CN205620737U - 基于单片机控制的超声电源自动频率跟踪系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于单片机控制的超声电源自动频率跟踪系统，包括依次闭合式环形连接的单片机、信号发生器、推挽逆变器、检测电路、放大电路、滤波电路、调理电路和A/D转换器，以单片机作为测控系统，检测各个电参数值，分析判断是否跟踪到最大谐振点，并进一步计算出控制量，将控制量输出到执行器，调节输出频率数值，实现频率跟踪。本实用新型克服传统自动频率跟踪方式无法跟踪到具有多谐振峰值现象的压电换能器的最大谐振点的缺点，其引入单片机根据检测到的各个电参数值来分析判断，并进一步计算出控制量，将控制量输出到执行器，调节输出频率数值，实现对超声波焊接电源频率的多峰值谐振最大谐振点跟踪，确保焊接过程中振幅保持在谐振状态，提高焊接质量。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种超声波焊接电源的控制系统，具体涉及一种基于单片机控制的超声电源自动频率跟踪系统。
背景技术
超声波焊接过程中，由于焊接负载、工具头磨损以及振动系统的温度、刚度等各种因素，易使得系统固有频率发生漂移，从而导致振幅脱离谐振状态，如果发生器频率不跟随变化，将造成整个系统的失调，影响到焊接质量，无法达到焊接要求。
中国专利文献号CN203224479U于2013年10月2日公开了一种基于单片机的超声波检测装置，具体公开了包括包括发射电路、探头、限幅电路、放大电路、滤波电路、A/D转换器、单片机、通信接口电路、液晶显示屏和数据存储器，所述发射电路的信号输入端与所述单片机的信号输出端连接，所述探头的信号输出端与所述限幅电路的信号输入端连接，所述限幅电路的信号输出端与所述放大电路的信号输入端连接，所述放大电路的信号输出端与所述滤波电路的信号输入端连接，所述滤波电路的信号输出端与所述A/D转换器的信号输入端连接，所述A/D转换器的信号输出端与所述单片机的信号输入端连接，所述单片机的数据端口与所述通信接口电路和所述数据存储器的数据端口连接，所述单片机的信号输出端与所述液晶显示屏的信号输入端连接。该结构的系统固有频率容易发生漂移和/或失调，严重影响焊接质量。
因此，有必要做进一步改进。
实用新型内容
本实用新型的目的旨在提供一种结构简单合理、能够快速、准确跟踪频率、有效提高焊接质量的基于单片机控制的超声电源自动频率跟踪系统，以克服现有技术中的不足之处。
按此目的设计的一种基于单片机控制的超声电源自动频率跟踪系统，包括信号发生器、检测电路、放大电路、滤波电路、调理电路和A/D转换器；其特征在于：还包括单片机，所述信号发生器与检测电路之间连接推挽逆变器，环形连接的单片机、信号发生器、推挽逆变器、检测电路、放大电路、滤波电路、调理电路和A/D转换器分别依次闭合式环形连接，以单片机作为测控系统，检测各个电参数值，分析判断是否跟踪到最大谐振点，并进一步计算出控制量，将控制量输出到执行器，调节输出频率数值，实现频率跟踪。
所述单片机包括MCS-51CPU、EPROM27C256、SRAM62256、8279芯片、8155芯片；其中，EPROM27C256预先装载编制的程序、显示编码表和标度变换常数等；SRAM62256用来暂存各种数据，其包括采样数据缓冲区、键盘缓冲区、显示缓冲区和浮点数运算缓冲区等；单片机通过采样电流有效值、比较电流电压相位大小及前后关系，根据不同情况立即进行中断程序，以执行不同的程序控制模块来及时跟踪超声焊接谐振频率。
所述信号发生器为数控正弦波信号发生电路，其包括数模转换器、压控方波信号发生器和正弦波变换器；其中，数模转换器采用8位DACO832转换器；压控方波发生器包括压频转换器LM331和D触发器二分频；正弦波变换器设有一个二阶滤波电路。信号发生器主要用于产生一个频率可根据数字量调节的方波，经过波形变换器转换成为正弦波，驱动功率开关晶体管BUSOSA工作。具体来讲，频率自动跟踪模块运算出电源工作频率的数字量信号，经过数模D/A转换成模拟电压信号，再通过压控方波环节，以及波形变换环节，最后形成一个频率与数字量成正比的正弦波信号。
