CN203409422U

CN203409422U - 一种超声驱动系统

Info

Publication number: CN203409422U
Application number: CN201320385574.6U
Authority: CN
Inventors: 隆志力; 舒杰; 李泽湘
Original assignee: DG-HUST MANUFACTURING ENGINEERING INSTITUTE
Current assignee: Guangdong Hust Industrial Technology Research Institute
Priority date: 2013-06-28
Filing date: 2013-06-28
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2023-06-28

Abstract

本实用新型涉及一种超声驱动系统，包括通信单元，与通信单元连接并通过通信单元与上位机进行通信的处理器，与处理器的一输出端连接、用于产生正弦波并对其进行调幅及功率放大的信号生成及放大单元，与信号生成及放大单元的输出端连接、用于接收信号生成及放大单元输出信号的超声换能器，以及与超声换能器连接、用于对超声换能器的电压和电流信号进行采样并处理后传送到处理器的反馈单元；反馈单元包括对电压和电流信号进行滤波放大并得到第一电压和第一电流的采样放大电路，以及与采样放大电路连接、用于获取第一电压和第一电流的相位差信号的谐振频率点跟踪模块。实施本实用新型的超声驱动系统，具有以下有益效果：跟踪速度较快、转换效率较高。

Description

一种超声驱动系统

技术领域

本实用新型涉及超声驱动领域，更具体地说，涉及一种超声驱动系统。

背景技术

随着科技的发展，超声被应用在各种加工行业，如：超声焊线机、超声清洗机、超声洁牙等等。超声是由超声驱动系统产生的电信号通过超声换能器转换得到，因此如何使超声换能器转换效率更高、转换能量更稳定、使用寿命更长成为超声驱动系统发展的必然趋势。

目前，超声驱动系统主要由处理器、信号生成及功率放大、反馈信号采集三部分组成。其中，信号生成及功率放大部分用于生成一定频率的信号、并对该信号进行功率放大；目前基本采用DSP、单片机内部集成的PWM或DAC（Digital to analog converter，数模转换器）产生PWM或正弦波，也有采用PWM集成芯片产生PWM波，然后经过功放电路进行放大，最终输出驱动超声换能器的电信号。反馈信号采集部分用于采集加载在超声换能器上的电压及电流信号，通过这些信号对信号生成的频率及放大倍数进行调整。目前主要采用信号整形滤波的方法将反馈的正弦波或方波转换成直流信号进行采集。存在的问题是，输出超声能量不稳定、能量转换效率低、超声换能器使用寿命低等，这些问题主要是因为超声换能器没有一直处在谐振频率点工作，而谐振频率点是超声换能器阻抗最小机械振动最大的频率点，其工作期间能量转换效率高、阻抗变化小及发热量少。由于超声换能器的谐振频率点会随温度、外界压力等因素变化而变化，因此在工作时其谐振点也在不断变化。目前国内一些超声驱动系统虽然也具有谐振点频率自动跟踪功能但大多是基于电流最大的方法，用扫频的方式得到不同频率点的电流值，并求出其最大电流的频率点作为谐振点，因此跟踪速度慢，无法满足高速度、高稳定性的要求，尤其是应用在高速焊线机中。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述扫频方式跟踪速度慢、转换效率低的缺陷，提供一种跟踪速度较快、转换效率较高的超声驱动系统。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种超声驱动系统，包括通信单元，与所述通信单元双向连接并通过所述通信单元与上位机进行通信的处理器，与所述处理器的一个输出端连接、用于产生正弦波并对所述正弦波依次进行调幅及功率放大的信号生成及放大单元，与所述信号生成及放大单元的输出端连接、用于接收所述信号生成及放大单元输出的信号的超声换能器，以及与所述超声换能器连接、用于对所述超声换能器的电压和电流信号进行采样并对所述电压和电流信号处理后发送到所述处理器的反馈单元；所述反馈单元包括对所述电压和电流信号进行滤波放大并得到第一电压和第一电流的采样放大电路，以及与所述采样放大电路连接、用于获取所述第一电压和第一电流的相位差信号的谐振频率点跟踪模块，所述处理器接收所述相位差信号并相应调整所述正弦波的频率以使所述电压和电流信号同相位。

在本实用新型所述的超声驱动系统中，所述反馈单元还包括与所述采样放大电路连接、对所述第一电压和第一电流进行处理并得到谐振点阻抗的谐振点阻抗采集模块，所述处理器依据所述谐振点阻抗调整所述超声换能器两端的电压。

