CN113014115A

CN113014115A - 一种超声波电源及其供电方法

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Publication number: CN113014115A
Application number: CN202110289595.7A
Authority: CN
Inventors: 颜炳姜; 李伟秋; 何渐坚
Original assignee: Smartguy Intelligent Equipment Co ltd; Conprofe Technology Group Co Ltd; Smartguy Intelligent Equipment Co Ltd Guangzhou Branch
Current assignee: Smartguy Intelligent Equipment Co ltd; Conprofe Technology Group Co Ltd; Smartguy Intelligent Equipment Co Ltd Guangzhou Branch
Priority date: 2021-03-15
Filing date: 2021-03-15
Publication date: 2021-06-22
Anticipated expiration: 2041-03-15
Also published as: CN113014115B

Abstract

本申请公开了一种超声波电源及其供电方法，其中超声波电源包括：主控单元、第一调制器、功率放大器和耦合器；所述主控单元，用于生成预置信号；所述第一调制器，用于将所述预置信号进行脉冲宽度调制，得到电脉冲；所述功率放大器，用于放大所述电脉冲，并将放大后的所述电脉冲输出至耦合器；所述耦合器的输出端用于连接超声波部件。解决了现有超声波电源的输出功率线性度差，导致超声波电源的工作稳定性较差的技术问题。

Description

一种超声波电源及其供电方法

技术领域

本申请涉及超声加工技术领域，尤其涉及一种超声波电源及其供电方法。

背景技术

随着现代机械加工技术的发展，超声加工技术在精密加工中应用十分广泛，例如在金刚石、陶瓷、玻璃、硬质合金、不锈钢、钛合金等领域，取得了良好的加工效果。

超声波刀柄和超声波焊接件作为超声加工中的基础部件，其的稳定工作会直接影响到加工效率。超声波电源是用于向超声波刀柄或超声波焊接件提供超声能量的装置。要使超声波刀柄或超声波焊接件正常工作，超声波电源必须与超声波刀柄或超声波焊接件的工作频率匹配。然而现有超声波电源的输出功率线性度差，导致超声波电源的工作稳定性较差。

发明内容

本申请提供了一种超声波电源及其供电方法，解决了现有超声波电源的输出功率线性度差，导致超声波电源的工作稳定性较差的技术问题。

有鉴于此，本申请第一方面提供了一种超声波电源，包括：主控单元、第一调制器、功率放大器和耦合器；

所述主控单元，用于生成预置信号；

所述第一调制器，用于将所述预置信号进行脉冲宽度调制，得到电脉冲；

所述功率放大器，用于放大所述电脉冲，并将放大后的所述电脉冲输出至耦合器；

所述耦合器的输出端用于连接超声波部件。

可选地，所述预置信号具体为正弦信号；

所述第一调制器具体为正弦波调制器；

所述正弦波调制器，具体用于将所述正弦信号进行脉冲宽度调制，得到电脉冲。

可选地，所述主控单元，还用于实时获取所述超声波部件的谐振频率，实时根据所述超声波部件的谐振频率将所述预置信号的信号频率调整至与所述谐振频率同频。

可选地，所述实时根据所述超声波部件的谐振频率将所述预置信号的信号频率调整至与所述谐振频率同频，具体包括：

在判断到第一计算值大于第一预设阈值的情况下，将所述预置信号的信号频率调整至与所述超声波部件的谐振频率同频，其中，所述第一计算值为所述谐振频率和所述信号频率差值的绝对值。

可选地，所述功率放大器为全桥功率放大器或半桥功率放大器。

本申请第二方面提供了一种供电方法，应用于如第一方面所述的超声波电源的工作或运行，包括：

主控单元生成预置信号；

第一调制器将所述预置信号进行脉冲宽度调制，得到电脉冲；

功率放大器放大所述电脉冲，并将放大后的所述电脉冲输出至耦合器；

耦合器将放大后的所述电脉冲输出至超声波部件。

可选地，还包括：

主控单元实时获取所述超声波部件的谐振频率，实时根据所述超声波部件的谐振频率将所述预置信号的信号频率调整至与所述谐振频率同频。

可选地，所述实时获取所述超声波部件的谐振频率具体包括：

步骤S1、在所述超声波部件的工作频率范围内，以第一扫频速度为步长，从第一最大频率开始渐缩地进行实时扫描，获取扫描过程中最大电流对应的第一频率，其中，所述第一最大频率为所述工作频率范围内的最大频率；

步骤S2、在以所述第一频率为中心的预置频率范围内，以第二扫频速度为步长，从第二最大频率开始渐缩地进行实时扫描，获取扫描过程中最大电流对应的第二频率，其中，所述第二最大频率为所述预置频率范围内的最大频率；

