數字式大功率多用途超聲波電源系統的製作方法

2023-05-10 23:40:36 3

專利名稱：：數字式大功率多用途超聲波電源系統的製作方法
技術領域：
：本實用新型涉及超聲波電源
技術領域：
，特別是一種數字式大功率多用途的超聲波電源系統。
背景技術：
：在現有技術中，超聲波電源可以說五花八門，多種多樣。面市的超聲波電源有純模擬電路的，有模擬與數字混合電路的；有自激式電路的，也有它激式電路的。目前，一種超聲波電源不可能通用於多種超聲波換能器組合的負載設備，例如超聲波清洗機的電源就不能通用於超聲波焊接機的電源，其原因就是超聲波的頻率源的頻寬及其解析度不能同時滿足多種完全不同用途的超聲波換能器負載設備的要求。同樣已面市的超聲波功率源，就其在一個超聲波頻率源條件下，最大超聲功率為6KW，當要求滿足萬瓦以上功率時，則又不能實現共一個超聲信號源的要求。另外，同時具有頻率自動跟蹤和功率放大過流保護的超聲波電源也不多見，因此，目前市面上還暫未發現同時具備數字式大功率多用途的超聲波電源。
發明內容本實用新型的目的就是為了克服上述現有技術之不足，而提供一種簡捷、高效、方便、可靠的超聲波電源系統，從而實現超聲波電源數位化大功率多用途之目的。本實用新型的目的由以下技術方案來實現—種數字式大功率多用途超聲波電源系統，包括有機箱和面板，其機箱內設有顯示電路板A、鍵盤電路板B、主控電路板C、驅動電路板D(即分機板，下同)、阻抗匹配電路E和電源電路F;在主控電路板C中，中央處理器C2分別連接脈衝電路Cl、振蕩信號發生器C4、電壓給定電路C3、全橋驅動信號電路C5以及顯示電路板A和鍵盤電路板B，電壓給定電路C3的輸出接斬波信號發生器C6，斬波信號發生器C6的輸出分別連接驅動信號放大電路C9和驅動電路板D中的電壓取樣隔離電路D9，全橋驅動信號電路C5的輸出連接驅動信號放大電路C9，驅動信號放大電路C9的輸出分別連接驅動電路板D上的全橋驅動信號隔離電路Dl和斬波信號隔離電路D2，振蕩信號發生器C4和頻率跟蹤電路C7連接工作模式切換電路C8，工作模式切換電路C8連接全橋驅動信號電路C5，頻率跟蹤電路C7連接驅動電路板D上的跟蹤信號取樣隔離電路D8;在驅動電路板D中，全橋驅動信號隔離電路Dl接全橋驅動電路D3，全橋驅動電路D3接全橋功率放大電路D5，全橋功率放大電路D5接阻抗匹配電路E，保護電路D7分別接全橋驅動電路D3和全橋功率放大電路D5，斬波信號隔離電路D2接斬波驅動電路D4，斬波驅動電路D4接斬波器D6，斬波器D6分別接全橋功率放大電路D5、電壓取樣隔離電路D9和全波整流電路D10，跟蹤信號取樣隔離電路D8接阻抗匹配電路E，使用時通過阻抗匹配電路E與負載相接；電源電路F供給整機電源。所述電源系統使用時通過阻抗匹配電路E與負載相接，是指通過輸出變壓器、電感與超聲波換能器相接，相接時輸出變壓器的磁芯大小、繞組參數和匝比以及電感的磁芯大小、繞組參數應與超聲波換能器的電氣參數、連接方式相匹配。[0007]上述主控電路板C由AT89C51為核心的單片機擔當中央處理器職能，組成主控系統，實現對整個系統的協調與控制；實現(10——85)KHz範圍內頻點任選和大於萬分之一精度的頻率源；實現共一個頻率信號源進行16路分配與驅動；實現各種控制信號和指令數據的發出；實現頻率自動跟蹤與過流保護。上述以中央處理器CPU為核心的數字處理系統與顯示電路板A和鍵盤電路板B相接，組成顯示和鍵盤功能，形成便於人機對話的友好界面。上述驅動電路板D(分機板)提供2KW功率驅動源。在配置多臺直流開關電源和多套阻抗匹配電路的基礎上，最多可以驅動16塊驅動電路板D。