在本实用新型所述的超声驱动系统中，所述谐振频率点跟踪模块包括分别对所述第一电压和第一电流整形并得到电压方波信号和电流方波信号的两路比较整形电路，以及与所述两路比较整形电路连接、对所述电压方波信号和电流方波信号进行处理得到相位差信号的相位差电路，所述相位差电路的输出端与所述处理器的一输入端连接。

在本实用新型所述的超声驱动系统中，所述相位差电路包括D触发器。

在本实用新型所述的超声驱动系统中，所述谐振点阻抗采集模块包括对所述第一电压和第一电流进行真有效值变换并得到第二电压和第二电流的两路真有效值变换电路，以及与所述两路真有效值变换电路连接、并对所述第二电压和第二电流进行滤波放大的两路滤波放大电路，所述处理器依据所述两路滤波放大电路输出的信号得到谐振点频率和所述谐振点阻抗。

在本实用新型所述的超声驱动系统中，所述超声驱动系统包括ADC（Analog to Digital Converter，模数转换器）所述两路滤波放大电路的输出端与所述ADC的输入端连接。

在本实用新型所述的超声驱动系统中，所述信号生成及放大单元包括用于产生正弦波的信号生成电路，与所述信号生成电路的输出端连接、用于接收并对所述正弦波进行滤波放大并得到第一正弦波的滤波放大电路，其一输入端与所述滤波放大电路的输出端连接、另一输入端与所述处理器的另一输出端连接并对所述第一正弦波进行调幅的模拟乘法器，与所述模拟乘法器的输出端连接、对所述模拟乘法器输出的信号进行功率放大的功率放大电路。

在本实用新型所述的超声驱动系统中，所述信号生成及放大单元还包括与所述功率放大电路的输出端连接、用于接收并对所述功率放大电路输出的信号进行阻抗匹配的阻抗匹配电路，所述阻抗匹配电路的输出端与所述超声换能器的输入端连接。

在本实用新型所述的超声驱动系统中，所述超声驱动系统还包括DAC，所述模拟乘法器的另一输入端与所述DAC的输出端连接。

在本实用新型所述的超声驱动系统中，所述ADC和DAC设置在所述处理器的内部。

实施本实用新型的超声驱动系统，具有以下有益效果：由于使用信号生成及放大单元和反馈单元，其中，信号生成及放大单元产生正弦波并对正弦波依次进行调幅及功率放大，反馈单元包括采样放大电路和谐振频率点跟踪模块，采样放大电路对超声换能器的电压和电流信号进行采样并滤波放大后得到第一电压和第一电流，谐振频率点跟踪模块用于获取第一电压和第一电流的相位差信号，处理器依据接收的相位差信号并相应调整正弦波的频率以使电压和电流信号同相位，也即处理器通过相位差信号的方向信号实时调整正弦波的输出频率即可快速将其相位差锁定为0，保证超声换能器一直工作在谐振频率点，相比目前采用的电流最大法进行的频率跟踪其跟踪速度及转换效率得到了明显提高，所以其跟踪速度较快、转换效率较高。

附图说明

图1是本实用新型超声驱动系统一个实施例中的结构示意图。

具体实施方式

为了便于本领域的普通技术人员能够理解并实施本实用新型，下面将结合附图对本实用新型实施例作进一步说明。

在本实用新型超声驱动系统实施例中，超声驱动系统的结构示意图如图1所示。图1中，该超声驱动系统包括通信单元1、处理器2、信号生成及放大单元3、超声换能器4和反馈单元5；其中，其中，处理器2与通信单元1双向连接并通过通信单元1与上位机（图中未示出）进行通信，信号生成及放大单元3与处理器的一个输出端连接、用于产生正弦波并对正弦波依次进行调幅及功率放大，超声换能器4与信号生成及放大单元3的输出端连接、用于接收信号生成及放大单元3输出的信号，反馈单元5以及与超声换能器4连接、用于对超声换能器4的电压和电流信号进行采样并对电压和电流信号处理后传送到处理器2；反馈单元5包括采样放大电路51和谐振频率点跟踪模块52，采样放大电路51对采集的超声换能器4的电压和电流信号进行滤波放大并得到第一电压和第一电流，谐振频率点跟踪模块52与采样放大电路51连接、用于获取第一电压和第一电流的相位差信号，处理器2接收相位差信号并相应调整正弦波的频率以使电压和电流信号同相位。值得一提的是，本实施例中，通信单元1为RS232通信方式，完成上位机与处理器2之间的通信功能。

