CN201304720Y - 一种超声波塑料焊接机中频率跟踪电路结构 - Google Patents

一种超声波塑料焊接机中频率跟踪电路结构 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开一种超声波塑料焊接机中频率跟踪电路结构，包括信号取样电路、取样滤波电路、相位检测和电平转换电路和模糊控制器；信号取样电路包括电流取样电路和电压取样电路，均与换能器的输出端连接，将取样的电流和电压信号输出到取样滤波电路；取样滤波电路包括电流滤波电路和电压滤波电路；电流滤波电路的输入端与电流取样电路连接，将电流取样信号进行滤波后传送到相位检测和电平转换电路；电压滤波电路的输入端与电压取样电路的输出端连接，将电压取样信号进行滤波后，传送到相位检测和电平转换电路；相位检测和电平转换电路的输出端通过模糊控制器与功率驱动电路连接。此结构适用范围广，自适应能力强，具有较强的鲁棒性和稳定性。

Description

一种超声波塑料焊接机中频率跟踪电路结构
技术领域
本实用新型涉及超声波应用领域，特别是指一种用于超声波塑料焊接机中的频率跟踪电路结构。
背景技术
传统的频率跟踪方法有差动变量法、电流搜索法、功率搜索法和锁相环跟踪法等，而用于超声波筛分、超声波塑料焊接、超声波金属焊接、超声加工等超声波电箱中的频率跟踪方法主要是采用锁相环跟踪法，其主要是将电流互感器通过导线依次连接带通滤波电路、信号整形放大电路、相位变换电路再连接到锁相环电路；电压取样电路通过导线依次连接带通滤波电路、信号整形放大电路、相位变换电路连接到锁相环电路。此种方案在电路结构及原理上是可以实现的，但在实际应用时，当超声波频率超过30kHz时，相位变换电路在涉及时很难实现，系统的响应时间长，频率的分辨率降低，使得信号整形放大电路很容易出现自激振荡，这样，就使得超声波焊接机不能长时间连续工作，工作效率低，工作稳定性差，甚至造成超声波电箱的功率器件烧坏而不能工作。
另一方面，随着数学建模及模糊控制理论的发展，模糊控制应用在越来越多的领域，其不要求掌握被控对象的精确数学模型，而是根据人工控制规则组织控制决策，因此能够对复杂的系统进行精确的自适应控制，具有较强的鲁棒性和稳定性。模糊控制技术一般具有以下几个优点：(1)不必确定和试验PID(比例-积分-微分控制器)的参数，也不要求对系统作任何分析，只要能够选定合适的频率点及功率，频率自动跟踪控制系统就会自动执行最优控制方案；(2)频率自动跟踪控制系统的品质好，过渡过程短，频率超调量小(仅为0.5％～2％)，振荡次数少，精度高，可达±2HZ；(3)各路控制功能完全独立，互不相关；(4)系统可靠性高，元器件少，采用纯硬件实现各种功能；(5)抗干扰能力强，执行部件采用过零光耦固态开关，外界干扰脉冲并不影响控制精度。
鉴于上述分析，本发明人针对超声波塑料焊接机中的频率跟踪电路结构及理论进行深入研究，本案由此产生。
实用新型内容
本实用新型的主要目的，在于提供一种超声波塑料焊接机中频率跟踪电路结构，其适用范围广，自适应能力强，具有较强的鲁棒性和稳定性。
为了达成上述目的，本实用新型的解决方案是：
一种超声波塑料焊接机中频率跟踪电路结构，包括信号取样电路、取样滤波电路、相位检测和电平转换电路和模糊控制器；信号取样电路包括电流取样电路和电压取样电路，二者均与换能器的输出端连接，将取样的电流和电压信号分别输出到取样滤波电路；取样滤波电路包括电流滤波电路和电压滤波电路；电流滤波电路的输入端与电流取样电路的输出端连接，将电流取样信号进行滤波后传送到相位检测和电平转换电路；电压滤波电路的输入端与电压取样电路的输出端连接，将电压取样信号进行滤波后，也传送到相位检测和电平转换电路；相位检测和电平转换电路的输出端通过模糊控制器与功率驱动电路的输入端连接。
上述模糊控制器包括比较器、第一乘法器、模糊化电路、模糊控制算法电路、模糊决策电路、第二乘法器和调节电路；比较器的两输入端分别与相位检测和电平转换电路的输出端和目标信号连接，将二信号进行比较后，经由第一乘法器进入模糊化电路的输入端；模糊化电路对比较喜信号进行模糊化处理后，送入模糊控制算法电路；对信号进行模糊控制算法后，进入模糊决策电路，对其进行模糊决策，并将处理结果经由第二乘法器进入调节电路；调节电路的输出端与功率驱动电路的输入端连接。
上述电流滤波电路和电压滤波电路均为带通滤波器。
采用上述方案后，本实用新型通过将模糊控制理论引入超声波塑料焊接机的控制领域，可以使用模糊控制器将由电流取样电路和电压取样电路取样得到的电流信号和电压信号进行误差分析，并根据误差的大小自动调整误差对控制作用的权重，自适应能力强，工作效果佳，工作范围广。
附图说明
图1是本实用新型的电路结构框图；
图2是本实用新型中模糊控制器的结构框图；
图3是本实用新型连接在超声波塑料焊接机中的电路连接框图。
具体实施方式
以下结合附图和较佳实施例对本实用新型作详细说明。
参考图1所示，是本实用新型一种超声波塑料焊接机中频率跟踪电路结构的结构框图，包括信号取样电路1、取样滤波电路2、相位检测和电平转换电路3和模糊控制器4。
信号取样电路1包括电流取样电路11和电压取样电路12，二者均与换能器5的输出端连接，分别取样电流信号和电压信号，并将取样信号分别输出到后续的取样滤波电路2。
取样滤波电路2包括电流滤波电路21和电压滤波电路22，在本实施例中，均选用带通滤波器；电流滤波电路21的输入端与电流取样电路11的输出端连接，将电流取样信号进行带通滤波，去除不必要的干扰信号后，传送到相位检测和电平转换电路3；电压滤波电路22的输入端与电压取样电路12的输出端连接，将其取样得到的电压信号进行滤波后，也传送到相位检测和电平转换电路3。
相位检测和电平转换电路3的输入端分别与电流滤波电路21和电压滤波电路22的输出端连接，首先计算得出输入信号的触发角，检测过零点，并对电压信号进行电平转换，以适应不同元器件之间的通信连接，并将处理后的信号输入到模糊控制器4。
参考图2所示，是模糊控制器4的一种具体组成结构框图，经相位检测和电平转换电路3处理的信号由比较器41的正端输入，并在比较器41的负端输入一目标信号，此目标信号可根据具体应用情况而确定；比较器41对两输入信号进行比较后，将比较结果e输入第一乘法器42，此第一乘法器42的比例系数为Kc，对比较结果e进行增益后，得到信号E＝e*Kc(也即误差等级)输入模糊化电路43，其中，E＝(-6，-5，-4，-3，-2，-1，0)；模糊化电路43对信号E进行模糊化处理后，得到偏差模糊集E＝(NL，NM，NS，NZ)；再对偏差模糊集E经过模糊控制算法电路44后，得到输出变量模糊集U＝(PZ，PS，PM，PL)；再由模糊决策电路45对其进行模糊决策，得到控制量的论域U＝(0，1，2，3，4，5，6)；将所得信号再经比例系数为Kc的第二乘法器46进行增益后，将放大信号输入非模糊化处理电路46中进行非模糊化处理，最后经调节电路47将信号进行调节后，传输到后续的功率驱动电路6，驱动调节其输出频率。
如图3所示，是本实施例应用在超声波塑料焊接机中的电路结构框图，交流电源与EMI(Electromagnetic Interference，电磁干扰)10的输入端连接，为其提供电源信号；EMI 10的输出端与功率调节电路20的输入端连接，进行功率调节，以完全利用有效功率，提高功率；功率调节电路20的输出端经由整流电路30与PFC(功率因数校正器)40连接，将信号经整流及功率因数校正后，再通过滤波电路50和全桥功率电路60的处理后，输入输出变压器70进行变压后，传送到阻抗匹配网络80，再经换能器5后进入频率跟踪电路90，频率跟踪电路90将经过处理的频率信号输送到功率驱动电路6，再由功率驱动电路6将频率信号反馈给频率跟踪电路90，由频率跟踪电路90进行跟踪比较后将数据进行处理，再输出至功率驱动电路6；功率驱动电路6的输出端还与全桥功率电路60的输入端连接，将经处理后更加高效的频率信号输入到全桥功率电路60。
在本实施例中，由于采用模糊控制算法，其采用全论域规则自调整模糊控制法，可以根据误差的大小自动调整误差对控制作用的权重，具有较强的鲁棒性和稳定性；本实施例可以适用不同的输出功率要求，300W～10kW任选，工作范围更广。
综上所述，本实用新型一种超声波塑料焊接机中频率跟踪电路结构，重点在于采用模糊控制原理，使用模糊控制器4将取样得到的电流信号和电压信号进行误差分析，并根据误差的大小自动调整误差对控制作用的权重，自适应能力强，工作效果佳。
以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型保护范围之内。

