专利名称：：数字式大功率多用途超声波电源系统的制作方法
技术领域：
：本实用新型涉及超声波电源
技术领域：
，特别是一种数字式大功率多用途的超声波电源系统。
背景技术：
：在现有技术中，超声波电源可以说五花八门，多种多样。面市的超声波电源有纯模拟电路的，有模拟与数字混合电路的；有自激式电路的，也有它激式电路的。目前，一种超声波电源不可能通用于多种超声波换能器组合的负载设备，例如超声波清洗机的电源就不能通用于超声波焊接机的电源，其原因就是超声波的频率源的频宽及其分辨率不能同时满足多种完全不同用途的超声波换能器负载设备的要求。同样已面市的超声波功率源，就其在一个超声波频率源条件下，最大超声功率为6KW，当要求满足万瓦以上功率时，则又不能实现共一个超声信号源的要求。另外，同时具有频率自动跟踪和功率放大过流保护的超声波电源也不多见，因此，目前市面上还暂未发现同时具备数字式大功率多用途的超声波电源。
发明内容本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术之不足，而提供一种简捷、高效、方便、可靠的超声波电源系统，从而实现超声波电源数字化大功率多用途之目的。本实用新型的目的由以下技术方案来实现—种数字式大功率多用途超声波电源系统，包括有机箱和面板，其机箱内设有显示电路板A、键盘电路板B、主控电路板C、驱动电路板D(即分机板，下同)、阻抗匹配电路E和电源电路F;在主控电路板C中，中央处理器C2分别连接脉冲电路Cl、振荡信号发生器C4、电压给定电路C3、全桥驱动信号电路C5以及显示电路板A和键盘电路板B，电压给定电路C3的输出接斩波信号发生器C6，斩波信号发生器C6的输出分别连接驱动信号放大电路C9和驱动电路板D中的电压取样隔离电路D9，全桥驱动信号电路C5的输出连接驱动信号放大电路C9，驱动信号放大电路C9的输出分别连接驱动电路板D上的全桥驱动信号隔离电路Dl和斩波信号隔离电路D2，振荡信号发生器C4和频率跟踪电路C7连接工作模式切换电路C8，工作模式切换电路C8连接全桥驱动信号电路C5，频率跟踪电路C7连接驱动电路板D上的跟踪信号取样隔离电路D8;在驱动电路板D中，全桥驱动信号隔离电路Dl接全桥驱动电路D3，全桥驱动电路D3接全桥功率放大电路D5，全桥功率放大电路D5接阻抗匹配电路E，保护电路D7分别接全桥驱动电路D3和全桥功率放大电路D5，斩波信号隔离电路D2接斩波驱动电路D4，斩波驱动电路D4接斩波器D6，斩波器D6分别接全桥功率放大电路D5、电压取样隔离电路D9和全波整流电路D10，跟踪信号取样隔离电路D8接阻抗匹配电路E，使用时通过阻抗匹配电路E与负载相接；电源电路F供给整机电源。所述电源系统使用时通过阻抗匹配电路E与负载相接，是指通过输出变压器、电感与超声波换能器相接，相接时输出变压器的磁芯大小、绕组参数和匝比以及电感的磁芯大小、绕组参数应与超声波换能器的电气参数、连接方式相匹配。[0007]上述主控电路板C由AT89C51为核心的单片机担当中央处理器职能，组成主控系统，实现对整个系统的协调与控制；实现(10——85)KHz范围内频点任选和大于万分之一精度的频率源；实现共一个频率信号源进行16路分配与驱动；实现各种控制信号和指令数据的发出；实现频率自动跟踪与过流保护。上述以中央处理器CPU为核心的数字处理系统与显示电路板A和键盘电路板B相接，组成显示和键盘功能，形成便于人机对话的友好界面。上述驱动电路板D(分机板)提供2KW功率驱动源。在配置多台直流开关电源和多套阻抗匹配电路的基础上，最多可以驱动16块驱动电路板D。阻抗匹配电路E负责对不同的负载，即不同电气参数的超声波换能器进行阻抗匹配。