谐振频率的步骤，步骤如下：

步骤1、在同一谐振点工作时，每隔固定时间间隔对谐振回路的电流数据进行一轮采样；

步骤2、每轮采样中，均多次采样谐振回路的电流数据，并对采样到的电流数据利用数学分析方法去除异样点，再采用四项移动平均法对数据进行平滑，移动平均法是可以平滑时间序列数据，根据时间序列数据、逐项推移，依次计算包含四项数的序时平均值；当时间序列的采样数据由于受随机波动的影响，起伏较大，不易显示出事件的发展趋势时，用移动平均法可以消除这些因素的影响，显示出采样数据的变化方向与趋势，然后依趋势线分析预测序列的长期趋势；最后得出的值，作为该频点的谐振回路电流采样值储存；

步骤3、然后将当前谐振回路电流采样值与前次谐振回路电流采样值进行比较，如果当前谐振回路电流采样值变大，则控制下一工作频率点与上一次频率变化方向一致；如果当前谐振回路电流采样值变小，则控制下一工作频率点与上一次频率变化方向相反；如果当前谐振回路电流采样值无变化，则按原谐振点频率继续驻点工作。

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