一種超聲波電源阻抗匹配系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種超聲波電源阻抗匹配系統(tǒng)及控制系統(tǒng)，所述阻抗匹配系統(tǒng)包括阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)與換能器等效網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，所述阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)與超聲波主電路耦合，所述阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)包括由所述超聲波主電路漏感形成的具有電感電學(xué)特性的等效電感Le。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是：本實(shí)用新型采用虛擬電感匹配模式，充分利用脈沖變壓器繞制時存在的漏感，并聯(lián)一定的補(bǔ)償電容對，換能器及工具頭系統(tǒng)進(jìn)行諧振和阻抗匹配，降低實(shí)體匹配電感的成本以及整機(jī)的重量和實(shí)體電感發(fā)熱的能耗，省材降耗。
【專利說明】
一種超聲波電源阻抗匹配系統(tǒng)及控制系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型涉及超聲波電源領(lǐng)域，具體為一種超聲波電源阻抗匹配系統(tǒng)及控制系 統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 功率超聲的應(yīng)用十分廣泛，利用超聲的機(jī)械作用、空化作用、熱效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)， 可進(jìn)行超聲焊接、鉆孔、固體的粉碎、乳化、脫氣、除塵、去鍋垢、清洗、滅菌、促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)和 進(jìn)行生物學(xué)研究等，在工礦業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等各個部門獲得了廣泛應(yīng)用。
[0003] 要使超聲發(fā)生系統(tǒng)工作在達(dá)到最佳的輸出狀態(tài)，就必需使該超聲發(fā)生系統(tǒng)中的換 能器工作在諧振頻率，通常需要采用阻抗匹配來實(shí)現(xiàn)。
[0004] 而使超聲發(fā)生系統(tǒng)工作在諧振頻率的阻抗匹配通常需要添加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行 實(shí)現(xiàn)，目前超聲波焊接電源的阻抗匹配大多是采用串聯(lián)或并聯(lián)電抗器和電容器的方法實(shí)現(xiàn) 電源與換能器及其工具頭的頻率匹配。電抗器的存在增加了超聲波電源的成本、重量和體 積。
[0005] 鑒于上述缺陷，本實(shí)用新型創(chuàng)作者經(jīng)過長時間的研究和實(shí)踐終于獲得了本實(shí)用新 型。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006] 為解決上述技術(shù)缺陷，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案在于，提供一種超聲波電源阻 抗匹配系統(tǒng)，包括阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)與換能器等效網(wǎng)絡(luò)，所述阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)與超聲波主電路耦 合，所述阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)包括由所述超聲波主電路漏感形成的具有電感電學(xué)特性的等效電感 Le〇
[0007] 較佳的，所述阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)包括補(bǔ)償電阻C2,所述換能器等效網(wǎng)絡(luò)包括靜態(tài)電容 C0與動態(tài)阻抗。
[0008] 本實(shí)用新型還提供一種超聲波電源控制系統(tǒng)，包括一超聲波主電路、一超聲波控 制系統(tǒng)、一工具頭系統(tǒng)及所述的阻抗匹配系統(tǒng)；
[0009] 所述超聲波主電路通過所述阻抗匹配系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與所述工具頭系統(tǒng)的阻抗匹配與 連接；
