CN207910698U - 一种超声波电源电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超声波电源电路，包括功率变换模块、驱动控制与显示模块以及采样与保护模块；采样与保护模块对超声波换能器的电压和电流实时进行采样；驱动控制与显示模块对采样信号进行处理得到超声波换能器实时的输出功率以及振动频率，并发送到功率变换模块；功率变换模块对超声波电源的输出电压实时进行控制，将超声波换能器的输出功率调整为恒定状态；功率变换模块对接收到的振动频率实时进行补偿与修正，使超声波换能器保持工作在谐振状态。本实用新型对超声波电源输出电压进行控制，将超声波换能器输出功率调整为恒定状态；对其振动频率实时进行补偿与修正，使其保持工作在谐振状态，保证了超声波加工或者焊接的可靠性及稳定性。

Description

一种超声波电源电路

技术领域

本实用新型涉及超声波电源技术领域，具体涉及一种超声波电源电路。

背景技术

超声波电源又称超声波驱动电源或超声波发生器，它是一种用以产生并向超声波换能器提供超声频电能的装置。由于超声波具有很好的方向性，穿透能力强，易于获得较集中的声能，因此，在加工、焊接和清洗等领域应用较广泛。

当前的超声波电源普遍存在着输出功率不可调、输出功率受限以及频宽受限等情况，而且当负载发生变化的时候不能恒定输出功率，这对超声波换能器的工作性能大打折扣，特别是在超声波加工或者焊接的时候，对功率恒定的要求非常高，直接影响到加工或焊接的效果。而且，对超声波换能器的振动频率也不能实时跟踪和反馈，使超声波换能器不能一直工作在谐振状态，导致其功率损耗严重。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是现有的超声波电源的输出功率不可调、输出功率受限以及频宽受限，影响超声波换能器的工作性能，而且无法实时跟踪和反馈超声波换能器的振动频率，导致超声波换能器不能一直工作在谐振状态，功率损耗严重。

为了解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是提供一种超声波电源电路，包括功率变换模块、驱动控制与显示模块以及采样与保护模块；所述采样与保护模块对超声波换能器的电压和电流实时进行采样并发送到所述驱动控制与显示模块；所述驱动控制与显示模块对接收到的采样信号进行处理得到超声波换能器实时的输出功率以及振动频率，并发送到所述功率变换模块；

所述功率变换模块根据接收到的超声波换能器的输出功率，对超声波电源的输出电压实时进行控制，将超声波换能器的输出功率调整为恒定状态；所述功率变换模块对接收到的超声波换能器的振动频率，实时进行补偿与修正，使超声波换能器保持工作在谐振状态。

优选地，所述功率变换模块包括单相全桥可控整流单元、滤波器、IGBT高频全桥逆变单元以及网络匹配单元，经过单相全桥可控整流单元的直流通过滤波器滤波得到稳定的直流，IGBT高频全桥逆变单元对稳定的直流进行处理得到所需要的超声频率的方波，再通过网络匹配单元与超声波换能器进行匹配，以满足超声波电源与超声波换能器之间的功率及谐振匹配。

优选地，所述功率变换模块还包括保护电路RCD以及设置在网络匹配单元与超声波换能器之间的波形变换单元，所述保护电路RCD对IGBT高频全桥逆变单元进行保护；所述波形变换单元将方波变换成弦波。

优选地，所述驱动控制与显示模块包括隔离型DAC、IGBT驱动放大单元和DSP控制器；

所述DSP控制器发出的不同电平控制信号经过隔离型DAC输出稳压，用来控制所述单相全桥可控整流单元的输出电压大小；

所述DSP控制器发出的PWM波经过IGBT驱动放大单元放大后，用来控制所述IGBT高频全桥逆变单元的IGBT开通与关断；其中，所述DSP控制器发出的PWM波的频率通过采样与保护模块采样处理后计算得到。

优选地，所述驱动控制与显示模块还包括PC通讯单元、人机交互单元和报警指示灯，所述DSP控制器通过PC通讯单元实现与PC的通讯；通过人机交互单元实现人机交互的功能；当电路故障时，点亮报警指示灯向操作人员发送报警信号。

优选地，所述采样与保护模块包括高频电压或电流采样跟踪单元和真有效值转换器，高频电压或电流采样跟踪单元对超声波换能器的电压和电流实时进行采样，并将采样信号发送到真有效值转换器进行转换，将获取到的超声波换能器的输出功率大小输入到DSP控制器。

