一种超声波电源电路的制作方法

1.本发明涉及超声波电源技术领域，尤其涉及一种超声波电源电路。


背景技术：

2.超声波电源又叫超声波发生器，用于把电能转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号，是一种用于产生并向超声换能器提供超声能量的装置。超声波焊接技术是利用高频振动波传递到两个需焊接的物体表面，在加压的情况下，使两个物体表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合。
3.是否具备频率追踪功能是区分超声波电源性能优劣的重要指标之一，频率追踪精度和稳定度是衡量超声波电源频率追踪功能好坏的重要指标。超声波电源需要具备在一个频率范围内搜索谐振频率点的功能和工作过程中实时跟踪谐振频率点的功能，而超声波电源在偏离谐振点处的电压和重载情况下电压会升高至1500v以上，而在谐振点出空载时的电压会低至20v左右，在这么宽的电压范围内要实现稳定、精确的频率追踪功能，首先要实现对这么宽范围电压的准确采样，而现有的超声波电源的电压采样都是采用单一的电阻分压法，其变换比例是确定的，无法同时兼顾20v～1500v电压采样的准确性，难以保证超声波电源输出的超声波电能的频率实时准确地跟随超声波振动系统的固有特征频率的变化而变化，频率追踪准确性较低。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种超声波电源电路，用于解决现有的超声波电源频率追踪方式无法同时兼顾20v～1500v电压采样的准确性，难以保证超声波电源输出的超声波电能的频率实时准确的跟随超声波振动系统的固有特征频率的变化而变化，频率追踪准确性较低的技术问题。
5.有鉴于此，本发明提供了一种超声波电源电路，包括依次连接的整流滤波电路、功率因数校正电路、移相全桥电路、变压器隔离电路和调谐电路，还包括输出电压采样电路、输出电流采样电路和电压分档采样电路；
6.功率因数校正电路、移相全桥电路、输出电压采样电路、输出电流采样电路和电压分档采样电路分别与中央处理器连接；
7.电压分档采样电路包括第一模拟开关芯片、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻和第五电阻，第五电阻的第一端与第一模拟开关芯片的no脚连接，第二端与第三电阻第一端连接，第四电阻第一端与第一模拟开关芯片的nc脚连接，第二端与第三电阻第一端连接，第一电阻、第二电阻和第三电阻依次串联，第一电阻与输出电流采样电路的电流互感器连接，第一模拟开关芯片的in脚与中央处理器连接；
8.中央处理器，用于获取输出电压采样电路和输出电流采样电路的数据，以及对功率因数校正电路、移相全桥电路和电压分档采样电路进行控制，依据超声换能器的相位角采用模糊pi控制算法追踪超声振动系统的固有特征频率。
9.可选地，还包括电流分档采样电路；
10.电流分档采样电路和中央处理器连接；
11.电流分档采样电路包括第二模拟开关芯片、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻和第十一电阻，第六电阻第一端与第二模拟开关芯片的nc脚连接，第二端与输出电流采样电路的电流互感器连接，第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻和第十一电阻并联后第一端与第二模拟开关芯片的no脚连接，第二端分别与输出电流采样电路和第六电阻第二端连接，第二模拟开关芯片的in脚与中央处理器连接。
12.可选地，第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻和第十一电阻的阻值均为100ω。
13.可选地，第四电阻的阻值为15kω，第五电阻的阻值为2kω。
14.可选地，中央处理器包括电流电压采样电路、开关控制电路和模糊pi控制电路；
15.电流电压采样电路，用于获取输出电压采样电路和输出电流采样电路的数据；
16.开关控制电路，用于控制功率因数校正电路、移相全桥电路、电流分档采样电路和电压分档采样电路的开关量；
17.模糊pi控制电路，用于依据超声换能器的相位角采用模糊pi控制算法追踪超声振动系统的固有特征频率；
18.模糊pi控制电路的反馈支路包括相位测量电路和带通滤波器，带通滤波器的输入端与超声换能器的输出端连接，带通滤波器的输出端与相位测量电路的输入端连接，相位测量电路的输出端与比较器连接。
19.可选地，带通滤波器为四阶butterworth型带通滤波器。