电源电路F负责为整机提供各种不同参数要求的电源。本实用新型具有以下主要特点—、以AT89C52单片机为核心组成中央处理器CPU，形成计算机数字处理中心，全面协调整个系统中的各种信号、数据、发出各种控制指令。二、频率信号源具有10——85KHz范围内频点任选及频率精度大于万分之一的精度。三、在共一个频率信号源的基础上进行1——16路分配和驱动，实现32KW超大功率合成。四、具有自动频率跟踪和过流保护功能。五、具有满足与各种不同电气参数的超声波换能器谐振的阻抗匹配技术特点。综上所述，本实用新型应属于数字化大功率多用途超声波电源系统。可以用于超声波清洗设备、超声波焊接设备、超声波乳化设备、超声波植物提取(萃取)设备及超声波污水处理等设备。图1是本实用新型的系统原理框图。图2是本实用新型的机箱人机对话面板示意图。图3是本实用新型的主控板原理图。图4是本实用新型的键盘及显示板原理图。图5是本实用新型的驱动电路板(分机板)原理图。上述图2中，l-数字显示时钟为时、十分、分；2-数字显示调制频率为十赫兹、赫兹；3-数字显示功率等级0-99%;4-键盘，左右为项目选择键，上下为加、减键。具体实施方式以上附图所公开的结构和电路是本实用新型一个实施例的结构和电路。参阅图1，由键盘B输入控制指令信息至主控板C上的中央处理器，中央处理器根据输入的指令发出电压控制信号和驱动信号分别到电压给定电路C3、全桥驱动信号电路C5，并在显示电路板A及其界面上(见图2)实时显示各种控制信号的数据。脉冲电路C1为中央处理器提供工作给定频率。由电压给定电路C3给出电压控制信号，经斩波信号发生器C6进行电压_频率变换产生斩波信号，并与全桥驱动信号电路C5产生的全桥信号经由驱动信号放大电路C9传送至分机板D(即驱动电路板，见图5)。主控板C上的振荡信号发生器电路C4为工作模式切换电路C8提供控制频率，频率跟踪电路C7根据跟踪信号取样隔离电路D8产生的反馈频率信号到频率跟踪电路C7，进行比较生成稳定的频率信号到工作模式切换电路C8，以控制全桥驱动信号电路C5，经驱动信号放大电路为驱动电路板D提供稳定的频率驱动信号。斩波信号发生器C6将电压取样隔离电路D9反馈的电压信号进行比较，再为驱动电路板D提供稳定的功率驱动信号。在驱动电路板D即分机板中(见图5)，全桥驱动信号隔离电路Dl和斩波信号隔离电路D2将主控电路板C的驱动信号与驱动电路板D进行源隔离。隔离后的信号经由全桥驱动电路D3、斩波驱动电路D4和斩波器电路D6送至全桥功率放大电路D5进行功率放大，通过阻抗匹配电路E连接至负载(换能器)，将放大后的电功率转换为超声功率。保护电路D7根据全桥功率放大电路D5的工作状况进行监控，如有异常便中止全桥驱动电路D3的输出，从而对驱动电路板D起到保护作用。全波整流电路D10将电源由交流转变为直流的电源电路F，提供驱动电源输送到斩波器电路D6，为全桥驱动电路提供所需的电能。电源电路F为整机分别提供各种不同要求的电源。本实用新型各部分的工作原理参阅图l，本实用新型的工作原理由原理框图决定了其逻辑关系，现将系统的各重要组成部分及其工作原理(各部分的电路请参阅图3、4、5)阐述如下—、全桥功率放大电路(见图5)功率超声波换能器必须由大功率的振荡电源驱动。分机板上的IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4四个IGBT管构成全桥功率放大电路，具有输出功率大、波形好的特点。两个半桥分别由各自的驱动电路驱动。这两个半桥驱动电路是完全相同的。二、半桥驱动电路(见图5)以右半桥即IGBT1、IGBT4为例。