所述检测电路采用电阻法即在电源输出两端并联大阻值近似理想纯电阻进行分压，形成与输出电压成正比的小信号电压，实现对超声系统输入电压的检测；在输出回路中串联一只阻值1Ω/120W的精密无感电阻，电阻两端的电压直接反映输出电流，实现对超声系统输入电流的检测。
所述放大电路根据电压和电流的特点分别采用比例放大电路和差动放大电路。
所述滤波电路由两个通用型集成运算放大器LM324构成。
所述调理电路包括相位差检测电路、真有效值转换电路和频/压转换电路；其中，相位差检测电路实现对电压电流相位差大小检测、测量并转换为成比例的直流信号，并且给出一个开关量S来表征电压超前或电流超前；真有效值转换电路为真有效值/直流转换器AD536AK芯片，用来获得测量电压电 流的有效值以表示信号大小；频/压转换电路包括压频转换器LM331和外围电子元件，同时在压频转换器LM331之前设置两个D触发器，对电压方波进行四分频，以满足量程要求。
所述A/D转换器为8位AD9281转换器，用于将模拟信号转换成数字信号。
本实用新型的有益效果：克服传统自动频率跟踪方式无法跟踪到具有多谐振峰值现象的压电换能器的最大谐振点的缺点，在现有频率跟踪控制系统上加以改进，引入单片机测控系统来实现这种改进，其主要任务就是根据检测到的各个电参数值来分析判断是否跟踪到最大谐振点，并进一步计算出控制量，将控制量输出到执行器，调节输出频率数值，快速、准确地实现频率跟踪，以实现对超声波焊接电源频率的多峰值谐振最大谐振点跟踪，确保焊接过程中振幅保持在谐振状态，提高焊接质量。
附图说明
图1是本实用新型一实施例中超声波焊接电源的电路结构框图。
图2是本实用新型一实施例中超声电源自动频率跟踪系统的控制示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本实用新型做进一步地说明。
参见图1，本实施例涉及的超声波焊接电源的电路主要由交流整流滤波电路、推挽逆变器和高频变压器三个部分组成。整流滤波电路用于将220V单相交流电转换成额定功率的直流电压电流，为推挽逆变器内的功率晶体管Bu508A供电；推挽逆变器用于产生换能器谐振超声频交流电及其频率的调整；高频变压器主要用于电压变换、功率传输、输出隔离以及与匹配电路一起完成换能器阻抗匹配等。
参见图2，本基于单片机控制的超声电源自动频率跟踪系统，包括依次闭合式环形连接的单片机、信号发生器、推挽逆变器、检测电路、放大电路、滤波电路、调理电路和A/D转换器；以单片机作为测控系统，检测各个电参数值，分析判断是否跟踪到最大谐振点，并进一步计算出控制量，将控制量输出到执行器，调节输出频率数值，实现频率跟踪。
进一步说，所述单片机包括MCS-51CPU、EPROM27C256、SRAM62256、8279 芯片、8155芯片；其中，EPROM27C256预先装载编制的程序、显示编码表和标度变换常数等；SRAM62256用来暂存各种数据，其包括采样数据缓冲区、键盘缓冲区、显示缓冲区和浮点数运算缓冲区等；单片机通过采样电流有效值、比较电流电压相位大小及前后关系，根据不同情况立即进行中断程序，以执行不同的程序控制模块来及时跟踪超声焊接谐振频率。
进一步说，所述信号发生器为数控正弦波信号发生电路，其包括数模转换器、压控方波信号发生器和正弦波变换器；其中，数模转换器采用8位DACO832转换器；压控方波发生器包括压频转换器LM331和D触发器二分频；正弦波变换器设有一个二阶滤波电路。信号发生器主要用于产生一个频率可根据数字量调节的方波，经过正弦波变换器转换成为正弦波，驱动功率开关晶体管BUSOSA工作。具体来讲，频率自动跟踪模块运算出电源工作频率的数字量信号，经过数模D/A转换成模拟电压信号，再通过压控方波环节，以及波形变换环节，最后形成一个频率与数字量成正比的正弦波信号，进而驱动推挽逆变器工作，完成焊接电源频率的自动跟踪控制功能。
进一步说，所述检测电路采用电阻法即在电源输出两端并联大阻值近似理想纯电阻进行分压，形成与输出电压成正比的小信号电压，实现对超声系统输入电压的检测；在输出回路中串联一只阻值1Ω/120W的精密无感电阻，电阻两端的电压直接反映输出电流，实现对超声系统输入电流的检测。