20.可选地，移相全桥电路包括第一igbt管、第二igbt管、第三igbt管、第四igbt管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一电容、第二电容、第三电容和第四电容；
21.第一igbt管的集电极、第一二极管的负极、第一电容的一端、第三igbt管的集电极和第三电容的一端连接功率因数校正电路的输出端；
22.第一igbt管、第二igbt管、第三igbt管和第四igbt管的门极悬空；
23.第一igbt管的发射极与第二igbt管的集电极连接，第一电容的另一端和第一二极管的正极与第一igbt管的发射极连接，第三igbt管的发射极与第四igbt管的集电极连接，第三电容的另一端和第三二极管的正极与第四igbt管的发射极连接；
24.第二电容的一端和第二二极管的正极与第二igbt管的集电极连接，第二电容的另一端和第二二极管的正极与第二igbt管的发射极连接；
25.第四电容的一端和第四二极管的负极与第四igbt管的集电极连接，第四电容的另一端和第四二极管的正极与第四igbt管的发射极连接；
26.第二igbt管的发射极和第四igbt管的发射极接地。
27.可选地，调谐电路包括第一电感、第五电容、第六电容、第七电容、第八电容和第九电容；
28.第五电容、第六电容、第七电容、第八电容和第九电容依次串联；
29.第一电感第一端与变压器隔离电路的第一输出端连接，第二端与第五电容连接，第九电容与变压器隔离电路的第二输出端连接。
30.可选地，变压器隔离电路包括变压器、第十电容、第十一电容、第十二电容和第十三电容；
31.第十电容、第十一电容、第十二电容和第十三电容并联后，第一并联端连接在移相全桥电路的第三igbt管和第四igbt管之间，第二并联端与变压器的一个输入端连接，变压器的另一个输入端与第一igbt管的发射极连接。
32.可选地，还包括过流保护电路和过压保护电路；
33.过流保护电路和过压保护电路分别与中央处理器连接，用于对超声波电源电路的输出电流和输出电压进行过流保护和过压保护。
34.可选地，功率因数校正电路包括第二电感、第五igbt管、第六igbt管、第五二极管、第六二极管、第一电解电容和第二电解电容；
35.第二电感的一端与整流滤波电路连接，另一端连接第五igbt管和第六igbt管的公共端，第五igbt管的发射极接地，第六igbt管的集电极与第五igbt管的集电极连接，第六igbt管的发射极与第一电解电容的正极和移相全桥电路连接，第一电解电容的负极接地，第二电解电容与第一电解电容并联；
36.第五二极管的负极与第五igbt管的集电极连接，正极与第五igbt管的发射极连接；
37.第六二极管的负极与第六igbt管的集电极连接，正极与第六igbt管的发射极连接；
38.第五igbt管和第六igbt管的门极悬空。
39.可选地，整流滤波电路包括桥式整流电路、第三电解电容和第四电解电容；
40.桥式整流电路的直流输出端的正负极之间连接第三电解电容；
41.第三电解电容的正极与功率因数校正电路的输入端连接，负极接地；
42.第四电解电容与第三电解电容并联；
43.桥式整流电路的交流输入端的正负极连接市电的正负极。
44.可选地，移相全桥电路通过光耦隔离电路与中央处理器连接。
45.从以上技术方案可以看出，本发明提供的超声波电源电路具有以下优点：
46.本发明提供的超声波电源电路，包括依次连接的整流滤波电路、功率因数校正电路、移相全桥电路、变压器隔离电路、调谐电路、输出电压采样电路、输出电流采样电路、电流分档采样电路、电压分档采样电路和中央处理器，中央处理器通过输出电压采样电路和输出电流采样电路分别获得超声波电源电路的输出电压和输出电流，根据输出电压和输出电流确定电流分档采样电路和电压分档采样电路的电路配置，可在输出电压不大于200v时，使用第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻组成的采样电阻支路进行电压采样，在输出电压大于200v时，使用第一电阻、第二电阻、第三电阻和第五电阻组成的采样电阻支路进行电压采样，然后使用模糊pi控制算法追踪超声振动系统的固有特征频率，可输出稳定的超声波驱动信号，保证超声振动系统固有特征频率的变化能够得到准确的追踪，解决了现有的超声波电源频率追踪方式无法同时兼顾20v～1500v电压采样的准确性，难以保证超声波电源输出的超声波电能的频率实时准确的跟随超声波振动系统的固有特征频率的变化而变化，频率追踪准确性较低的技术问题。
47.同时，本发明提供的超声波电源电路还设置有电流分档采样电路，在输出电流大
