專利名稱：：數(shù)字式大功率多用途超聲波電源系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本實用新型涉及超聲波電源
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別是一種數(shù)字式大功率多用途的超聲波電源系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：在現(xiàn)有技術(shù)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(shù)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于多種超聲波換能器組合的負載設(shè)備，例如超聲波清洗機的電源就不能通用于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分辨率不能同時滿足多種完全不同用途的超聲波換能器負載設(shè)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(dāng)要求滿足萬瓦以上功率時，則又不能實現(xiàn)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(fā)現(xiàn)同時具備數(shù)字式大功率多用途的超聲波電源。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)之不足，而提供一種簡捷、高效、方便、可靠的超聲波電源系統(tǒng)，從而實現(xiàn)超聲波電源數(shù)字化大功率多用途之目的。本實用新型的目的由以下技術(shù)方案來實現(xiàn)—種數(shù)字式大功率多用途超聲波電源系統(tǒng)，包括有機箱和面板，其機箱內(nèi)設(shè)有顯示電路板A、鍵盤電路板B、主控電路板C、驅(qū)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分別連接脈沖電路Cl、振蕩信號發(fā)生器C4、電壓給定電路C3、全橋驅(qū)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(fā)生器C6，斬波信號發(fā)生器C6的輸出分別連接驅(qū)動信號放大電路C9和驅(qū)動電路板D中的電壓取樣隔離電路D9，全橋驅(qū)動信號電路C5的輸出連接驅(qū)動信號放大電路C9，驅(qū)動信號放大電路C9的輸出分別連接驅(qū)動電路板D上的全橋驅(qū)動信號隔離電路Dl和斬波信號隔離電路D2，振蕩信號發(fā)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(qū)動信號電路C5，頻率跟蹤電路C7連接驅(qū)動電路板D上的跟蹤信號取樣隔離電路D8;在驅(qū)動電路板D中，全橋驅(qū)動信號隔離電路Dl接全橋驅(qū)動電路D3，全橋驅(qū)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(qū)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(qū)動電路D4，斬波驅(qū)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(tǒng)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(shù)和匝比以及電感的磁芯大小、繞組參數(shù)應(yīng)與超聲波換能器的電氣參數(shù)、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(dān)當(dāng)中央處理器職能，組成主控系統(tǒng)，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)與控制；實現(xiàn)(10——85)KHz范圍內(nèi)頻點任選和大于萬分之一精度的頻率源；實現(xiàn)共一個頻率信號源進行16路分配與驅(qū)動；實現(xiàn)各種控制信號和指令數(shù)據(jù)的發(fā)出；實現(xiàn)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(shù)字處理系統(tǒng)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，形成便于人機對話的友好界面。上述驅(qū)動電路板D(分機板)提供2KW功率驅(qū)動源。在配置多臺直流開關(guān)電源和多套阻抗匹配電路的基礎(chǔ)上，最多可以驅(qū)動16塊驅(qū)動電路板D。阻抗匹配電路E負責(zé)對不同的負載，即不同電氣參數(shù)的超聲波換能器進行阻抗匹配。電源電路F負責(zé)為整機提供各種不同參數(shù)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(shù)字處理中心，全面協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)中的各種信號、數(shù)據(jù)、發(fā)出各種控制指令。二、頻率信號源具有10——85KHz范圍內(nèi)頻點任選及頻率精度大于萬分之一的精度。三、在共一個頻率信號源的基礎(chǔ)上進行1——16路分配和驅(qū)動，實現(xiàn)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(shù)的超聲波換能器諧振的阻抗匹配技術(shù)特點。綜上所述，本實用新型應(yīng)屬于數(shù)字化大功率多用途超聲波電源系統(tǒng)?？梢杂糜诔暡ㄇ逑丛O(shè)備、超聲波焊接設(shè)備、超聲波乳化設(shè)備、超聲波植物提取(萃取)設(shè)備及超聲波污水處理等設(shè)備。圖1是本實用新型的系統(tǒng)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(qū)動電路板(分機板)原理圖。上述圖2中，l-數(shù)字顯示時鐘為時、十分、分；2-數(shù)字顯示調(diào)制頻率為十赫茲、赫茲；3-數(shù)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(jié)構(gòu)和電路是本實用新型一個實施例的結(jié)構(gòu)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(jù)輸入的指令發(fā)出電壓控制信號和驅(qū)動信號分別到電壓給定電路C3、全橋驅(qū)動信號電路C5，并在顯示電路板A及其界面上(見圖2)實時顯示各種控制信號的數(shù)據(jù)。脈沖電路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(jīng)斬波信號發(fā)生器C6進行電壓_頻率變換產(chǎn)生斬波信號，并與全橋驅(qū)動信號電路C5產(chǎn)生的全橋信號經(jīng)由驅(qū)動信號放大電路C9傳送至分機板D(即驅(qū)動電路板，見圖5)。