进一步说，所述放大电路根据电压和电流的特点分别采用比例放大电路和差动放大电路。
采用比例放大电路和差动放大电路对测得的电压与电流值进行放大，以便于后续电路处理，放大得到的电压与电流信号由带通滤波器剔除干扰信号，改善信号波形。
进一步说，所述滤波电路由两个通用型集成运算放大器LM324构成。
进一步说，所述调理电路包括相位差检测电路、真有效值转换电路和频/压转换电路；其中，相位差检测电路实现对电压电流相位差大小检测、测量并转换为成比例的直流信号，并且给出一个开关量S来表征电压超前或电流超前；真有效值转换电路为AD公司的真有效值/直流转换器AD536AK芯片，用来获得测量电压电流的有效值以表示信号大小；频/压转换电路包括压频转换器LM331和外围电子元件，同时在压频转换器LM331之前设置两个D触发器，对电压方波进行四分频，以满足量程要求。
滤波电路处理后的相关信号输入调理电路，首先经相位检测电路得到直 流信号，并且给出一个开关量S来表征电压超前或电流超前；其次真有效值转换电路上的真有效值转换电路获取测量电压电流的有效值来代表信号大小；最后信号经频/压转换电路将输入的方波频率信号转换成一定的直流电压值。
进一步说，所述A/D转换器为8位AD9281转换器，用于将模拟信号转换成数字信号。处理后的信号由A/D转换器器处理后输入单片机，单片机则不断地进行比较采样电流有效值，电流电压相位大小及前后关系，根据不同情况立即进行中断程序，以执行不同的程序控制模块来及时跟踪超声焊接谐振频率。
上述为本实用新型的优选方案，显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本领域的技术人员应该了解本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下,本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (7)
1.一种基于单片机控制的超声电源自动频率跟踪系统，包括信号发生器、检测电路、放大电路、滤波电路、调理电路和A/D转换器；其特征在于：还包括单片机，所述信号发生器与检测电路之间连接推挽逆变器，环形连接的单片机、信号发生器、推挽逆变器、检测电路、放大电路、滤波电路、调理电路和A/D转换器分别依次闭合式环形连接，以单片机作为测控系统，检测各个电参数值，分析判断是否跟踪到最大谐振点，并进一步计算出控制量，将控制量输出到执行器，调节输出频率数值，实现频率跟踪。
2.根据权利要求1所述基于单片机控制的超声电源自动频率跟踪系统，其特征在于：所述单片机包括MCS-51CPU、EPROM27C256、SRAM62256、8279芯片、8155芯片；其中，EPROM27C256预先装载编制的程序、显示编码表和标度变换常数，SRAM62256包括采样数据缓冲区、键盘缓冲区、显示缓冲区和浮点数运算缓冲区。
3.根据权利要求2所述基于单片机控制的超声电源自动频率跟踪系统，其特征在于：所述信号发生器为数控正弦波信号发生电路，其包括数模转换器、压控方波信号发生器和正弦波变换器；其中，数模转换器采用8位DACO832转换器，压控方波发生器包括压频转换器LM331和D触发器二分频，正弦波变换器设有一个二阶滤波电路。
4.根据权利要求3所述基于单片机控制的超声电源自动频率跟踪系统，其特征在于：所述放大电路根据电压和电流的特点分别采用比例放大电路和差动放大电路。
5.根据权利要求4所述基于单片机控制的超声电源自动频率跟踪系统，其特征在于：所述滤波电路由两个通用型集成运算放大器LM324构成。
6.根据权利要求5所述基于单片机控制的超声电源自动频率跟踪系统，其特征在于：所述调理电路包括相位差检测电路、真有效值转换电路和频/压转换电路；其中，真有效值转换电路为真有效值/直流转换器AD536AK芯片，频/压转换电路包括压频转换器LM331和外围电子元件，压频转换器LM331连接有两个D触发器。
7.根据权利要求6所述基于单片机控制的超声电源自动频率跟踪系统，其特征在于：所述A/D转换器为8位AD9281转换器。
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