Claims (3)

1、一种超声波塑料焊接机中频率跟踪电路结构，其特征在于：包括信号取样电路、取样滤波电路、相位检测和电平转换电路和模糊控制器；信号取样电路包括电流取样电路和电压取样电路，二者均与换能器的输出端连接，将取样的电流和电压信号分别输出到取样滤波电路；取样滤波电路包括电流滤波电路和电压滤波电路；电流滤波电路的输入端与电流取样电路的输出端连接，将电流取样信号进行滤波后传送到相位检测和电平转换电路；电压滤波电路的输入端与电压取样电路的输出端连接，将电压取样信号进行滤波后，也传送到相位检测和电平转换电路；相位检测和电平转换电路的输出端通过模糊控制器与功率驱动电路的输入端连接。
2、如权利要求1所述的一种超声波塑料焊接机中频率跟踪电路结构，其特征在于：所述模糊控制器包括比较器、第一乘法器、模糊化电路、模糊控制算法电路、模糊决策电路、第二乘法器和调节电路；比较器的两输入端分别与相位检测和电平转换电路的输出端和目标信号连接，将二信号进行比较后，经由第一乘法器进入模糊化电路的输入端；模糊化电路对比较喜信号进行模糊化处理后，送入模糊控制算法电路；对信号进行模糊控制算法后，进入模糊决策电路，对其进行模糊决策，并将处理结果经由第二乘法器进入调节电路；调节电路的输出端与功率驱动电路的输入端连接。
3、如权利要求1所述的一种超声波塑料焊接机中频率跟踪电路结构，其特征在于：所述电流滤波电路和电压滤波电路均为带通滤波器。
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