阻抗匹配電路E負責對不同的負載，即不同電氣參數的超聲波換能器進行阻抗匹配。電源電路F負責為整機提供各種不同參數要求的電源。本實用新型具有以下主要特點—、以AT89C52單片機為核心組成中央處理器CPU，形成計算機數字處理中心，全面協調整個系統中的各種信號、數據、發出各種控制指令。二、頻率信號源具有10——85KHz範圍內頻點任選及頻率精度大於萬分之一的精度。三、在共一個頻率信號源的基礎上進行1——16路分配和驅動，實現32KW超大功率合成。四、具有自動頻率跟蹤和過流保護功能。五、具有滿足與各種不同電氣參數的超聲波換能器諧振的阻抗匹配技術特點。綜上所述，本實用新型應屬於數位化大功率多用途超聲波電源系統。可以用於超聲波清洗設備、超聲波焊接設備、超聲波乳化設備、超聲波植物提取(萃取)設備及超聲波汙水處理等設備。圖1是本實用新型的系統原理框圖。圖2是本實用新型的機箱人機對話面板示意圖。圖3是本實用新型的主控板原理圖。圖4是本實用新型的鍵盤及顯示板原理圖。圖5是本實用新型的驅動電路板(分機板)原理圖。上述圖2中，l-數字顯示時鐘為時、十分、分；2-數字顯示調製頻率為十赫茲、赫茲；3-數字顯示功率等級0-99%;4-鍵盤，左右為項目選擇鍵，上下為加、減鍵。具體實施方式以上附圖所公開的結構和電路是本實用新型一個實施例的結構和電路。參閱圖1，由鍵盤B輸入控制指令信息至主控板C上的中央處理器，中央處理器根據輸入的指令發出電壓控制信號和驅動信號分別到電壓給定電路C3、全橋驅動信號電路C5，並在顯示電路板A及其界面上(見圖2)實時顯示各種控制信號的數據。脈衝電路C1為中央處理器提供工作給定頻率。由電壓給定電路C3給出電壓控制信號，經斬波信號發生器C6進行電壓_頻率變換產生斬波信號，並與全橋驅動信號電路C5產生的全橋信號經由驅動信號放大電路C9傳送至分機板D(即驅動電路板，見圖5)。主控板C上的振蕩信號發生器電路C4為工作模式切換電路C8提供控制頻率，頻率跟蹤電路C7根據跟蹤信號取樣隔離電路D8產生的反饋頻率信號到頻率跟蹤電路C7，進行比較生成穩定的頻率信號到工作模式切換電路C8，以控制全橋驅動信號電路C5，經驅動信號放大電路為驅動電路板D提供穩定的頻率驅動信號。斬波信號發生器C6將電壓取樣隔離電路D9反饋的電壓信號進行比較，再為驅動電路板D提供穩定的功率驅動信號。在驅動電路板D即分機板中(見圖5)，全橋驅動信號隔離電路Dl和斬波信號隔離電路D2將主控電路板C的驅動信號與驅動電路板D進行源隔離。隔離後的信號經由全橋驅動電路D3、斬波驅動電路D4和斬波器電路D6送至全橋功率放大電路D5進行功率放大，通過阻抗匹配電路E連接至負載(換能器)，將放大後的電功率轉換為超聲功率。保護電路D7根據全橋功率放大電路D5的工作狀況進行監控，如有異常便中止全橋驅動電路D3的輸出，從而對驅動電路板D起到保護作用。全波整流電路D10將電源由交流轉變為直流的電源電路F，提供驅動電源輸送到斬波器電路D6，為全橋驅動電路提供所需的電能。電源電路F為整機分別提供各種不同要求的電源。本實用新型各部分的工作原理參閱圖l，本實用新型的工作原理由原理框圖決定了其邏輯關係，現將系統的各重要組成部分及其工作原理(各部分的電路請參閱圖3、4、5)闡述如下—、全橋功率放大電路(見圖5)功率超聲波換能器必須由大功率的振蕩電源驅動。分機板上的IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4四個IGBT管構成全橋功率放大電路，具有輸出功率大、波形好的特點。兩個半橋分別由各自的驅動電路驅動。這兩個半橋驅動電路是完全相同的。