步骤S3、将所述第二频率作为所述超声波部件的谐振频率；

其中，所述第一扫频速度大于第二扫频速度。

可选地，所述谐振频率的获取过程还包括：

步骤S4、在判断到满足预设条件的情况下，返回步骤S2；

其中，所述预设条件包括以下至少之一：

当前时间和上一时间之间的时间间隔大于预设时间间隔，其中，所述上一时间为完成上一次执行步骤S2时的时间；

第二计算值大于第二预设阈值，其中，所述第二计算值为所述超声波部件的当前电流和谐振电流差值的绝对值，所述谐振电流为所述谐振频率时所述超声波部件的电流。从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：

本申请提供了一种超声波电源，包括：主控单元、第一调制器、功率放大器和耦合器；所述主控单元，用于生成预置信号；所述第一调制器，用于将所述预置信号进行脉冲宽度调制，得到电脉冲；所述功率放大器，用于放大所述电脉冲，并将放大后的所述电脉冲输出至耦合器；所述耦合器的输出端用于连接超声波部件。

现有技术中的超声波电源采用的是LC谐振，该种谐振方式时超声波电源的频率和超声波刀柄或超声波焊接件的频率难以匹配，本申请中利用第一调制器提供脉冲宽度调制后的电脉冲，采用脉宽调制的方案，使超声波电源能在很宽的频率下工作，使得超声波电源和超声波刀柄或超声波焊接件的频率匹配，适用频率范围很广，且脉宽调制的方式输出功率线性度也能很好的控制，从而解决了现有超声波电源的输出功率线性度差，导致超声波电源的工作稳定性较差的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，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它的附图。

图1为本申请实施例中一种超声波电源的实施例的结构示意图；

图2为本申请实施例中正弦波调制器的调制原理图；

图3为本申请实施例中一种供电方法的实施例的流程示意图；

图4为本申请实施例中超声波部件的谐振频率的获取流程示意图；

其中，附图标记如下：

101、主控单元；102、第一调制器；103、功率放大器；104、耦合器。

具体实施方式

本申请实施例提供了一种超声波电源及其供电方法，解决了现有超声波电源的输出功率线性度差，导致超声波电源的工作稳定性较差的技术问题。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

请参阅图1，图1为本申请实施例中超声波电源的实施例的结构示意图。

本实施例中的超声波电源包括：主控单元101、第一调制器102、功率放大器103和耦合器104；主控单元101，用于生成预置信号；第一调制器102，用于将预置信号进行脉冲宽度调制，得到电脉冲；功率放大器103，用于放大电脉冲，并将放大后的电脉冲输出至耦合器104；耦合器104的输出端用于连接超声波部件。

本实施例中采用脉宽调制的方式将预置信号变换成电脉冲，驱动功率放大器103后通过耦合器104输出到超声波，省去了非线性的LC匹配网络，使超声波电源的工作频带变得很宽，能适用目前绝大部分频率的超声波。

可以理解的是，对于耦合器104的设置本领域技术人员可以根据需要进行设置，在此不再赘述。

本实施例中的超声波部件可以是超声波刀柄或超声波焊接件，也可以是其他的超声波部件，具体地本领域技术人员可以根据需要进行设置，在此不再赘述。

需要说明的是，预置信号是由主控单元生成的。对于主控单元生成预置信号的方式可以是在主控单元中集成一个信号发生器。

在一种实施方式中，信号发生器的类型和预置信号的类型对应。例如，当预置信号为正弦波时，该信号发生器也为正弦波信号发生器。

在另一种实施方式中，也可以是一个多类型的信号发生器，该信号发生器根据预置信号的信号类型输出对应的预置信号。

本实施例中的超声波电源，利用第一调制器提供脉冲宽度调制后的电脉冲，采用脉宽调制的方案，使超声波电源能在很宽的频率下工作，使得超声波电源和超声波刀柄或超声波焊接件的频率匹配，适用频率范围很广，且脉宽调制的方式输出功率线性度也能很好的控制，从而解决了现有超声波电源的输出功率线性度差，导致超声波电源的工作稳定性较差的技术问题。

以上为本申请实施例提供的一种超声波电源第一实施例，以下为本申请实施例提供的一种超声波电源的第二实施例。

第二实施例中的超声波电源包括：主控单元101、第一调制器102、功率放大器103和耦合器104；主控单元101，用于生成预置信号；第一调制器102，用于将预置信号进行脉冲宽度调制，得到电脉冲；具体地，第一调制器102具体为正弦波调制器，正弦波调制器具体用于将正弦波进行脉冲宽度调制，得到电脉冲；功率放大器103，用于放大电脉冲，并将放大后的电脉冲输出至耦合器104；耦合器104的输出端用于连接超声波部件。