由主控板来的驱动信号先通过高速光耦U136N137经六缓冲驱动器U167407电平转换，再经高频高速驱动器U17TPS2814驱动场效应管Q1IF830A，经脉冲变压器Bl输出到IGBT的G极。高频高速驱动器TPS2814由两个驱动单元组成。每个驱动单元是双与门输入，在本系统中，一个与门输入驱动信号，一个与门输入保护信号。一旦保护信号有效，高频高速驱动器TPS2814的输出管脚将变为低电平，IGBT关断。IF830A为功率驱动管，即场效应管。D15、R69是放电回路，R69的阻值决定了IGBTG极控制信号脉冲的下降时间，较小的阻值将有较小的下降时间，从而可以提高IGBT的工作频率。DW7、D怖为IGBT提供负电压，保证可靠关断，增强抗干扰能力。DW2、DW3限制IGBTG极的最高电压。R64、R65用来防止栅极振荡。三、半桥驱动信号(见图3)主控板上的频率方波器U4AD9833在中央处理器U1AT89C52指令控制下产生给定频率的方波信号，在短接环SEL1短接时方波信号送入U24F和U25B，U24F的输出，一路送入U25A，一路送入U24A。U25A将方波信号改造为脉宽固定的窄脉冲，此脉冲和经U24A、U24B、U24C延迟后的方波信号由U26B与门处理后得到一路半桥驱动信号RG。[0043]另一路半桥驱动信号LG则由U24F、U24A、U24B、U25B、U26A处理后产生。R14、C21和R13、C20分别决定了U25A、U25B输出脉冲的宽度。这个宽度也就是所谓的'死区'，即一个半桥关断后必须延迟'死区'时间后才能开通另一半桥，防止出现上下管直通，否则必定烧管。这是保证全桥安全可靠工作的关键。U26D(74HC00四二输入与非门)、U16B(74HC00四二输入与非门)、U16C(74HC00四二输入与非门)是开关半桥驱动信号的电路。U11ULN2803A是半桥驱动信号的驱动电路。JZ3是25腿z的有源晶振，提供频率方波器AD9833所需的振荡信号。四、全桥保护电路(见图5)CT1、CT2是电流互感器，它的输出经D1N4148二极管、D101N4148二极管、R24加在转换方波器U11ALM339上，如果电流超过给定值，双上升沿D触发器U12A74HC74就被触发，GLBH过流保护信号就将高频高速驱动器TPS2814禁止，全桥及直流斩波电路停止工作。调整可调电位器W1的阻值可以改变过电流保护值。C12、C13为保护电容。主控板复位后可以解除保护，重新开机。五、斩波电路(见图3)为了调整振荡电源的输出功率，使用了直流斩波电路。220V交流电经整流桥变为直流后，经斩波电路调整为给定的直流电压。改变斩波信号的占空比就可以改变直流电压大小，从而改变振荡电源的输出功率。IGBTO为斩波管，R34为浪涌电流抑制器，KD1MUP20100为续流二极管，L2、C7、C5、C6为滤波电路。六、斩波驱动电路(见图5)由主控板来的斩波驱动信号进入分机板后，先通过高速光耦U156N137，经六缓冲驱动器U167407电平转换，再经高频高速驱动器U18TPS2814驱动高速高压光耦U21TLP559，高速高压光偶U21TLP559的输出经Q3、六位驱动器U22CLN2803A功率放大后驱动IGBTO。DW13稳压管为IGBT提供负电压，保证可靠关断，增强抗干扰能力。R14、R15用来防止栅极振荡。DC/DC1是12V升压到24V的直流变换器，用以提供必要的工作电压和电气隔离。七、斩波信号(见图5)主控板的脉冲信号器TL494在外围器件配合下产生频率约6KHz的脉冲信号，改变数字电位器U12X9C103的输出，可以改变脉冲信号的占空比。