优选地，所述采样与保护模块还包括电路保护单元和鉴相器，所述电路保护单元根据真有效值转换器的转换结果判断电路是否正常工作并进行相应保护；鉴相器对采样信号进行分析处理，判断超声波换能器的电压与电流是否同相位，并将结果反馈给DSP控制器以控制PWM波的发送。

优选地，还包括为所述驱动控制与显示模块以及采样与保护模块供电的辅助电源模块，所述辅助电源模块包括整流滤波单元和反激式变压器，所述整流滤波单元对市电进行整流滤波后发送到所述反激式变压器；所述反激式变压器采用多路输出，为所述隔离型DAC、DSP控制器、IGBT驱动放大单元、人机交互单元、真有效值转换器、鉴相器以及高频电压或电流采样跟踪单元进行供电。

本实用新型提供的超声波电源电路通过采样得到的超声波换能器的电压与电流，对采样信号进行处理得到超声波换能器实时的输出功率以及振动频率，对超声波电源的输出电压实时进行控制，将超声波换能器的输出功率调整为恒定状态；对接收到的超声波换能器的振动频率，实时进行补偿与修正，使超声波换能器保持工作在谐振状态，从而保证了超声波加工或者焊接的可靠性及稳定性。

附图说明

图1为本实用新型中超声波电源电路的框架结构示意图；

图2为本实用新型中IGBT全桥逆变电路原理图；

图3为本实用新型中IGBT驱动放大电路原理图；

图4为本实用新型中鉴相器电路原理图。

具体实施方式

为了解决现有的超声波电源的输出功率不可调、输出功率受限以及频宽受限，无法实时跟踪和反馈超声波换能器的振动频率，导致超声波换能器不能一直工作在谐振状态，使其功率损耗严重的问题。

本实用新型实施例提出了一种超声波电源电路，能够根据需要调整超声波电源的输出功率，并且在工作过程中还可以满足功率恒定，使得超声波电源的输出功率恒定，振幅稳定，并且能够对超声波换能器的输出功率以及振动频率进行实时跟踪和反馈，对超声波电源的输出电压实时进行控制，将超声波换能器的输出功率调整为恒定状态；对接收到的超声波换能器的振动频率，实时进行补偿与修正，保证超声波换能器保持工作在谐振状态，从而提高超声波电源的工作性能，实现输出功率可调、恒功率和振幅稳定，具有高效、高稳定性等优点。

下面结合说明书附图和具体实施方式对本实用新型做出详细的说明。

本实用新型实施例提供了一种超声波电源电路，如图1所示，包括功率变换模块1、驱动控制与显示模块2以及采样与保护模块4，所述采样与保护模块4对超声波换能器的电压和电流实时进行采样并发送到所述驱动控制与显示模块2；所述驱动控制与显示模块2对接收到的采样信号进行处理得到超声波换能器实时的输出功率以及振动频率，并发送到所述功率变换模块1；所述功率变换模块1根据接收到的超声波换能器的输出功率，对超声波电源的输出电压实时进行控制，将超声波换能器的输出功率调整为恒定状态；所述功率变换模块1对接收到的超声波换能器的振动频率，实时进行补偿与修正，使超声波换能器保持工作在谐振状态。

功率变换模块1包括单相全桥可控整流单元10、滤波器11、IGBT高频全桥逆变单元12、保护电路RCD13、网络匹配单元14以及波形变换单元15，经过单相全桥可控整流单元10的直流通过滤波器11滤波得到稳定的直流，IGBT高频全桥逆变单元12对稳定的直流进行处理得到所需要的超声频率的方波，再通过网络匹配单元14与超声波换能器进行匹配，以满足超声波电源与超声波换能器之间的功率及谐振匹配。功率变换模块1还包括保护电路RCD13以及设置在网络匹配单元14与超声波换能器之间的波形变换单元15，所述保护电路RCD13对IGBT高频全桥逆变单元12进行保护；所述波形变换单元15将方波变换成弦波，以减少电压在交变过程中对超声波换能器振动稳定性的影响。