主控板C上的振蕩信號發(fā)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(jù)跟蹤信號取樣隔離電路D8產(chǎn)生的反饋頻率信號到頻率跟蹤電路C7，進行比較生成穩(wěn)定的頻率信號到工作模式切換電路C8，以控制全橋驅(qū)動信號電路C5，經(jīng)驅(qū)動信號放大電路為驅(qū)動電路板D提供穩(wěn)定的頻率驅(qū)動信號。斬波信號發(fā)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(qū)動電路板D提供穩(wěn)定的功率驅(qū)動信號。在驅(qū)動電路板D即分機板中(見圖5)，全橋驅(qū)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(qū)動信號與驅(qū)動電路板D進行源隔離。隔離后的信號經(jīng)由全橋驅(qū)動電路D3、斬波驅(qū)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)，將放大后的電功率轉(zhuǎn)換為超聲功率。保護電路D7根據(jù)全橋功率放大電路D5的工作狀況進行監(jiān)控，如有異常便中止全橋驅(qū)動電路D3的輸出，從而對驅(qū)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(zhuǎn)變?yōu)橹绷鞯碾娫措娐稦，提供驅(qū)動電源輸送到斬波器電路D6，為全橋驅(qū)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(guān)系，現(xiàn)將系統(tǒng)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(qū)動。分機板上的IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4四個IGBT管構(gòu)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(qū)動電路驅(qū)動。這兩個半橋驅(qū)動電路是完全相同的。二、半橋驅(qū)動電路(見圖5)以右半橋即IGBT1、IGBT4為例。由主控板來的驅(qū)動信號先通過高速光耦U136N137經(jīng)六緩沖驅(qū)動器U167407電平轉(zhuǎn)換，再經(jīng)高頻高速驅(qū)動器U17TPS2814驅(qū)動場效應(yīng)管Q1IF830A，經(jīng)脈沖變壓器Bl輸出到IGBT的G極。高頻高速驅(qū)動器TPS2814由兩個驅(qū)動單元組成。每個驅(qū)動單元是雙與門輸入，在本系統(tǒng)中，一個與門輸入驅(qū)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(qū)動器TPS2814的輸出管腳將變?yōu)榈碗娖?，IGBT關(guān)斷。IF830A為功率驅(qū)動管，即場效應(yīng)管。D15、R69是放電回路，R69的阻值決定了IGBTG極控制信號脈沖的下降時間，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(guān)斷，增強抗干擾能力。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(qū)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(chǎn)生給定頻率的方波信號，在短接環(huán)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沖，此脈沖和經(jīng)U24A、U24B、U24C延遲后的方波信號由U26B與門處理后得到一路半橋驅(qū)動信號RG。[0043]另一路半橋驅(qū)動信號LG則由U24F、U24A、U24B、U25B、U26A處理后產(chǎn)生。R14、C21和R13、C20分別決定了U25A、U25B輸出脈沖的寬度。這個寬度也就是所謂的'死區(qū)'，即一個半橋關(guān)斷后必須延遲'死區(qū)'時間后才能開通另一半橋，防止出現(xiàn)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(guān)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(guān)半橋驅(qū)動信號的電路。U11ULN2803A是半橋驅(qū)動信號的驅(qū)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(jīng)D1N4148二極管、D101N4148二極管、R24加在轉(zhuǎn)換方波器U11ALM339上，如果電流超過給定值，雙上升沿D觸發(fā)器U12A74HC74就被觸發(fā)，GLBH過流保護信號就將高頻高速驅(qū)動器TPS2814禁止，全橋及直流斬波電路停止工作。調(diào)整可調(diào)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(fù)位后可以解除保護，重新開機。五、斬波電路(見圖3)為了調(diào)整振蕩電源的輸出功率，使用了直流斬波電路。220V交流電經(jīng)整流橋變?yōu)橹绷骱螅?jīng)斬波電路調(diào)整為給定的直流電壓。改變斬波信號的占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為浪涌電流抑制器，KD1MUP20100為續(xù)流二極管，L2、C7、C5、C6為濾波電路。六、斬波驅(qū)動電路(見圖5)由主控板來的斬波驅(qū)動信號進入分機板后，先通過高速光耦U156N137，經(jīng)六緩沖驅(qū)動器U167407電平轉(zhuǎn)換，再經(jīng)高頻高速驅(qū)動器U18TPS2814驅(qū)動高速高壓光耦U21TLP559，高速高壓光偶U21TLP559的輸出經(jīng)Q3、六位驅(qū)動器U22CLN2803A功率放大后驅(qū)動IGBTO。DW13穩(wěn)壓管為IGBT提供負電壓，保證可靠關(guān)斷，增強抗干擾能力。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)主控板的脈沖信號器TL494在外圍器件配合下產(chǎn)生頻率約6KHz的脈沖信號，改變數(shù)字電位器U12X9C103的輸出，可以改變脈沖信號的占空比。分機板上的R21、D8、U34N37光偶是電壓測量回路，其輸出送到主控板的W1電位器形成反饋信號，脈沖信號器TL494將它與數(shù)字電位器U12X9C103的輸出電壓進行比較后自動改變脈沖信號的占空比，從而保證斬波后直流電壓的穩(wěn)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位同步二進制計數(shù)器和振蕩器構(gòu)成1/2秒時鐘信號發(fā)生器。