分机板上的R21、D8、U34N37光偶是电压测量回路，其输出送到主控板的W1电位器形成反馈信号，脉冲信号器TL494将它与数字电位器U12X9C103的输出电压进行比较后自动改变脉冲信号的占空比，从而保证斩波后直流电压的稳定。R6、R7、C24、R8、R9、C25为信号滤波电路。八、秒时钟信号(见图4)晶振JZ2、U3406014位同步二进制计数器和振荡器构成1/2秒时钟信号发生器。九、预置值的设定(见图3)主控板上的SW3、SW2、SW1是三组8位开关(或称跳线)，用来输入频率预置值。开6关设定见下表。开关短接定义为l，开路为0。<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>开关每4位按BCD码格式对应一位十进制数，如下表。<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>十、显示板显示板布置可见图2。^^—、键盘键盘布置可见图2，其中，加-按一下将点量小数点的数值加1。减-按一下将点量小数点的数值减1。上一项-按一下将点量的小数点左移一位。下一项-按一下将点量的小数点右移一位。开-开启超声波电源输出。停-关闭超声波电源输出。本系统还必须安装总电源开关，当总电源开关合上时系统的控制电路就投入工作。十二、频率自动跟踪(见图3、图5)当系统工作在频率跟踪状态，即插针SEL1断开、插针SEL2短接、SEL4短接时，分机板上的CT3电流互感器取出换能器的电流信号经转换方波器U11CLM339转换为方波信号，由高速光耦U106N137送到主控板的14位同步二进制计数器和振荡器U6CD4046的3脚BIN;分机板取出换能器的电压信号经转换方波器UllBLM339转换为方波信号，由高速光耦U46N137送到主控板的14位同步二进制计数器和振荡器U6CD4046的14脚AIN。如果AIN、BIN的相位差不为0，那么14位同步二进制计数器和振荡器CD4046就改变它4脚VC0UT的输出频率，直到AIN、BIN的相位差为0。这样就完成了频率跟踪。主控板上的模拟多路转换器/分配器U74052是用来切换频率跟踪的自动\手动方式，由程序完成。主控板上的SEL1短接、SEL2断开，将取消频率跟踪功能。主控板上的SEL1断开、SEL2短接，将开启频率跟踪功能。开机时，将先由频率方波器AD9833提供给定的频率，经过一段时间后自动转为自动频率跟踪方式。SEL1、SEL2不能同时短接。SEL3、SEL4为频率跟踪方式选择，SEL3短接，为频率跟踪；SEL4短接，为相位跟踪。SEL1短接。下面以几个应用实例对本实用新型作进一步介绍1、用作超声波清洗机本实用新型用作功率为18KW、频率为28KHz超声波清洗机组。由主控板、键盘、显示板、9套直流开关电源、9块分机板及与之相匹配的9套输出变压器、电感与同功率、同频率的清洗用超声波换能器连接。2、用作超声波焊接机本实用新型用作功率为2KW、频率为15KHz超声波焊接机组。由主控板、键盘、显示板、1套直流开关电源、1块分机板及与之相匹配的1套输出变压器、电感与同功率、同频率的焊接用变辐杆式超声波换能器相连接。3、用作超声波乳化机组本实用新型用作功率为30KW、频率为28KHz超声波乳化机组。由主控板、键盘、显示板、15套直流开关电源、15块分机板及与之相匹配的15套输出变压器、电感与同功率、同频率的超声波换能器乳化槽相连接，组成乳化量500Kg的超声波乳化机组。4、用作超声波植物提取机组本实用新型用作功率为20KW、频率为28KHz超声波提取机组。