[0010] 所述超聲波控制系統(tǒng)與所述阻抗匹配系統(tǒng)連接獲取其輸出信號；
[0011]所述超聲波控制系統(tǒng)與所述超聲波主電路連接并控制其工作狀態(tài)。
[0012] 較佳的，所述超聲波控制系統(tǒng)包括一采樣及調(diào)理電路、一比較電路、一轉(zhuǎn)換器、一 DSP控制器、一驅(qū)動電路與一輸出接口電路；
[0013] 所述采樣及調(diào)理電路與所述比較電路、所述DSP控制器分別相連，用于從所述阻抗 匹配系統(tǒng)中獲取其輸出信號；
[0014] 所述DSP控制器與所述驅(qū)動電路、所述轉(zhuǎn)換器、所述輸出接口電路分別相連，用于 從所述采樣及調(diào)理電路中獲取電流、電壓波形，進(jìn)行處理，并通過所述轉(zhuǎn)換器傳送至所述比 較電路，所述DSP控制器通過控制所述驅(qū)動電路實(shí)現(xiàn)對所述超聲波主電路的控制；
[0015] 所述比較電路獲取功率預(yù)設(shè)值、電流相位值、電壓相位值，并與獲取的實(shí)際功率 值、實(shí)際電流相位值、實(shí)際電壓相位值相比較，并在存在差異時向所述轉(zhuǎn)換器向所述DSP控 制器發(fā)送信號，所述比較電路還與所述輸出接口電路相連。
[0016] 較佳的，所述DSP控制器還包括捕捉模塊，用于獲取所述采樣及調(diào)理電路獲取的電 學(xué)參數(shù)。
[0017] 較佳的，DSP控制器通過UART接口電路連接至人機(jī)交互界面，供用戶控制超聲電源 控制系統(tǒng)。
[0018] 較佳的，所述驅(qū)動電路包括PWM電路與IGBT驅(qū)動電路。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新 型的有益效果是:本實(shí)用新型采用虛擬電感匹配模式，充分利用脈沖變壓器繞制時存在的 漏感，并聯(lián)一定的補(bǔ)償電容對，換能器及工具頭系統(tǒng)進(jìn)行諧振和阻抗匹配，降低實(shí)體匹配電 感的成本以及整機(jī)的重量和實(shí)體電感發(fā)熱的能耗，省材降耗。
【附圖說明】
[0019] 圖1為本實(shí)用新型阻抗匹配系統(tǒng)示意圖；
[0020] 圖2為本實(shí)用新型超聲波電源結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021 ]圖3為本實(shí)用新型超聲波控制系統(tǒng)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 以下結(jié)合附圖，對本實(shí)用新型上述的和另外的技術(shù)特征和優(yōu)點(diǎn)作更詳細(xì)的說明。
[0023] 本實(shí)用新型所述的一種超聲波電源阻抗匹配系統(tǒng)。
[0024] 請參見圖1所示，圖1為本實(shí)用新型超聲波電源阻抗匹配系統(tǒng)實(shí)施例一結(jié)構(gòu)示意 圖，包括阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)與換能器等效網(wǎng)絡(luò)。
[0025] 所述阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)與超聲波主電路耦合，超聲波主電路網(wǎng)絡(luò)至少包括一高頻變壓 器T1，所述阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)包括電感Le與補(bǔ)償電容C2,所述換能器等效網(wǎng)絡(luò)包括換能器靜態(tài) 電容C0、換能器動態(tài)電容C1、換能器動態(tài)電感L1與換能器動態(tài)電阻R1。
[0026] 這里應(yīng)當(dāng)指出的是，本實(shí)施例中，換能器的阻抗特性被等效成為了靜態(tài)電容C0、換 能器動態(tài)電容C1、換能器動態(tài)電感L1與換能器動態(tài)電阻R1四部分，對于本實(shí)用新型所述的 系統(tǒng)，以及本實(shí)用新型下述所述的方法來說，并不必然嚴(yán)格按照如此進(jìn)行等效，但至少應(yīng)當(dāng) 包括靜態(tài)電容部分(C0)與動態(tài)阻抗部分，在圖1所述的實(shí)施例中，動態(tài)阻抗部分包括換能器 動態(tài)電容C1、換能器動態(tài)電感L1與換能器動態(tài)電阻R1。
[0027] 所述超聲波主電路網(wǎng)絡(luò)、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、換能器等效網(wǎng)絡(luò)均為二端口網(wǎng)絡(luò)，所述超 聲波主電路網(wǎng)絡(luò)與阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)，所述阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)與所述換能器等效網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)。