九、預(yù)置值的設(shè)定(見圖3)主控板上的SW3、SW2、SW1是三組8位開關(guān)(或稱跳線)，用來輸入頻率預(yù)置值。開6關(guān)設(shè)定見下表。開關(guān)短接定義為l，開路為0。<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>開關(guān)每4位按BCD碼格式對應(yīng)一位十進制數(shù)，如下表。<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>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(shù)點的數(shù)值加1。減-按一下將點量小數(shù)點的數(shù)值減1。上一項-按一下將點量的小數(shù)點左移一位。下一項-按一下將點量的小數(shù)點右移一位。開-開啟超聲波電源輸出。停-關(guān)閉超聲波電源輸出。本系統(tǒng)還必須安裝總電源開關(guān)，當(dāng)總電源開關(guān)合上時系統(tǒng)的控制電路就投入工作。十二、頻率自動跟蹤(見圖3、圖5)當(dāng)系統(tǒng)工作在頻率跟蹤狀態(tài)，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(jīng)轉(zhuǎn)換方波器U11CLM339轉(zhuǎn)換為方波信號，由高速光耦U106N137送到主控板的14位同步二進制計數(shù)器和振蕩器U6CD4046的3腳BIN;分機板取出換能器的電壓信號經(jīng)轉(zhuǎn)換方波器UllBLM339轉(zhuǎn)換為方波信號，由高速光耦U46N137送到主控板的14位同步二進制計數(shù)器和振蕩器U6CD4046的14腳AIN。如果AIN、BIN的相位差不為0，那么14位同步二進制計數(shù)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(zhuǎn)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(jīng)過一段時間后自動轉(zhuǎn)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(yīng)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(guān)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(guān)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桿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(guān)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(guān)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(quán)利要求一種數(shù)字式大功率多用途超聲波電源系統(tǒng)，包括有機箱和面板，其特征在于機箱內(nèi)設(shè)有顯示電路板(A)、鍵盤電路板(B)、主控電路板(C)、驅(qū)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)分別連接脈沖電路(C1)、振蕩信號發(fā)生器(C4)、電壓給定電路(C3)、全橋驅(qū)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(fā)生器(C6)，斬波信號發(fā)生器(C6)的輸出分別連接驅(qū)動信號放大電路(C9)和驅(qū)動電路板(D)中的電壓取樣隔離電路(D9)，全橋驅(qū)動信號電路(C5)的輸出連接驅(qū)動信號放大電路(C9)，驅(qū)動信號放大電路(C9)的輸出分別連接驅(qū)動電路板(D)上的全橋驅(qū)動信號隔離電路(D1)和斬波信號隔離電路(D2)，振蕩信號發(fā)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(qū)動信號電路(C5)，頻率跟蹤電路(C7)連接驅(qū)動電路板(D)上的跟蹤信號取樣隔離電路(D8)；在驅(qū)動電路板(D)中，全橋驅(qū)動信號隔離電路(D1)接全橋驅(qū)動電路(D3)，全橋驅(qū)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(qū)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(qū)動電路(D4)，斬波驅(qū)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(quán)利要求1所述的數(shù)字式大功率多用途超聲波電源系統(tǒng)，其特征在于所述電源系統(tǒng)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(shù)和匝比以及電感的磁芯大小、繞組參數(shù)與超聲波換能器的電氣參數(shù)、連接方式相匹配。3.按權(quán)利要求1所述的數(shù)字式大功率多用途超聲波電源系統(tǒng)，其特征在于所述電源系統(tǒng)的主控電路板(C)以AT89C52單片機為核心組成負責(zé)協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)工作的中央處理器。4.按權(quán)利要求1所述的數(shù)字式大功率多用途超聲波電源系統(tǒng)，其特征在于所述以中央處理器為核心的數(shù)字處理系統(tǒng)與顯示電路板(A)及鍵盤電路板(B)相連接形成便于人機對話的友好界面。5.按權(quán)利要求1所述的數(shù)字式大功率多用途超聲波電源系統(tǒng)，其特征在于所述電源系統(tǒng)在配置多臺直流開關(guān)電源和多套阻抗匹配電路的基礎(chǔ)上，最多可以驅(qū)動16塊驅(qū)動電路板(D)。專利摘要一種數(shù)字式大功率多用途超聲波電源系統(tǒng)，主要由計算機數(shù)字處理、寬頻帶頻點任選信號源、驅(qū)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(qū)動16塊驅(qū)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(shù)和匝比以及電感的磁芯大小、繞組參數(shù)應(yīng)與超聲波換能器的電氣參數(shù)、連接方式相匹配，使其通用性強。本電源系統(tǒng)可用作超聲波清洗設(shè)備、超聲波乳化設(shè)備、超聲波提取設(shè)備、超聲波焊接設(shè)備和超聲波廢水處理等設(shè)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(yōu)先權(quán)日2009年7月21日發(fā)明者余立成,徐頌凡,李茜,杜水源,杜鵬申請人:武漢嘉鵬電子有限公司