驱动控制与显示模块2包括隔离型DAC 20、IGBT驱动放大单元21、DSP控制器22、PC通讯单元23、人机交互单元24和报警指示灯25，所述DSP控制器22发出的不同电平控制信号经过隔离型DAC 20输出稳压，用来控制所述单相全桥可控整流单元10的输出电压大小，以满足不同功率以及恒功率的需求；所述DSP控制器22发出的PWM波经过IGBT驱动放大单元21放大后，用来控制所述IGBT高频全桥逆变单元12的IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)开通与关断；其中，所述DSP控制器22发出的PWM波的频率通过采样与保护模块4采样处理后计算得到，可以实现工作频率即为超声波换能器的谐振频率。所述DSP控制器22通过PC通讯单元23实现与PC的通讯；通过人机交互单元24实现人机交互的功能，该人机交互单元24采用触摸屏进行显示，可通过修改触摸屏上的参数调整搜频范围，增大频宽；当电路故障时，点亮报警指示灯25向操作人员发送报警信号。

所述采样与保护模块4包括电路保护单元41、鉴相器42、高频电压或电流采样跟踪单元43和真有效值转换器40，高频电压或电流采样跟踪单元43对超声波换能器的电压和电流实时进行采样，并将采样信号发送到真有效值转换器40进行转换，将获取到的超声波换能器的输出功率大小输入到DSP控制器22，实现对超声波换能器输出功率的实时跟踪以及功率恒定的控制，保证超声波换能器工作在谐振状态。电路保护单元41根据真有效值转换器40的转换结果判断电路是否正常工作，从而对整个超声波电源的硬件进行保护，防止出现过流等情况烧毁或击穿元器件；鉴相器42对采样信号进行分析处理，对超声波换能器的电压和电流的相位进行采集，判断超声波换能器的电压与电流是否同相位，并将结果反馈给DSP控制器22以控制PWM波的发送，保证超声波换能器工作在谐振状态，从而提高超声波换能器的工作性能。

本实用新型的超声波电源电路还包括为所述驱动控制与显示模块2以及采样与保护模块4供电的辅助电源模块3，所述辅助电源模块3包括整流滤波单元30和反激式变压器31，所述整流滤波单元30对市电进行整流滤波后发送到所述反激式变压器31；所述反激式变压器31可以减小体积，且可以多路输出，为所述隔离型DAC 20、DSP控制器22、IGBT驱动放大单元21、人机交互单元24、真有效值转换器40、鉴相器42以及高频电压或电流采样跟踪单元43等部分进行供电。

下面对本实用新型实施例的超声波电源电路进行详细介绍。

本实用新型的超声波电源电路采用交流市电，因此对应用的场合没有太多的限制，应用广泛。通电后，先通过电网滤波器，用于滤除电网对本电源的干扰，通过电网滤波器后分两路分别为功率部分与辅助电源部分供电。

首先，市电通过整流滤波后到反激式开关电源，将市电处理后得到5V、±12V、24V等多路不相互影响的弱电，为触摸屏、DSP、驱动芯片等芯片及模块提供电源。

触摸屏可以显示频率、功率等信息，并可以对其进行操作，实现人机交互的功能，其对信号的处理则是在DSP控制器内完成，DSP是整个电源的核心控制部件，不仅可以与显示屏通讯，还可以与PC通讯，给出报警指示灯报警信号，还可以发出PWM波及全控整流模块所需要的控制电压(发送数字信号后通过DAC芯片实现转换得到所需电压)，还可以接受采样反馈回来的相位差及有效值等信号，实现对整个电源的实时监控及控制。其中DAC控制信号需要通过隔离之后才能接到单相全控整流模块上，这样可以防止功率电路中的强电对控制电路的弱电产生干扰，使得主程序发生错误或DAC及DSP芯片被烧毁。

通过电网滤波器出来的市电还会经过单相全桥可控整流模块，全控整流模块出来则是是带有很多交流成分的直流，因此需要先进行滤波然后才能逆变，本电源的逆变采用的是IGBT高频H桥逆变，如图2所示。由于IGBT在开关的瞬间会出现尖峰电压和过电流。因此，如果不对此进行处理的话很容易就会出现IGBT被击穿的现象，故而在本实用新型中采用了如图2所示的利用电阻R7、R8、R9、R10，电容CBB1、CBB2、CBB3、CBB4及快恢复二极管D3，D4，D5，D6来分别对Q1，Q2，Q3，Q4四个IGBT来进行保护，4个IGBT的控制端，即1引脚还设有驱动电阻与稳压管以限制电流和电压，保证IGBT的稳定工作。