[0028] 所述阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)包括電感Le與補(bǔ)償電容C2,其中，在現(xiàn)有技術(shù)中，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò) 通常需要采用實(shí)體的電感器與實(shí)體的電容器組成各種例如T型、JT型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，由于通 常阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)兩端連接的網(wǎng)絡(luò)阻抗相差較大，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)通常都必須要有電感器的參 與，電感器的制備原理是線圈的纏繞，這種結(jié)構(gòu)功能上的限制使得電感器無法擺脫體積龐 大、價(jià)格昂貴與其他電路適應(yīng)性不良的問題。而超聲波電源領(lǐng)域中，同樣存在著這個問題， 用于阻抗匹配的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中的電感器通常是一個較大的電感器，這個電感器將占用比 較大的體積，為產(chǎn)品帶來較大的成本提升。
[0029] 本實(shí)用新型所述的超聲波電源阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，并不含實(shí)體電感器，而是利用超聲 波主電路網(wǎng)絡(luò)中，變壓器在繞制過程中存在的漏感。由于變壓器的最基本原理是線圈的耦 合，所以在線圈耦合的過程當(dāng)中并非所有的磁力線都能夠進(jìn)入次級線圈，產(chǎn)生相當(dāng)于電感 器件性能的電學(xué)參數(shù)特性，稱為漏感。漏感的存在是本領(lǐng)域已知的、常見的問題，通常，本領(lǐng) 域技術(shù)人員對于漏感的處理，是盡量改善變壓器的性能，盡量減小、消除漏感。
[0030] 本實(shí)用新型所述的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，包括電感Le，所述電感Le為變壓器漏感Le，如此 設(shè)置實(shí)際上阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)并不包含實(shí)體的電感器，電路中的電感參數(shù)特性由變壓器中的漏 感等效生成。與現(xiàn)有存在的普遍的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)相比，本實(shí)用新型所提供的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò) 省略了實(shí)體電感的要素，并且利用了長久以來被本領(lǐng)域技術(shù)人員希望消除掉的漏感作為等 效電感，不僅通過省略了電路要素實(shí)現(xiàn)了相似的同能，并且客服了長久以來存在于本領(lǐng)域 中的技術(shù)偏見。
[0031 ] 本實(shí)用新型還提供一種阻抗匹配方法。
[0032] 利用本實(shí)用新型所述的阻抗匹配系統(tǒng)進(jìn)行阻抗匹配的方法，包括步驟：
[0033] S1:根據(jù)換能器系統(tǒng)的動態(tài)阻抗，確定系統(tǒng)諧振頻率；
[0034] 換能器及工具頭系統(tǒng)的動態(tài)電感、動態(tài)電容決定了換能器的諧振頻率匕，即通過 公式：
[0036]可以確定出該換能器及其工具頭系統(tǒng)的串聯(lián)諧振頻率，其中，式中的Ld，Cd分別為 換能器系統(tǒng)的感抗與容抗。在圖1所示實(shí)施例中，Ld = Ll，Cd = Cl。
[0037] S2:測量阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)等效電感Le;
[0038] 確定諧振頻率后，確定變壓器的漏感，即阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)等效電感Le，此處可以通過 各種電感測量設(shè)備進(jìn)行測量，例如LCR電橋設(shè)備。
[0039] S3:確定阻抗匹配需要的電容；
[0040] 確定換能器的系統(tǒng)諧振頻率fs與變壓器漏感Le，及阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的感抗后，利用 公式.