于5a时，使用第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻和第十一电阻组成的电阻支路进行电流采样，在输出电流不大于5a时，使用第六电阻进行电流采样，实现了电流分档采样的功能，提高了电流采样的准确性。
48.超声波电源本质上是数字开关电源，其内部有很多mosfet或者igbt开关管，这些开关管在工作过程中会产生高频电磁干扰，超声波电源的频率追踪是通过锁定电压和电流之间的相位角来实现的，而相位角是通过将电压电流波形经过“过零比较电路”变换成方波去检测的，这样，开关噪声会导致电压电流采样信号在零点附近振荡，从而导致相位检测不准。为此，本发明提供的超声波电源电路，在使用模糊pi控制算法追踪超声振动系统的固有特征频率时，设置有带通滤波器，可将原始的电流和电压采样信号中的开关噪声滤除，避免了开关噪声会导致电压电流采样信号在零点附近振荡，导致相位检测不准的问题。
49.本发明提供的超声波电源电路，还设置有过流保护电路和过压保护电路，可对超声波电源电路的输出电流和输出电压进行过流保护和过压保护。
附图说明
50.为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
51.图1为本发明中提供的一种超声波电源电路的模块化结构示意图；
52.图2为本发明中提供的一种超声波电源电路的电流分档采样电路的原理图；
53.图3为本发明中提供的一种超声波电源电路的电压分档采样电路的原理图；
54.图4为本发明中提供的一种超声波电源电路的模糊pi控制电路的原理图；
55.图5为本发明中提供的带通滤波器的电路结构示意图。
具体实施方式
56.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
57.为了便于理解，请参阅图1至图2，本发明中提供了一种超声波电源电路的实施例，包括依次连接的整流滤波电路、功率因数校正电路、移相全桥电路、变压器隔离电路和调谐电路，还包括输出电压采样电路、输出电流采样电路、电流分档采样电路和电压分档采样电路；
58.功率因数校正电路、移相全桥电路、输出电压采样电路、输出电流采样电路、电流分档采样电路和电压分档采样电路分别与中央处理器连接；
59.电压分档采样电路包括第一模拟开关芯片u2、第一电阻r7、第二电阻r8、第三电阻r9、第四电阻r10和第五电阻r11，第五电阻r11的第一端与第一模拟开关芯片u1的no脚连接，第二端与第三电阻r9第一端连接，第四电阻r10第一端与第一模拟开关芯片u1的nc脚连接，第二端与第三电阻r9第一端连接，第一电阻r7、第二电阻r8和第三电阻r9依次串联，第
一电阻r7与输出电流采样电路的电流互感器ct1连接，第一模拟开关芯片u1的in脚与中央处理器连接；
60.中央处理器，用于获取输出电压采样电路和输出电流采样电路的数据，以及对功率因数校正电路、移相全桥电路、电流分档采样电路和电压分档采样电路进行控制，依据超声换能器的相位角采用模糊pi控制算法追踪超声振动系统的固有特征频率。
61.需要说明的是，本发明提供的超声波电源电路如图1所示，包括依次连接的整流滤波电路、功率因数校正电路、移相全桥电路、变压器隔离电路和调谐电路，并且输出电压采样电路、输出电流采样电路、电流分档采样电路和电压分档采样电路，功率因数校正电路、移相全桥电路、输出电压采样电路、输出电流采样电路、电流分档采样电路和电压分档采样电路分别与中央处理器连接；
62.其中：
63.整流滤波电路用于将输入的交流电整流成直流电。
64.功率因素校正电路用于降低谐波电流污染和进行无功功率就地补偿，确保电源波动不对负载的稳定性造成影响。
65.移相全桥电路用于逆变出超声频率的、电压电流大小可控的交流电。
66.变压器隔离电路用于将超声波振动系统的阻抗变换成与超声电源内阻相等的等效阻抗、以保证超声电源的能量能够得到最大效率的传输，也实现了输入输出的电气隔离，确保超声振动系统的用电安全。同时，变压器隔离电路对移相全桥电路中的直流分量进行隔离。
67.调谐电路用于进行低通滤波和调谐，将移相全桥电路输出的方波中的高频成分滤除、得到超声频率的基波正弦信号。与此同时，调谐电路还承担着和超声振动系统中的电容构成串联谐振、从而保证超声振动系统输出的超声振幅最大的功能。
68.输出电压采样电路用于采集超声波电源电路的输出电压，将输出电压调理后提供给中央处理器进行处理。
69.输出电流采样电路用于采集超声波电源电路的输出电流，将输出电流调理后提供给中央处理器进行处理。