本实施例中，反馈单元5还包括谐振点阻抗采集模块53，谐振点阻抗采集模块53与采样放大电路51连接、对上述第一电压和第一电流进行处理并得到谐振点阻抗，处理器2依据谐振点阻抗调整超声换能器4两端的电压。

其中，谐振频率点跟踪模块52包括两路比较整形电521和相位差电路522；其中，两路比较整形电521分别对第一电压和第一电流整形并得到电压方波信号和电流方波信号，相位差电路522与两路比较整形电路521连接、对电压方波信号和电流方波信号进行处理得到相位差信号，相位差电路522的输出端与处理器2的一输入端连接。值得一提的是，上述相位差信号是矢量，即有大小和方向性。本实施例中，相位差电路包括D触发器。

本实施例中，谐振点阻抗采集模块53包括两路真有效值变换电路531和两路滤波放大电路532；其中，两路真有效值变换电路531对第一电压和第一电流进行真有效值变换并得到第二电压和第二电流，两路滤波放大电路532与两路真有效值变换电路531连接、并对第二电压和第二电流进行滤波放大的，处理器2依据两路滤波放大电路532输出的信号得到谐振点频率和谐振点阻抗。本实施例中，超声驱动系统包括ADC22，两路滤波放大电路532的输出端与ADC22的输入端连接。

本实施例中，信号生成及放大单元3包括信号生成电路31、滤波放大电路32、模拟乘法器33和功率放大电路34；其中，信号生成电路31用于产生正弦波，滤波放大电路32与信号生成电路31的输出端连接、用于接收正弦波并对正弦波进行滤波放大并得到第一正弦波，模拟乘法器33的一输入端与滤波放大电路32的输出端连接、另一输入端与处理器2的另一输出端连接并对第一正弦波进行调幅，功率放大电路34与模拟乘法器33的输出端连接、对模拟乘法器33输出的信号进行功率放大。

本实施例中，信号生成及放大单元3还包括阻抗匹配电路35，阻抗匹配电路35与功率放大电路34的输出端连接、用于接收并对功率放大电路输出的信号进行阻抗匹配，阻抗匹配电路35的输出端与超声换能器4的输入端连接。

本实施例中，超声驱动系统还包括DAC21，模拟乘法器33的另一输入端与DAC21的输出端连接。本实施例中，ADC22和DAC21设置在处理器2的内部。当然，在本实施例的另外一些情况下，ADC22和DAC21也可以设置成位于处理器2之外的独立模块。

具体来讲，本实施例中，信号生成电路31采用DDS（Direct Digital Synthesizer）技术生成可调频调相的正弦波。信号生成电路31包括DDS寄存器，将所需频率值通过处理器2移入DDS寄存器（图中未示出）即可产生相应频率的正弦信号（正弦波），经过滤波放大处理后得到的第一正弦波接入模拟乘法器33的一个输入端，模拟乘法器33的另一输入端与处理器2内部集成的12位DAC21的输出端连接，第一正弦波经过模拟乘法器33以后可由处理器2实现对第一正弦波进行调幅；所以模拟乘法器33输出的第二正弦波可由处理器2实现调频、调相、调幅。模拟乘法器33输出的第二正弦波经过功率放大电路34进行功率放大后加载到超声换能器4的两端进行驱动。

反馈单元5对超声换能器4两端的电压信号及流过超声换能器4两端的电流信号进行滤波、放大、整形后采集。当驱动超声换能器4时，其谐振点频率及阻抗在不断变化，本实施例中，反馈单元5包括谐振频率点跟踪模块52和谐振点阻抗采集模块53。其中，由于超声换能器4工作在谐振点时其电流及电压相位差为0，因此，本实施例中的谐振点频率跟踪模块52采用锁相方式实现，具体方法是：超声换能器4工作时从超声换能器4反馈的电流及电压信号经过滤波、放大及整形后得到相应的两路方波信号(电流方波和电压方波信号)，两路方波经过D触发器得出两路信号的相位差方向信号（相位差信号），将此相位差方向信号送入处理器2，处理器2通过方向信号实时调整输出频率即可快速将其相位差锁定为0，保证超声换能器4一直工作在谐振频率点，相比目前采用的电流最大法进行的频率跟踪其跟踪速度及转换效率得到了明显提高。

谐振点阻抗是通过对超声换能器4两端的电压信号及流过超声换能器4两端的电流信号进行滤波、放大及真有效值变化后采集计算获得。超声换能器4工作时通过采集谐振点阻抗实时调整加载在超声换能器4两端的电压实现对超声换能器4的恒功率驱动。在高速焊线机中恒功率控制可以很好地保证焊点的一致性。