二、半橋驅動電路(見圖5)以右半橋即IGBT1、IGBT4為例。由主控板來的驅動信號先通過高速光耦U136N137經六緩衝驅動器U167407電平轉換，再經高頻高速驅動器U17TPS2814驅動場效應管Q1IF830A，經脈衝變壓器Bl輸出到IGBT的G極。高頻高速驅動器TPS2814由兩個驅動單元組成。每個驅動單元是雙與門輸入，在本系統中，一個與門輸入驅動信號，一個與門輸入保護信號。一旦保護信號有效，高頻高速驅動器TPS2814的輸出管腳將變為低電平，IGBT關斷。IF830A為功率驅動管，即場效應管。D15、R69是放電迴路，R69的阻值決定了IGBTG極控制信號脈衝的下降時間，較小的阻值將有較小的下降時間，從而可以提高IGBT的工作頻率。DW7、D怖為IGBT提供負電壓，保證可靠關斷，增強抗幹擾能力。DW2、DW3限制IGBTG極的最高電壓。R64、R65用來防止柵極振蕩。三、半橋驅動信號(見圖3)主控板上的頻率方波器U4AD9833在中央處理器U1AT89C52指令控制下產生給定頻率的方波信號，在短接環SEL1短接時方波信號送入U24F和U25B，U24F的輸出，一路送入U25A，一路送入U24A。U25A將方波信號改造為脈寬固定的窄脈衝，此脈衝和經U24A、U24B、U24C延遲後的方波信號由U26B與門處理後得到一路半橋驅動信號RG。[0043]另一路半橋驅動信號LG則由U24F、U24A、U24B、U25B、U26A處理後產生。R14、C21和R13、C20分別決定了U25A、U25B輸出脈衝的寬度。這個寬度也就是所謂的'死區'，即一個半橋關斷後必須延遲'死區'時間後才能開通另一半橋，防止出現上下管直通，否則必定燒管。這是保證全橋安全可靠工作的關鍵。U26D(74HC00四二輸入與非門)、U16B(74HC00四二輸入與非門)、U16C(74HC00四二輸入與非門)是開關半橋驅動信號的電路。U11ULN2803A是半橋驅動信號的驅動電路。JZ3是25腿z的有源晶振，提供頻率方波器AD9833所需的振蕩信號。四、全橋保護電路(見圖5)CT1、CT2是電流互感器，它的輸出經D1N4148二極體、D101N4148二極體、R24加在轉換方波器U11ALM339上，如果電流超過給定值，雙上升沿D觸發器U12A74HC74就被觸發，GLBH過流保護信號就將高頻高速驅動器TPS2814禁止，全橋及直流斬波電路停止工作。調整可調電位器W1的阻值可以改變過電流保護值。C12、C13為保護電容。主控板復位後可以解除保護，重新開機。五、斬波電路(見圖3)為了調整振蕩電源的輸出功率，使用了直流斬波電路。220V交流電經整流橋變為直流後，經斬波電路調整為給定的直流電壓。改變斬波信號的佔空比就可以改變直流電壓大小，從而改變振蕩電源的輸出功率。IGBTO為斬波管，R34為浪湧電流抑制器，KD1MUP20100為續流二極體，L2、C7、C5、C6為濾波電路。六、斬波驅動電路(見圖5)由主控板來的斬波驅動信號進入分機板後，先通過高速光耦U156N137，經六緩衝驅動器U167407電平轉換，再經高頻高速驅動器U18TPS2814驅動高速高壓光耦U21TLP559，高速高壓光偶U21TLP559的輸出經Q3、六位驅動器U22CLN2803A功率放大後驅動IGBTO。DW13穩壓管為IGBT提供負電壓，保證可靠關斷，增強抗幹擾能力。R14、R15用來防止柵極振蕩。DC/DC1是12V升壓到24V的直流變換器，用以提供必要的工作電壓和電氣隔離。七、斬波信號(見圖5)主控板的脈衝信號器TL494在外圍器件配合下產生頻率約6KHz的脈衝信號，改變數字電位器U12X9C103的輸出，可以改變脈衝信號的佔空比。