70.电压分档采样电路用于在输出电压不大于200v时，使用第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻组成的采样电阻支路进行电压采样，在输出电压大于200v时，使用第一电阻、第二电阻、第三电阻和第五电阻组成的采样电阻支路进行电压采样，在输出电流大于5a时，使用第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻和第十一电阻组成的电阻支路进行电流采样。这样根据电压大小不同选配不同的采样电阻可使得采样信号始终保持在可清晰分辨的范围内，从而保证原始采样信号的有效性。
71.中央处理器包括电流电压采样电路、开关控制电路和模糊pi控制电路，电流电压采样电路用于获取输出电压采样电路和输出电流采样电路的数据，开关控制电路用于控制功率因数校正电路、移相全桥电路、电流分档采样电路和电压分档采样电路的开关量，其中，移相全桥电路通过光耦隔离电路与中央处理器连接，实现光电隔离，模糊pi控制电路用于依据超声换能器的相位角采用模糊pi控制算法追踪超声振动系统的固有特征频率，模糊pi控制电路的反馈支路包括相位测量电路和带通滤波器，带通滤波器的输入端与超声换能器的输出端连接，带通滤波器的输出端与相位测量电路的输入端连接，相位测量电路的输
出端与比较器连接。如图4所示，本发明中的模糊pi控制电路的原理为：通过相位测量电路测量得到换能器相位角θ，将其与实际目标相位角goal_θ做差，差值e作为判断依据，由误差e与误差变化率ec(即de/dt)作为模糊控制器输入，模糊控制器输出的δkp与δki作为pi控制器kp与ki的增量式，输入到pi控制器，调整比例系数kp与积分系数ki，以获得更好的控制效果。
72.具体地，第四电阻r10的阻值为15kω，第五电阻r11的阻值为2kω。
73.在一个实施例中，本发明提供的超声波电源电路还包括电流分档采样电路，如图3所示，电流分档采样电路包括第二模拟开关芯片u1、第六电阻r1、第七电阻r2、第八电阻r3、第九电阻r4、第十电阻r5和第十一电阻r6，第六电阻r1第一端与第二模拟开关芯片u1的nc脚连接，第二端与输出电流采样电路的电流互感器ct1连接，第七电阻r2、第八电阻r3、第九电阻r4、第十电阻r5和第十一电阻r6并联后第一端与第二模拟开关芯片u1的no脚连接，第二端分别与输出电流采样电路和第六电阻r2第二端连接，第二模拟开关芯片u1的in脚与中央处理器连接，第六电阻r1、第七电阻r2、第八电阻r3、第九电阻r4、第十电阻r5和第十一电阻r6的阻值均为100ω。
74.具体地，本发明中提供的超声波电源电路的具体电路结构如下：
75.整流滤波电路由桥式整流电路、第三电解电容和第四电解电容组成，桥式整流电路的直流输出端的正负极之间连接第三电解电容，第三电解电容的正极与功率因数校正电路的输入端连接，负极接地，第四电解电容与第三电解电容并联，桥式整流电路的交流输入端的正负极连接市电的正负极。
76.功率因数校正电路包括第二电感、第五igbt管、第六igbt管、第五二极管、第六二极管、第一电解电容和第二电解电容，第二电感的一端与整流滤波电路连接，另一端连接第五igbt管和第六igbt管的公共端，第五igbt管的发射极接地，第六igbt管的集电极与第五igbt管的集电极连接，第六igbt管的发射极与第一电解电容的正极和移相全桥电路连接，第一电解电容的负极接地，第二电解电容与第一电解电容并联，第五二极管的负极与第五igbt管的集电极连接，正极与第五igbt管的发射极连接，第六二极管的负极与第六igbt管的集电极连接，正极与第六igbt管的发射极连接，第五igbt管和第六igbt管的门极悬空。
77.移相全桥电路包括第一igbt管、第二igbt管、第三igbt管、第四igbt管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一电容、第二电容、第三电容和第四电容，第一igbt管的集电极、第一二极管的负极、第一电容的一端、第三igbt管的集电极和第三电容的一端连接功率因数校正电路的输出端，第一igbt管、第二igbt管、第三igbt管和第四igbt管的门极悬空，第一igbt管的发射极与第二igbt管的集电极连接，第一电容的另一端和第一二极管的正极与第一igbt管的发射极连接，第三igbt管的发射极与第四igbt管的集电极连接，第三电容的另一端和第三二极管的正极与第四igbt管的发射极连接，第二电容的一端和第二二极管的正极与第二igbt管的集电极连接，第二电容的另一端和第二二极管的正极与第二igbt管的发射极连接，第四电容的一端和第四二极管的负极与第四igbt管的集电极连接，第四电容的另一端和第四二极管的正极与第四igbt管的发射极连接，第二igbt管的发射极和第四igbt管的发射极接地。