总之，在本实施例中，反馈单元5是对超声换能器4两端的电压和流过换能器的电流信号进行采样，经滤波放大后分成两个功能，第一是对两路信号进行真有效值变换输入到处理器内部12位高速ADC22进行采集，处理器2获得电流、电压值之后可实现对超声换能器4的阻抗、谐振频率的计算。第二是对两路信号进行整形，并经过D触发器实现对两路信号相位差方向的获取，用于焊线时做频率跟踪。本实施例中的超声驱动系统具有阻抗跟踪功能，可以保证输出超声能量的一致性、稳定性，提高了能量的转换效率、延长了超声换能器4的使用寿命；更重要的是可以应用在超声驱动的各个领域。

总之，在本实施例中，为了克服超声转换效率低、超声能量稳定性差、换能器使用寿命低等不足，本实施例中的超声驱动系统带有阻抗跟踪功能，该系统不仅提高了超声换能器的转换效率和使用寿命，且超声能量稳定性相比目前更好。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种超声驱动系统，其特征在于，包括通信单元，与所述通信单元双向连接并通过所述通信单元与上位机进行通信的处理器，与所述处理器的一个输出端连接、用于产生正弦波并对所述正弦波依次进行调幅及功率放大的信号生成及放大单元，与所述信号生成及放大单元的输出端连接、用于接收所述信号生成及放大单元输出的信号的超声换能器，以及与所述超声换能器连接、用于对所述超声换能器的电压和电流信号进行采样并对所述电压和电流信号处理后发送到所述处理器的反馈单元；所述反馈单元包括对所述电压和电流信号进行滤波放大并得到第一电压和第一电流的采样放大电路，以及与所述采样放大电路连接、用于获取所述第一电压和第一电流的相位差信号的谐振频率点跟踪模块，所述处理器接收所述相位差信号并相应调整所述正弦波的频率以使所述电压和电流信号同相位。

2.根据权利要求1所述的超声驱动系统，其特征在于，所述反馈单元还包括与所述采样放大电路连接、对所述第一电压和第一电流进行处理并得到谐振点阻抗的谐振点阻抗采集模块，所述处理器依据所述谐振点阻抗调整所述超声换能器两端的电压。

3.根据权利要求2所述的超声驱动系统，其特征在于，所述谐振频率点跟踪模块包括分别对所述第一电压和第一电流整形并得到电压方波信号和电流方波信号的两路比较整形电路，以及与所述两路比较整形电路连接、对所述电压方波信号和电流方波信号进行处理得到相位差信号的相位差电路，所述相位差电路的输出端与所述处理器的一输入端连接。

4.根据权利要求3所述的超声驱动系统，其特征在于，所述相位差电路包括D触发器。

5.根据权利要求3所述的超声驱动系统，其特征在于，所述谐振点阻抗采集模块包括对所述第一电压和第一电流进行真有效值变换并得到第二电压和第二电流的两路真有效值变换电路，以及与所述两路真有效值变换电路连接、并对所述第二电压和第二电流进行滤波放大的两路滤波放大电路，所述处理器依据所述两路滤波放大电路输出的信号得到谐振点频率和所述谐振点阻抗。

6.根据权利要求5所述的超声驱动系统，其特征在于，所述超声驱动系统包括ADC，所述两路滤波放大电路的输出端与所述ADC的输入端连接。

7.根据权利要求6所述的超声驱动系统，其特征在于，所述信号生成及放大单元包括用于产生正弦波的信号生成电路，与所述信号生成电路的输出端连接、用于接收并对所述正弦波进行滤波放大并得到第一正弦波的滤波放大电路，其一输入端与所述滤波放大电路的输出端连接、另一输入端与所述处理器的另一输出端连接并对所述第一正弦波进行调幅的模拟乘法器，与所述模拟乘法器的输出端连接、对所述模拟乘法器输出的信号进行功率放大的功率放大电路。

8.根据权利要求7所述的超声驱动系统，其特征在于，所述信号生成及放大单元还包括与所述功率放大电路的输出端连接、用于接收并对所述功率放大电路输出的信号进行阻抗匹配的阻抗匹配电路，所述阻抗匹配电路的输出端与所述超声换能器的输入端连接。

9.根据权利要求8所述的超声驱动系统，其特征在于，所述超声驱动系统还包括DAC，所述模拟乘法器的另一输入端与所述DAC的输出端连接。

10.根据权利要求9所述的超声驱动系统，其特征在于，所述ADC和DAC设置在所述处理器的内部。