自动阻抗匹配的超声波电路驱动器及其自动动态匹配方法 |
|||||||
| 申请号 | CN201610961738.3 | 申请日 | 2016-11-04 | 公开(公告)号 | CN106357149A | 公开(公告)日 | 2017-01-25 |
| 申请人 | 哈尔滨工业大学深圳研究生院; | 发明人 | 隆志力; 李祚华; 孙文栋; 赵爽; 张建国; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种自动阻抗匹配的 超 声波 电路 驱动器 及其自动动态匹配方法，其包括相互衔接的高速 单片机 模 块 、DDS 信号 生成模块、功率放大模块、阻抗动态匹配模块、信号采集与控 制模 块和保护电路模块；本发明的设计巧妙、合理，动态匹配模块由一系列的电感器件组成，通过匹配 算法 控 制动 态匹配模块的电感，满足系统在电路结构上的谐振，使得电路系统 能量 的最大输出，达到超声驱动器与换能器的合理匹配。高速单片机模块可实现整个超声驱动器的数字控制，信号生成是采用DDS数字式方法实现 正弦波 信号的生成，功放放大模块可将驱动 电压 与 电流 信号提升到换能器所需要的功率，信号 控制模块 可实现 频率 自动 跟踪 等功能。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种自动阻抗匹配的超声波电路驱动器，其特征在于，其包括相互衔接的高速单片机模块、DDS信号生成模块、功率放大模块、阻抗动态匹配模块、信号采集与控制模块和保护电路模块；其中所述高速单片机模块为采用32位以上的数字单片机，所述DDS信号生成模块利用DDS频率合成技术，产生一定频率范围的正弦波信号；所述功率放大模块采用IGBT晶体管组成的全桥电路；所述阻抗动态匹配是利用一系列的电感，根据电路的电流与相位反馈信号，自动切换成所需的最佳电感；所述信号采集与控制模块用于采集电路中的电压、电流与温度信号，与设置值相比较并作出相关信息反馈。 |
||||||
| 说明书全文 | 自动阻抗匹配的超声波电路驱动器及其自动动态匹配方法技术领域背景技术[0002] 随着科技的飞速发展，各领域的重大突破，超声波应用已经跨越大部分领域，不仅在国防工业领域、军工领域、医学领域及生活领域都占有举足轻重的地位，在经济体中的重要性也愈加明显。 [0003] 超声振动系统主要由超声驱动电路、匹配电路、换能器和超声加工工具构成。其中，驱动电路主要包括信号产生电路、信号处理及功率放大等，是超声系统的能量来源；超声加工工具一般为手术的执行工具；超声换能器是主要的能量转换元件，将驱动电路产生的电能转化成加工设备所需要的能量，如机械能、热能等；匹配电路则是调高超声换能器的能量转换甚至是否工作的关键电路。 [0004] 为了提高压电超声换能器的输出功率和能量转换效率，需要对换能器的电端进行电学匹配，其在功率超声应用领域占有相当重要的地位。电学匹配主要是在超声电源与换能器之间加载匹配电路，它主要可以解决变阻和调谐问题。根据电路知识，将换能器的阻抗等于超声电源的内阻抗，此时的功率最大，目前一般采用串联变换器实现。调谐则是通过串联或者并联元器件抵消换能器的容性，使换能器两端的相位差为零，减小无功功率的产生。这也是目前超声领域研究重点之一。 [0005] 对于超声波驱动电路，传统的匹配电路主要从静态匹配方面开展。静态匹配原理是通过获取换能器的等效参数，计算出系统谐振频率值，选择满足其匹配参数电感与电容值，通过合理的一组参数值就可以保证系统调谐匹配。当采用静态匹配时，换能器不会产生无功功率，这种方法经实验验证，简单可行，对换能器空载有明显的效果。但工作时间过长，会有谐波产生和匹配元件发热等现象。在工程领域，静态匹配使用的电感与电容是通过人为经验确定，或通过不断尝试后得到，其过程耗时耗力，而且得到的电感电容时不一定达到最优值。