而IGBT开通关闭所需要的PWM信号是通过DSP芯片直接给出，但DSP给出的信号大小有限，无法驱动IGBT的开通，因此需要对PWM信号进行放大与隔离，以提高驱动能力和进行隔离的作用，如图3所示的IGBT驱动放大电路原理图，4路PWM信号先通过U4芯片来对信号进行缓存，可以保证信号发出一致性，而图3中U1是一个拨码开关，可以通过DSP直接给信号控制U4通断也可以通过U1拨码开关手动控制U4的通断，而U2和U5是两个隔离芯片，可以对PWM信号进行前后隔离，保证后面的大功率电路不会对前面的控制电路产生影响，防止出现强电影响控制电路出现死机或烧坏的现象。对于隔离出来的信号还需要通过一个驱动芯片才能给到IGBT，图3中的U3与U6就是两个驱动芯片，一个驱动芯片可以处理两路PWM波，驱动芯片可以提高PWM波的驱动能力。

为了防止PWM波出现错误使得IGBT开通出现混乱，导致电路短路被烧毁，所以在驱动芯片之前还需要对4路PWM波通过U7芯片进行判断，当判断出PWM错误的时候U7芯片的6引脚就会发信号给入到U3和U6两个驱动芯片，阻止PWM信号继续发出，以对电路起到保护的作用。

H桥逆变出来就是所需要的高频率的交流电。然后通过匹配网络后就可以直接给入到换能器，但是此时的交流电是方波，由于方波的电压在交换的时候电流会出现很高频的抖动，因此在本实用新型中还进行了波形变换，波形变换时为了把方波变换成正弦波，这样电流才更稳定，换能器也才能更稳定的工作。

由于需要对换能器的工作状态及功率进行实时控制及跟踪，因此本实用新型在接入换能器的时候对其高频电压和电流进行了采样跟踪。然后将采样到的信号分别进行了两种处理，一种是有效值的转换，因为采样信号是与实际信号相同的等比例的交流信号，因此需要对其进行有效值转换，一方面是为了计算功率的大小，另一方面是可以根据电流有效值的大小去判断换能器的工作状态，这是对换能器工作状态的一种检测。另外一种处理是进行相位的鉴定，将采样信号通过过零比较后转到鉴相器，如图4所示的鉴相器电路。过零比较后的方波经过异或门芯片U8、U12后得到电压与电流的相位差大小，芯片U10为一个触发器，可以用来判断电流和电压哪个超前，然后通过Q引脚表示出去，U10的输出信号与U8、U12异或信号通过与门芯片U9、U11就可以得到所需要的相位差信号，再将信号传递给DSP控制器就可以起到实时跟踪的效果，保证换能器一直工作在谐振状态，提高了加工性能或焊接性能。

有效值转换出来的结果还可以通过欠、过压/流进行保护，当出现欠电压/流得时候则表明工作处于无效状态，属于不正常现象，因此会给到DSP控制器一个报警信号，出现报警。同样当出现过电压/流的时候，同样为了保护电路和保证加工及焊接等稳定也会给出报警信号给DSP控制器。另外温度保护则是通过温度传感器采集到的信号，当温度过高时就会出现报警以保证电源能够一直处于正常工作状态。

使用时将换能器接入到本电源后，打开电源开关，然后通过搜频过程，即采样的相位差有效值通过计算处理找到该换能器的谐振点，完成搜频工作后就以该谐振点的频率发出相应的频率的PWM波使换能器开始工作，工作过程中采用还会继续，这是为了保证在外界环境发生变化时，如负载或环境温度改变导致换能器谐振点发生偏移，此时就可以通过采用对频率进行跟踪，以保证换能器一直处于最佳的谐振状态，使得换能器能够稳定高效的工作。

本实用新型提供的超声波电源电路通过采样得到的超声波换能器的电压与电流，根据真有效值转换后可以得到超声波发生器实时的输出功率，然后通过单相全桥可控整流模块控制超声波电源的输出电压，来实时控制超声波电源的输出功率，使得超声波换能器得到的功率为恒定的，保证了超声波加工或者焊接的可靠性及稳定性。

另外通过鉴相器对采样得到的电压与电流的相位进行识别与处理，并反馈给DSP控制器，可以有效地对当前频率进行实时跟踪与控制，DSP控制器对得到的信号进行判断并实时调整PWM波的输出，直到电压与电流同相位，这样就可以保证超声波换能器一直工作在谐振状态，即振幅最大，效率最高，性能最佳的状态。