確定阻抗匹配系統(tǒng)的容抗C。
[0041] S4:測量換能器靜態(tài)電容；
[0042]測量換能器的靜態(tài)電容C0，
[0043] S5:確定阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償電容C2。
[0044] 確定所述阻抗匹配系統(tǒng)的容抗C、換能器的靜態(tài)電容C0后，根據(jù)公式C = C0+C2,確 定所述阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)償電容C2。
[0045] 其中，步驟S1、步驟S2、步驟S4設(shè)計(jì)測量步驟，其可以變換順序:既可以事先全部測 量好，也可以在需要使用該參數(shù)的步驟之前進(jìn)行測量。但是需要保證在需要使用該參數(shù)之 前，該參數(shù)已經(jīng)被測量好，作為一種本方法通用的描述，本方法的簡要步驟描述為：
[0046] 測量換能器系統(tǒng)動態(tài)容抗與感抗，確定換能器系統(tǒng)諧振頻率；
[0047] 測量變壓器漏感，確定阻抗匹配系統(tǒng)電容值；
[0048] 測量換能器系統(tǒng)靜態(tài)容抗，確定阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償電容。
[0049] 本實(shí)用新型還提供一種超聲波電源控制系統(tǒng)。
[0050] 請參見圖2所示，圖2為本實(shí)用新型所述的超聲波電源控制系統(tǒng)架構(gòu)圖。
[0051] 本實(shí)用新型所述的超聲波電源控制系統(tǒng)包括一超聲波主電路1、一超聲波控制系 統(tǒng)2、一換能器及阻抗匹配系統(tǒng)3與一工具頭系統(tǒng)4。
[0052]所述超聲波主電路1、所述換能器及阻抗匹配系統(tǒng)3與所述工具頭系統(tǒng)4順次連接， 所述超聲波主電路1通過所述換能器及阻抗匹配系統(tǒng)3與所述工具頭系統(tǒng)4實(shí)現(xiàn)阻抗匹配與 能量轉(zhuǎn)換，使所述工具頭系統(tǒng)4順利完成工作。
[0053]其中，所述換能器及阻抗匹配系統(tǒng)3即圖1中所示的結(jié)構(gòu)。
[0054] 所述超聲波控制系統(tǒng)2-端從所述換能器及阻抗匹配系統(tǒng)3中獲取輸出信號，并進(jìn) 行判斷、處理，輸出反饋信號輸入至所述超聲波主電路控制超聲波主電路的輸出，從而使本 實(shí)用新型所述的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一個閉環(huán)的反饋。
[0055] 請參見圖3所示，圖3為本實(shí)用新型所述超聲波控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
[0056] 所述超聲波控制系統(tǒng)包括一采樣及調(diào)理電路201、一比較電路202、一轉(zhuǎn)換器203、 一DSP控制器204、一驅(qū)動電路205、一輸出接口電路206。
[0057]所述采樣及調(diào)理電路201與所述換能器及阻抗匹配系統(tǒng)3連接，具體的，其能夠獲 取換能器等效網(wǎng)絡(luò)兩端的電學(xué)參數(shù)，所述電學(xué)參數(shù)包括但不限于電流與電壓的波形，并將 所述測試的電學(xué)參數(shù)通過傳送至所述比較電路202;
[0058] 所述采樣及調(diào)理電路201同時將測試的電學(xué)參數(shù)傳送至所述DSP控制器204中，所 述DSP控制器204對接收到的電流、電壓波形進(jìn)行計(jì)算，得出電學(xué)參數(shù)的電學(xué)特性，包括但不 限于電流、電壓的乘積、以及電流電壓的相位差。所述DSP控制器204將該電學(xué)參數(shù)通過所述 轉(zhuǎn)換器203發(fā)送至所述比較電路202中。
[0059] 所述比較電路202中預(yù)存整個超聲波電源系統(tǒng)的輸出功率預(yù)設(shè)值，所述比較電路 202接受了所述電學(xué)參數(shù)與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比對，如果存在差異，則將信號發(fā)送至所述輸出接口 電路206,所述輸出接口電路將所述比較電路202發(fā)送的信號進(jìn)行發(fā)送至所述DSP控制器 204〇
[0060] 本實(shí)施例中所述轉(zhuǎn)換器203為數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
[0061]所述DSP控制器204在所述比較電路202判斷電路工作在非預(yù)設(shè)環(huán)境時，將對所述 驅(qū)動電路205發(fā)送控制信號，驅(qū)動電路205接收到控制信號后，對超聲波主電路進(jìn)行控制。 [0062]例如，本實(shí)施例中，驅(qū)動電路205采用PWM電路與IGBT驅(qū)動的模式對連接的IGBT逆 變電路進(jìn)行控制，所述DSP控制器204接收到所述比較電路202的信號，判斷目前超聲電源輸 出與預(yù)設(shè)功率不符時，控制PWM電路的占空比，并經(jīng)驅(qū)動電路放大，控制全橋逆變電路的輸 出電流和電壓的增大或減小，從而實(shí)現(xiàn)超聲波電源的恒功率輸出；