可以理解的是，如图2所示为本实施例中正弦波调制器的调制原理图，本实施例中正弦波调制器中的比较器将正弦信号与高频三角波匹配，获取正弦信号和高频三角波的交点，并将上述的交点作为高低电平信号的上升沿或下降沿，生成方波信号，接着正弦波调制器中的滤波器将上述的方波信号进行滤波便可得到电脉冲。

在实际的应用过程中，超声波部件的谐振频率会发生变化，此时需要对应的修改超声波电源的频率。例如当超声波部件为超声波刀柄时，超声波刀柄的谐振频率随着零件工差、安装的刀具不同及刀具的安装位置不同、刀柄的工作温度而改变。当驱动刀柄的电信号频率与刀柄本身的谐振频率偏差较大时，刀柄的振幅会迅速减少，所以必须对刀柄的谐振频率进行实时的监控，并改变驱动刀柄的电信号频率，让刀柄始终保持在谐振点附近。故本实施例中的主控单元101还用于实时获取超声波部件的谐振频率，实时根据超声波部件的谐振频率将预置信号的信号频率调整至与谐振频率同频。

具体地，实时根据超声波部件的谐振频率将预置信号的信号频率调整至与谐振频率同频，具体包括：

在判断到第一计算值大于第一预设阈值的情况下，将预置信号的信号频率调整至与超声波部件的谐振频率同频，其中，第一计算值为谐振频率和信号频率差值的绝对值。

需要说明的是，如果预置信号的信号频率调整至与超声波部件的谐振频率之间差值的绝对值小于第一预设阈值，则认为两者差别不大，则不需要将预置信号进行调整。

可以理解的是，上述的第一预设阈值本领域技术人员可以根据需要设置，例如，20Hz，50Hz，100Hz，在此不做限定和赘述。

具体地，功率放大器103为全桥功率放大器或半桥功率放大器。

与现有的超声波电源相比，本实施例中的超声波电源有如下优点：

1、没有LC匹配网络，适用超声波部件频率范围很广。

2、没有非线性的LC匹配网络，输出线性度很好。

3、减少了大电流的谐振电路，电源效率提高。

4、减少了大体积的LC匹配网络，电源整体尺寸变小、变得小巧。

本实施例中利用第一调制器提供脉冲宽度调制后的电脉冲，采用脉宽调制的方案，使超声波电源能在很宽的频率下工作，使得超声波电源和超声波刀柄或超声波焊接件的频率匹配，适用频率范围很广，且脉宽调制的方式输出功率线性度也能很好的控制，从而解决了现有超声波电源的输出功率线性度差，导致超声波电源的工作稳定性较差的技术问题。

以上为本申请实施例提供的一种超声波电源第二实施例，以下为本申请实施例提供的一种供电方法的实施例。

请参阅图3，图3为本申请实施例中一种供电方法的实施例的流程示意图。

本实施例中的供电方法，应用于如上述实施例一或实施例二的超声波电源的工作或运行，包括：

步骤301、主控单元生成预置信号。

步骤302、第一调制器将预置信号进行脉冲宽度调制，得到电脉冲。

步骤303、功率放大器放大电脉冲，并将放大后的电脉冲输出至耦合器。

步骤304、耦合器将放大后的电脉冲输出至超声波部件。

步骤305、主控单元实时获取超声波部件的谐振频率，主控单元实时根据超声波部件的谐振频率将预置信号的信号频率调整至与谐振频率同频。

在一种实施方式中，实时根据超声波部件的谐振频率将预置信号的信号频率调整至与谐振频率同频，具体包括：

在判断到第一计算值大于第一预设阈值的情况下，根据第一计算值，将预置信号的信号频率调整至与超声波部件的谐振频率同频，其中，第一计算值为谐振频率和信号频率差值的绝对值。

可以理解的是，根据超声波部件的谐振频率将预置信号的信号频率调整至与谐振频率同频还可以是如下的实施方式：

实时获取超声波部件的谐振电流，其中谐振电流为谐振频率时超声波部件的电流；

计算谐振电流和预置信号对应的信号电流之间的电流差值的电流绝对值；

在判断到电流绝对值大于第二预设预置(预设电流阈值)的情况下，将预置信号对应的信号电流调整至与谐振电流相等，以使得调整信号频率与谐振频率同频。

需要说明的是，由上述可知，对于预置信号的信号频率调整，可以通过调整信号频率实现，也可以调整信号电流实现，本领域技术人员可以根据需要进行选择。

如图4所示，实时获取所述超声波部件的谐振频率具体包括：

步骤S1、在超声波部件的工作频率范围内，以第一扫频速度为步长，从第一最大频率开始渐缩地进行实时扫描，获取扫描过程中最大电流对应的第一频率，其中，第一最大频率为工作频率范围内的最大频率；