另外，当换能器处于工作过程，其负载均为动态变化过程，由于传统上使用的静态匹配方法，其匹配的电感与电容是固定的，不能对动态变化的负载进行在线实时的匹配，降低了系统的能量轮换效率，此外还造成系统产生大量的热量，严重影响超声波系统的性能与稳定性，对于高精度要求的超声焊接、超声加工、超声绑定行业来说，传统的静态匹配方法成为性能提升的瓶颈。 发明内容[0006] 针对上述不足，本发明的目的在于，提供一种结构设计巧妙、合理，能适应各种不同负载与工况，提高能量转换效率，具有实时动态阻抗匹配的自动阻抗匹配的超声波电路驱动器。 [0007] 为实现上述目的，本发明所提供的技术方案是：一种自动阻抗匹配的超声波电路驱动器，其包括相互衔接的高速单片机模块、DDS信号生成模块、功率放大模块、阻抗动态匹配模块、信号采集与控制模块和保护电路模块；其中所述高速单片机模块为采用32位以上的数字单片机，如ARM、DSP微处理器。该高速单片机模采用直接数字频率合成 DDS技术，具有输出频率频谱范围宽、频率变换速度快、频率分辨精度高和输出波形任意、失真小、相位噪声低、相位可快速切换且连续调节等特点。所述DDS信号生成模块利用DDS频率合成技术，产生一定频率范围的正弦波信号；所述功率放大模块采用IGBT晶体管组成的全桥电路；所述阻抗动态匹配是利用一系列的电感，根据电路的电流与相位反馈信号，自动切换成所需的最佳电感；所述信号采集与控制模块用于采集电路中的电压、电流与温度信号，与设置值相比较并作出相关信息反馈。以上模块相互衔接，相辅相成，组成具有性能稳定的具有自动阻抗匹配的自动阻抗匹配的超声波电路驱动器。 [0009] 作为本发明的一种改进，所述功率放大模块为由2SC5200和2SA1943互补对称的大功率晶体管，具有比较高的输出功率和转换效率。 [0010] 作为本发明的一种改进，所述阻抗动态匹配模块由基准可调电感和自动调节电感串联组成，自动调节串联电感部分采用七个电感串联而成，七个电感分别为1μH、4.7μH、12μH、27μH、56μH、68μH和100μH，此范围可满足超声换能器的匹配要求。 [0011] 作为本发明的一种改进，所述信号采集与控制模块对电路中的电压、电流与温度信号进行采集，作为反馈信号切换选择所述阻抗动态匹配模块中的电感。 [0013] 一种上述的自动阻抗匹配的超声波电路驱动器的自动动态匹配方法，其包括以下步骤：所述高速单片机模块生成信号频率可调节的驱动器信号源，同时采集驱动器的反馈信号，包括有超声换能器的电压、电流、相位、频率以及相关信号，对系统的频率与电压进行数字控制； DDS信号生成模块通过高速单片机模块的控制，生成所需频率范围的正弦波信号； 功率放大模块将DDS信号生成模块所生成的正弦波信号进行放大，以满足超声换能器足够的振幅输出； 信号采集与控制模块采集流过超声换能器的电压、电流、相位、频率以及相关信号，作为负载动态变化的控制参数，传送到所述高速单片机模块； 阻抗动态匹配模块根据因负载的动态变化的电压、电流、相位以及相关信号，根据预定的判断算法，自动在线实时地调整电感网络的电感值，切换并选择最优电感值，达到超声驱动器与换能器的合理匹配目的。 [0014] 本发明的有益效果为：本发明的电路架构设计巧妙、合理，根据超声换能器工作过程的负载动态变化，通过信号采集与控制模块采集电路中的电压、电流、相位等反馈信号，建立反馈信号与负载变化的对应关系，通过反馈信号的变化值，加上高速单片机模块的数字控制，实时在线的切换调整阻抗匹配网络的最优电感值，使得电路驱动器与超声换能器的最佳匹配，有效提升能量转换效率，增大超声波振幅的输出，而且发热量小，有效地提高了超声驱动器的可靠性与稳定性。高速单片机模块采用32位ARM或DSP微处理器，可生成驱动器的电压信号，并可通过信号采集与控制模块采集电路的电压、电流、相位、频率等反馈信号，实现频率跟踪、电压可调、电流可调、功率可调的数字式控制，便于用户的操作与自定义，以及人机交互；并基于直接数字频率合成 DDS技术，具有输出频率频谱范围宽、频率变换速度快、频率分辨精度高和输出波形任意、失真小、相位噪声低、相位可快速切换且连续调节等特点。