本实用新型具有以下优点：

1、采用单相全桥可控整流模块，以满足不同功率以及恒功率的需求；

2、RCD过压过流电路对IGBT进行保护；

3、通过波形变换以提高换能器振动稳定性；

4、利用DSP进行反馈控制，实现频率跟踪，提高工作可靠性及效率；

5、人机交互，对各参数进行相应修改，提高使用范围；

6、通过鉴相器电路实现相位差反馈。

在本实用新型中，如应用于处于旋转的超声波换能器，则在电源与超声波换能器之间可以采用旋转变压器，但是在使用时需要在中间加上匹配电容。

本实用新型不局限于上述最佳实施方式，任何人在本实用新型的启示下作出的结构变化，凡是与本实用新型具有相同或相近的技术方案，均落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种超声波电源电路，其特征在于，包括功率变换模块、驱动控制与显示模块以及采样与保护模块；所述采样与保护模块对超声波换能器的电压和电流实时进行采样并发送到所述驱动控制与显示模块；所述驱动控制与显示模块对接收到的采样信号进行处理得到超声波换能器实时的输出功率以及振动频率，并发送到所述功率变换模块；

所述功率变换模块根据接收到的超声波换能器的输出功率，对超声波电源的输出电压实时进行控制，将超声波换能器的输出功率调整为恒定状态；所述功率变换模块对接收到的超声波换能器的振动频率，实时进行补偿与修正，使超声波换能器保持工作在谐振状态。

2.如权利要求1所述的超声波电源电路，其特征在于，所述功率变换模块包括单相全桥可控整流单元、滤波器、IGBT高频全桥逆变单元以及网络匹配单元，经过单相全桥可控整流单元的直流通过滤波器滤波得到稳定的直流，IGBT高频全桥逆变单元对稳定的直流进行处理得到所需要的超声频率的方波，再通过网络匹配单元与超声波换能器进行匹配，以满足超声波电源与超声波换能器之间的功率及谐振匹配。

3.如权利要求2所述的超声波电源电路，其特征在于，所述功率变换模块还包括保护电路RCD以及设置在网络匹配单元与超声波换能器之间的波形变换单元，所述保护电路RCD对IGBT高频全桥逆变单元进行保护；所述波形变换单元将方波变换成弦波。

4.如权利要求2所述的超声波电源电路，其特征在于，所述驱动控制与显示模块包括隔离型DAC、IGBT驱动放大单元和DSP控制器；

所述DSP控制器发出的不同电平控制信号经过隔离型DAC输出稳压，用来控制所述单相全桥可控整流单元的输出电压大小；

所述DSP控制器发出的PWM波经过IGBT驱动放大单元放大后，用来控制所述IGBT高频全桥逆变单元的IGBT开通与关断；其中，所述DSP控制器发出的PWM波的频率通过采样与保护模块采样处理后计算得到。

5.如权利要求4所述的超声波电源电路，其特征在于，所述驱动控制与显示模块还包括PC通讯单元、人机交互单元和报警指示灯，所述DSP控制器通过PC通讯单元实现与PC的通讯；通过人机交互单元实现人机交互的功能；当电路故障时，点亮报警指示灯向操作人员发送报警信号。

6.如权利要求5所述的超声波电源电路，其特征在于，所述采样与保护模块包括高频电压或电流采样跟踪单元和真有效值转换器，高频电压或电流采样跟踪单元对超声波换能器的电压和电流实时进行采样，并将采样信号发送到真有效值转换器进行转换，将获取到的超声波换能器的输出功率大小输入到DSP控制器。

7.如权利要求6所述的超声波电源电路，其特征在于，所述采样与保护模块还包括电路保护单元和鉴相器，所述电路保护单元根据真有效值转换器的转换结果判断电路是否正常工作并进行相应保护；鉴相器对采样信号进行分析处理，判断超声波换能器的电压与电流是否同相位，并将结果反馈给DSP控制器以控制PWM波的发送。

8.如权利要求7所述的超声波电源电路，其特征在于，还包括为所述驱动控制与显示模块以及采样与保护模块供电的辅助电源模块，所述辅助电源模块包括整流滤波单元和反激式变压器，所述整流滤波单元对市电进行整流滤波后发送到所述反激式变压器；所述反激式变压器采用多路输出，为所述隔离型DAC、DSP控制器、IGBT驱动放大单元、人机交互单元、真有效值转换器、鉴相器以及高频电压或电流采样跟踪单元进行供电。