分機板上的R21、D8、U34N37光偶是電壓測量迴路，其輸出送到主控板的W1電位器形成反饋信號，脈衝信號器TL494將它與數字電位器U12X9C103的輸出電壓進行比較後自動改變脈衝信號的佔空比，從而保證斬波後直流電壓的穩定。R6、R7、C24、R8、R9、C25為信號濾波電路。八、秒時鐘信號(見圖4)晶振JZ2、U3406014位同步二進位計數器和振蕩器構成1/2秒時鐘信號發生器。九、預置值的設定(見圖3)主控板上的SW3、SW2、SW1是三組8位開關(或稱跳線)，用來輸入頻率預置值。開6關設定見下表。開關短接定義為l，開路為0。tableseeoriginaldocumentpage7開關每4位按BCD碼格式對應一位十進位數，如下表。tableseeoriginaldocumentpage7十、顯示板顯示板布置可見圖2。^^—、鍵盤鍵盤布置可見圖2，其中，加-按一下將點量小數點的數值加1。減-按一下將點量小數點的數值減1。上一項-按一下將點量的小數點左移一位。下一項-按一下將點量的小數點右移一位。開-開啟超聲波電源輸出。停-關閉超聲波電源輸出。本系統還必須安裝總電源開關，當總電源開關合上時系統的控制電路就投入工作。十二、頻率自動跟蹤(見圖3、圖5)當系統工作在頻率跟蹤狀態，即插針SEL1斷開、插針SEL2短接、SEL4短接時，分機板上的CT3電流互感器取出換能器的電流信號經轉換方波器U11CLM339轉換為方波信號，由高速光耦U106N137送到主控板的14位同步二進位計數器和振蕩器U6CD4046的3腳BIN;分機板取出換能器的電壓信號經轉換方波器UllBLM339轉換為方波信號，由高速光耦U46N137送到主控板的14位同步二進位計數器和振蕩器U6CD4046的14腳AIN。如果AIN、BIN的相位差不為0，那麼14位同步二進位計數器和振蕩器CD4046就改變它4腳VC0UT的輸出頻率，直到AIN、BIN的相位差為0。這樣就完成了頻率跟蹤。主控板上的模擬多路轉換器/分配器U74052是用來切換頻率跟蹤的自動\手動方式，由程序完成。主控板上的SEL1短接、SEL2斷開，將取消頻率跟蹤功能。主控板上的SEL1斷開、SEL2短接，將開啟頻率跟蹤功能。開機時，將先由頻率方波器AD9833提供給定的頻率，經過一段時間後自動轉為自動頻率跟蹤方式。SEL1、SEL2不能同時短接。SEL3、SEL4為頻率跟蹤方式選擇，SEL3短接，為頻率跟蹤；SEL4短接，為相位跟蹤。SEL1短接。下面以幾個應用實例對本實用新型作進一步介紹1、用作超聲波清洗機本實用新型用作功率為18KW、頻率為28KHz超聲波清洗機組。由主控板、鍵盤、顯示板、9套直流開關電源、9塊分機板及與之相匹配的9套輸出變壓器、電感與同功率、同頻率的清洗用超聲波換能器連接。2、用作超聲波焊接機本實用新型用作功率為2KW、頻率為15KHz超聲波焊接機組。由主控板、鍵盤、顯示板、1套直流開關電源、1塊分機板及與之相匹配的1套輸出變壓器、電感與同功率、同頻率的焊接用變輻杆式超聲波換能器相連接。3、用作超聲波乳化機組本實用新型用作功率為30KW、頻率為28KHz超聲波乳化機組。由主控板、鍵盤、顯示板、15套直流開關電源、15塊分機板及與之相匹配的15套輸出變壓器、電感與同功率、同頻率的超聲波換能器乳化槽相連接，組成乳化量500Kg的超聲波乳化機組。4、用作超聲波植物提取機組本實用新型用作功率為20KW、頻率為28KHz超聲波提取機組。