[0063]當(dāng)所述電流電壓的相位差在所述超聲波電源工作過程中發(fā)生偏差時，所述DSP控 制器將調(diào)節(jié)PWM的頻率及相位，從而實(shí)現(xiàn)超聲波電源的鎖相輸出。
[0064]作為一種改進(jìn)的選擇，所述DSP控制器204包括一 CAP模塊，即捕捉模塊，所述CAP模 塊能夠獲取所述采樣機(jī)調(diào)理電路獲取的電學(xué)參數(shù)，并計(jì)算電流、電壓的相位差。
[0065] 作為一種改進(jìn)的選擇所述DSP控制器通過UART接口電路連接至人機(jī)交互界面，供 用戶控制超聲電源控制系統(tǒng)。
[0066]盡管參照前述實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)的說明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來 說，其依然可以對前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn) 行等同替換，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng) 包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種超聲波電源阻抗匹配系統(tǒng)，包括阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)與換能器等效網(wǎng)絡(luò)，其特征在于， 所述阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)與超聲波主電路耦合，所述阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)包括由所述超聲波主電路漏感 形成的具有電感電學(xué)特性的等效電感Le。2. 如權(quán)利要求1所述的超聲波電源阻抗匹配系統(tǒng)，其特征在于，所述阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)包括 補(bǔ)償電阻C2,所述換能器等效網(wǎng)絡(luò)包括靜態(tài)電容CO與動態(tài)阻抗。3. -種超聲波電源控制系統(tǒng)，其特征在于，包括一超聲波主電路、一超聲波控制系統(tǒng)、 一工具頭系統(tǒng)及如權(quán)利要求1或2所述的阻抗匹配系統(tǒng)； 所述超聲波主電路通過所述阻抗匹配系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與所述工具頭系統(tǒng)的阻抗匹配與連接； 所述超聲波控制系統(tǒng)與所述阻抗匹配系統(tǒng)連接獲取其輸出信號； 所述超聲波控制系統(tǒng)與所述超聲波主電路連接并控制其工作狀態(tài)。4. 如權(quán)利要求3所述的超聲波電源控制系統(tǒng)，其特征在于，所述超聲波控制系統(tǒng)包括一 采樣及調(diào)理電路、一比較電路、一轉(zhuǎn)換器、一DSP控制器、一驅(qū)動電路與一輸出接口電路； 所述采樣及調(diào)理電路與所述比較電路、所述DSP控制器分別相連，用于從所述阻抗匹配 系統(tǒng)中獲取其輸出信號； 所述DSP控制器與所述驅(qū)動電路、所述轉(zhuǎn)換器、所述輸出接口電路分別相連，用于從所 述采樣及調(diào)理電路中獲取電流、電壓波形，進(jìn)行處理，并通過所述轉(zhuǎn)換器傳送至所述比較電 路，所述DSP控制器通過控制所述驅(qū)動電路實(shí)現(xiàn)對所述超聲波主電路的控制； 所述比較電路獲取功率預(yù)設(shè)值、電流相位值、電壓相位值，并與獲取的實(shí)際功率值、實(shí) 際電流相位值、實(shí)際電壓相位值相比較，并在存在差異時向所述轉(zhuǎn)換器向所述DSP控制器發(fā) 送信號，所述比較電路還與所述輸出接口電路相連。5. 如權(quán)利要求4所述的超聲波電源控制系統(tǒng)，其特征在于，所述DSP控制器還包括捕捉 模塊，用于獲取所述采樣及調(diào)理電路獲取的電學(xué)參數(shù)。6. 如權(quán)利要求4所述的超聲波電源控制系統(tǒng)，其特征在于，DSP控制器通過UART接口電 路連接至人機(jī)交互界面，供用戶控制超聲電源控制系統(tǒng)。7. 如權(quán)利要求4所述的超聲波電源控制系統(tǒng)，其特征在于，所述驅(qū)動電路包括PWM電路 與IGBT驅(qū)動電路。
【文檔編號】H03H7/01GK205563167SQ201620073869
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年1月25日
【發(fā)明人】陳劍平, 蔣文斌, 賀亮明, 黃自永
【申請人】深圳市德知拓電源技術(shù)有限公司