78.变压器隔离电路包括变压器、第十电容、第十一电容、第十二电容和第十三电容，第十电容、第十一电容、第十二电容和第十三电容并联后，第一并联端连接在移相全桥电路
的第三igbt管和第四igbt管之间，第二并联端与变压器的一个输入端连接，变压器的另一个输入端与第一igbt管的发射极连接。第十电容、第十一电容、第十二电容和第十三电容构成直流分量隔离电路，用于隔离逆变电路中的直流分量。
79.调谐电路包括第一电感、第五电容、第六电容、第七电容、第八电容和第九电容，第五电容、第六电容、第七电容、第八电容和第九电容依次串联，第一电感第一端与变压器隔离电路的第一输出端连接，第二端与第五电容连接，第九电容与变压器隔离电路的第二输出端连接。
80.输出电流采样电路由电流互感器ct1及其外围电路构成，其功能是采集输出电流，将输出电流调理成合适值提供给中央处理器进行运算。
81.输出电压采样电路由电压采样芯片及其外围电路构成各级电路的电压采样电路，其功能是采集输出电压，将输出电压调理成合适值提供给中央处理器进行运算。
82.在一个实施例中，如图5所示，本发明中的模糊pi控制电路的带通滤波器为四阶butterworth型带通滤波器，设置通带纹波选择3db，中心频率为20khz，通带带宽为6khz，计算出阻带衰减为-40db,级数为2，最大q值为4.741，阻带带宽为60khz，增益为3.162v/v。该带通滤波器可有效过滤掉开关管的开关噪声。
83.本发明中提供的超声波电源电路还包括过流保护电路和过压保护电路，过流保护电路和过压保护电路分别与中央处理器连接，用于对超声波电源电路的输出电流和输出电压进行过流保护和过压保护。将超声波电源电路最终输出的电流和电压与其设定的保护值进行比较，当超过设定保护值时发出保护动作、停止超声输出，从而保证在异常情况下电源及负载的安全。
84.与现有技术相比，本发明提供的超声波电源电路，包括依次连接的整流滤波电路、功率因数校正电路、移相全桥电路、变压器隔离电路、调谐电路、输出电压采样电路、输出电流采样电路、电流分档采样电路、电压分档采样电路和中央处理器，中央处理器通过输出电压采样电路和输出电流采样电路分别获得超声波电源电路的输出电压和输出电流，根据输出电压和输出电流确定电流分档采样电路和电压分档采样电路的电路配置，可在输出电压不大于200v时，使用第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻组成的采样电阻支路进行电压采样，在输出电压大于200v时，使用第一电阻、第二电阻、第三电阻和第五电阻组成的采样电阻支路进行电压采样，然后使用模糊pi控制算法追踪超声振动系统的固有特征频率，可输出稳定的超声波驱动信号，保证超声振动系统固有特征频率的变化能够得到准确的追踪，解决了现有的超声波电源频率追踪方式无法同时兼顾20v～1500v电压采样的准确性，难以保证超声波电源输出的超声波电能的频率实时准确的跟随超声波振动系统的固有特征频率的变化而变化，频率追踪准确性较低的技术问题。
85.同时，本发明提供的超声波电源电路还设置有电流分档采样电路，在输出电流大于5a时，使用第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻和第十一电阻组成的电阻支路进行电流采样，在输出电流不大于5a时，使用第六电阻进行电流采样，实现了电流分档采样的功能，提高了电流采样的准确性。
86.超声波电源本质上是数字开关电源，其内部有很多mosfet或者igbt开关管，这些开关管在工作过程中会产生高频电磁干扰，超声波电源的频率追踪是通过锁定电压和电流之间的相位角来实现的，而相位角是通过将电压电流波形经过“过零比较电路”变换成方波
去检测的，这样，开关噪声会导致电压电流采样信号在零点附近振荡，从而导致相位检测不准。为此，本发明提供的超声波电源电路，在使用模糊pi控制算法追踪超声振动系统的固有特征频率时，设置有带通滤波器，可将原始的电流和电压采样信号中的开关噪声滤除，避免了开关噪声会导致电压电流采样信号在零点附近振荡，导致相位检测不准的问题。
87.本发明提供的超声波电源电路，还设置有过流保护电路和过压保护电路，可对超声波电源电路的输出电流和输出电压进行过流保护和过压保护。
88.本发明的说明书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
89.以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。