步骤S2、在以第一频率为中心的预置频率范围内，以第二扫频速度为步长，从第二最大频率开始渐缩地进行实时扫描，获取扫描过程中最大电流对应的第二频率，其中，第二最大频率为预置频率范围内的最大频率；

步骤S3、将第二频率作为超声波部件的谐振频率；

其中，第一扫频速度大于第二扫频速度。

需要说明的是，本实施例中的第一扫频速度大于第二扫频速度，即步骤S1的步长大于步骤S2中的步长。

进一步地，谐振频率的获取过程还包括：

步骤S4、在判断到满足预设条件的情况下，返回步骤S2；

其中，预设条件包括以下至少之一：

当前时间和上一时间之间的时间间隔大于预设时间间隔，其中，上一时间为完成上一次执行步骤S2时的时间；

第二计算值大于第二预设阈值，其中，第二计算值为超声波部件的当前电流和谐振电流差值的绝对值，谐振电流为谐振频率时超声波部件的电流。可以理解的是，上述的预设时间间隔可以是1ms，具体地本领域技术人员可以根据需要进行设置。

例如，在超声波电源的使用过程中，由于外部环境变化或者干扰，其输出到超声波部件的电流值并不是稳定的，时而出现偏差，那么在上述S4步骤中，其中之一，就是比较超声波部件的当前电流和谐振电流之间的差值，如果超声波电源提供给超声波部件的当前电流值偏差较大，其和谐振电流之间的差值大于第二预设阈值，这表明误差过大，如果还按照当前电流值提供给超声波部件则不能发生良好的超声谐振效果，必须进行调整，即回到步骤S2，进行重新确定第二频率。

例如，超声波电源在工作过程中，每间隔一个固定时间就会采样一次超声波部件的电流值，当前时间就是完成当前电流采样的时间值，比如11:00，而上一时间则是指完成上一次执行步骤S2时的时间值，比如10:55。而预设时间间隔，例如，设定为5min，那么当时间来到11:00时，就必须回到步骤S2，进行重新确定第二频率。

上述预设条件的设置，保证了采用本申请的超声波电源方案后，在确定第二频率作为谐振频率的过程中，既保证了实时性，又保证了准确性，是传统的采用LC谐振电路的超声波电源无法达到的技术效果。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种超声波电源，其特征在于，包括：主控单元、第一调制器、功率放大器和耦合器；

所述主控单元，用于生成预置信号；

所述耦合器的输出端用于连接超声波部件。

2.根据权利要求1所述的超声波电源，其特征在于，所述预置信号具体为正弦信号；

所述第一调制器具体为正弦波调制器；

3.根据权利要求1所述的超声波电源，其特征在于，所述主控单元，还用于实时获取所述超声波部件的谐振频率，实时根据所述超声波部件的谐振频率将所述预置信号的信号频率调整至与所述谐振频率同频。

4.根据权利要求3所述的超声波电源，其特征在于，所述实时根据所述超声波部件的谐振频率将所述预置信号的信号频率调整至与所述谐振频率同频，具体包括：

5.根据权利要求1所述的超声波电源，其特征在于，所述功率放大器为全桥功率放大器或半桥功率放大器。

6.一种供电方法，应用于如权利要求1至5中任一项所述的超声波电源的工作或运行，其特征在于，包括：

主控单元生成预置信号；

耦合器将放大后的所述电脉冲输出至超声波部件。

7.根据权利要求6所述的供电方法，其特征在于，还包括：

8.根据权利要求7所述的供电方法，其特征在于，所述实时根据所述超声波部件的谐振频率将所述预置信号的信号频率调整至与所述谐振频率同频，具体包括：

9.根据权利要求7所述的供电方法，其特征在于，所述实时获取所述超声波部件的谐振频率具体包括：

步骤S3、将所述第二频率作为所述超声波部件的谐振频率；

其中，所述第一扫频速度大于第二扫频速度。

10.根据权利要求9所述的供电方法，其特征在于，所述实时获取所述超声波部件的谐振频率还包括：

步骤S4、在判断到满足预设条件的情况下，返回步骤S2；

其中，所述预设条件包括以下至少之一：

第二计算值大于第二预设阈值，其中，所述第二计算值为所述超声波部件的当前电流和谐振电流差值的绝对值，所述谐振电流为所述谐振频率时所述超声波部件的电流。