由主控板、鍵盤、顯示板、10套直流開關電源、10塊分機板及與之相匹配的10套輸出變壓器、電感與同功率、同頻率的超聲波換能器提取罐相連接，組成容積為0.5m3的超聲波植物提取機組。權利要求一種數字式大功率多用途超聲波電源系統，包括有機箱和面板，其特徵在於機箱內設有顯示電路板(A)、鍵盤電路板(B)、主控電路板(C)、驅動電路板(D)、阻抗匹配電路(E)和電源電路(F)；在主控電路板(C)中，中央處理器(C2)分別連接脈衝電路(C1)、振蕩信號發生器(C4)、電壓給定電路(C3)、全橋驅動信號電路(C5)以及顯示電路板(A)和鍵盤電路板(B)，電壓給定電路(C3)的輸出接斬波信號發生器(C6)，斬波信號發生器(C6)的輸出分別連接驅動信號放大電路(C9)和驅動電路板(D)中的電壓取樣隔離電路(D9)，全橋驅動信號電路(C5)的輸出連接驅動信號放大電路(C9)，驅動信號放大電路(C9)的輸出分別連接驅動電路板(D)上的全橋驅動信號隔離電路(D1)和斬波信號隔離電路(D2)，振蕩信號發生器(C4)和頻率跟蹤電路(C7)連接工作模式切換電路(C8)，工作模式切換電路(C8)連接全橋驅動信號電路(C5)，頻率跟蹤電路(C7)連接驅動電路板(D)上的跟蹤信號取樣隔離電路(D8)；在驅動電路板(D)中，全橋驅動信號隔離電路(D1)接全橋驅動電路(D3)，全橋驅動電路(D3)接全橋功率放大電路(D5)，全橋功率放大電路(D5)接阻抗匹配電路(E)，保護電路(D7)分別接全橋驅動電路(D3)和全橋功率放大電路(D5)，斬波信號隔離電路(D2)接斬波驅動電路(D4)，斬波驅動電路(D4)接斬波器(D6)，斬波器(D6)分別接全橋功率放大電路(D5)、電壓取樣隔離電路(D9)和全波整流電路(D10)，跟蹤信號取樣隔離電路(D8)接阻抗匹配電路(E)，使用時通過阻抗匹配電路(E)與負載相接；電源電路(F)為整機電源電路。2.按權利要求1所述的數字式大功率多用途超聲波電源系統，其特徵在於所述電源系統使用時通過阻抗匹配電路(E)與負載相接，是指通過輸出變壓器、電感與超聲波換能器相接，相接時輸出變壓器的磁芯大小、繞組參數和匝比以及電感的磁芯大小、繞組參數與超聲波換能器的電氣參數、連接方式相匹配。3.按權利要求1所述的數字式大功率多用途超聲波電源系統，其特徵在於所述電源系統的主控電路板(C)以AT89C52單片機為核心組成負責協調整個系統工作的中央處理器。4.按權利要求1所述的數字式大功率多用途超聲波電源系統，其特徵在於所述以中央處理器為核心的數字處理系統與顯示電路板(A)及鍵盤電路板(B)相連接形成便於人機對話的友好界面。5.按權利要求1所述的數字式大功率多用途超聲波電源系統，其特徵在於所述電源系統在配置多臺直流開關電源和多套阻抗匹配電路的基礎上，最多可以驅動16塊驅動電路板(D)。專利摘要一種數字式大功率多用途超聲波電源系統，主要由計算機數字處理、寬頻帶頻點任選信號源、驅動電路、頻率自動跟蹤、快速保護、阻抗匹配、顯示板和鍵盤等形成方便人機對話的友好界面。它最多可以驅動16塊驅動電路板(分機板)，最大功率可達32kW。使用時通過輸出變壓器、電感與超聲波換能器相接，其輸出變壓器的磁芯大小、繞組參數和匝比以及電感的磁芯大小、繞組參數應與超聲波換能器的電氣參數、連接方式相匹配，使其通用性強。本電源系統可用作超聲波清洗設備、超聲波乳化設備、超聲波提取設備、超聲波焊接設備和超聲波廢水處理等設備的電源。文檔編號G05B19/042GK201464854SQ20092008746公開日2010年5月12日申請日期2009年7月21日優先權日2009年7月21日發明者餘立成,徐頌凡,李茜,杜水源,杜鵬申請人:武漢嘉鵬電子有限公司