由主控板、键盘、显示板、10套直流开关电源、10块分机板及与之相匹配的10套输出变压器、电感与同功率、同频率的超声波换能器提取罐相连接，组成容积为0.5m3的超声波植物提取机组。权利要求一种数字式大功率多用途超声波电源系统，包括有机箱和面板，其特征在于机箱内设有显示电路板(A)、键盘电路板(B)、主控电路板(C)、驱动电路板(D)、阻抗匹配电路(E)和电源电路(F)；在主控电路板(C)中，中央处理器(C2)分别连接脉冲电路(C1)、振荡信号发生器(C4)、电压给定电路(C3)、全桥驱动信号电路(C5)以及显示电路板(A)和键盘电路板(B)，电压给定电路(C3)的输出接斩波信号发生器(C6)，斩波信号发生器(C6)的输出分别连接驱动信号放大电路(C9)和驱动电路板(D)中的电压取样隔离电路(D9)，全桥驱动信号电路(C5)的输出连接驱动信号放大电路(C9)，驱动信号放大电路(C9)的输出分别连接驱动电路板(D)上的全桥驱动信号隔离电路(D1)和斩波信号隔离电路(D2)，振荡信号发生器(C4)和频率跟踪电路(C7)连接工作模式切换电路(C8)，工作模式切换电路(C8)连接全桥驱动信号电路(C5)，频率跟踪电路(C7)连接驱动电路板(D)上的跟踪信号取样隔离电路(D8)；在驱动电路板(D)中，全桥驱动信号隔离电路(D1)接全桥驱动电路(D3)，全桥驱动电路(D3)接全桥功率放大电路(D5)，全桥功率放大电路(D5)接阻抗匹配电路(E)，保护电路(D7)分别接全桥驱动电路(D3)和全桥功率放大电路(D5)，斩波信号隔离电路(D2)接斩波驱动电路(D4)，斩波驱动电路(D4)接斩波器(D6)，斩波器(D6)分别接全桥功率放大电路(D5)、电压取样隔离电路(D9)和全波整流电路(D10)，跟踪信号取样隔离电路(D8)接阻抗匹配电路(E)，使用时通过阻抗匹配电路(E)与负载相接；电源电路(F)为整机电源电路。2.按权利要求1所述的数字式大功率多用途超声波电源系统，其特征在于所述电源系统使用时通过阻抗匹配电路(E)与负载相接，是指通过输出变压器、电感与超声波换能器相接，相接时输出变压器的磁芯大小、绕组参数和匝比以及电感的磁芯大小、绕组参数与超声波换能器的电气参数、连接方式相匹配。3.按权利要求1所述的数字式大功率多用途超声波电源系统，其特征在于所述电源系统的主控电路板(C)以AT89C52单片机为核心组成负责协调整个系统工作的中央处理器。4.按权利要求1所述的数字式大功率多用途超声波电源系统，其特征在于所述以中央处理器为核心的数字处理系统与显示电路板(A)及键盘电路板(B)相连接形成便于人机对话的友好界面。5.按权利要求1所述的数字式大功率多用途超声波电源系统，其特征在于所述电源系统在配置多台直流开关电源和多套阻抗匹配电路的基础上，最多可以驱动16块驱动电路板(D)。专利摘要一种数字式大功率多用途超声波电源系统，主要由计算机数字处理、宽频带频点任选信号源、驱动电路、频率自动跟踪、快速保护、阻抗匹配、显示板和键盘等形成方便人机对话的友好界面。它最多可以驱动16块驱动电路板(分机板)，最大功率可达32kW。使用时通过输出变压器、电感与超声波换能器相接，其输出变压器的磁芯大小、绕组参数和匝比以及电感的磁芯大小、绕组参数应与超声波换能器的电气参数、连接方式相匹配，使其通用性强。本电源系统可用作超声波清洗设备、超声波乳化设备、超声波提取设备、超声波焊接设备和超声波废水处理等设备的电源。文档编号G05B19/042GK201464854SQ20092008746公开日2010年5月12日申请日期2009年7月21日优先权日2009年7月21日发明者余立成,徐颂凡,李茜,杜水源,杜鹏申请人:武汉嘉鹏电子有限公司