功率放大模块是采用IGBT晶体管形成的全桥电路架构，可将驱动器的功率、电压、电流提升到一定值（如2000瓦），有效满足换能器的能量输出。保护电路模块是对系统的保险丝、防雷击，防电流浪涌，防止传导干扰和抑制共模干扰的电感、电容等进行保护，以及温度传感器采集整个系统的温度，并提出报警等，有效地提高了系统的安全性、工作稳定性高，使用寿命长，易于广泛推广使用。 附图说明[0016] 图1是本发明的模块示意框图。 [0017] 图2是本发明中的阻抗动态匹配模块的阻抗动态匹配示意图。 [0018] 图3是是本发明中的阻抗动态匹配模块的阻抗动态匹配细节图。 具体实施方式[0019] 参见图1至图3，本实施例提供的一种自动阻抗匹配的超声波电路驱动器，其包括相互衔接的高速单片机模块、DDS信号生成模块、功率放大模块、阻抗动态匹配模块、信号采集与控制模块和保护电路模块；其中所述高速单片机模块为采用32位以上的数字单片机，如ARM、DSP微处理器。所述DDS信号生成模块利用DDS频率合成技术，产生一定频率范围的正弦波信号；所述功率放大模块采用IGBT晶体管组成的全桥电路；所述阻抗动态匹配是利用一系列的电感，根据电路的电流与相位反馈信号，自动切换成所需的最佳电感；所述信号采集与控制模块用于采集电路中的电压、电流与温度信号，与设置值相比较并作出相关信息反馈。以上模块相互衔接，相辅相成，组成具有性能稳定的具有自动阻抗匹配的自动阻抗匹配的超声波电路驱动器。 [0020] 所述高速单片机模块一方面可以作为整个驱动器的信号源，即通过ARM单片机生成10k到300kHz的正弦波信号，其信号频率是可调的，另一方面，所述高速单片机模块又可以采集驱动器的反馈信号，如超声换能器的电压、电流、相位、频率等信号，对系统的频率与电压进行数字控制。DDS信号生成模块通过高速单片机模块的控制，可生成所需频率范围的正弦波信号。然而，由DDS信号生成模块产生的正弦波信号幅值比较小，不足够驱动超声换能器。因此，功率放大模块能将DDS信号生成模块的电压值（或功率值）提高到足够的范围，如2000瓦，以满足超声换能器足够的振幅输出。信号采集与控制模块通过一个取样电阻（如10欧姆），采集流过超声换能器的电压、电流、相位、频率信号，作为负载动态变化的控制参数，传送到所述高速单片机模块。阻抗动态匹配模块是根据负载的动态变化而反映在电压、电流、相位等反馈信号，通过高速单片机模块的嵌入式系统的程序，根据预定的判断算法，自动在线实时地调整电感网络的电感值，切换并选择最优电感值。保护电路模块是对整个驱动器系统的安全性进行保护，即对系统产生的过压、过流、温度过高等可靠性进行保护。 [0021] 本实施例中，高速单片机模块采用Cortex-M3内核的32位处理器，具有较高的运算速度，可实现系统的快速计算能力。ARM单片机的Cortex-M3处理器采用ARM V7哈佛架构，具有带分支预测的3级流水线，中断延迟最大只有12个时钟周期，在末尾连锁的时候只需要6个时钟周期，数据处理能力强、功耗低，具备高速的指令执行速度和较低的硬件成本，与DSP硬件集成度相似，具有集成于芯片内部的ADC、DAC、DMA总线、定时/计数器以及中断处理器等功能模块，因此成为本发明的最优设计方案。 [0022] 信号生成模块的主要功能是产生对超声换能器的驱动信号，可以快速、准确地根据微处理器输出的控制信号改变驱动信号的频率、相位、幅值，以实现调频、调相以及调幅的目的。本发明采用的是采用直接数字频率合成 DDS技术，DDS是一种新的频率合成技术和数字信号生成方法，具有输出频率频谱范围宽、频率变换速度快、频率分辨精度高和输出波形任意、失真小、相位噪声低、相位可快速切换且连续调节等特点。 [0023] 本实施例中所述功率放大模块为由2SC5200和2SA1943互补对称的大功率晶体管，采用双电源互补对称功放电路OCL（Output Capacitorless），电路的拓扑结构由输入级、驱动级和输出级以及反馈模块组成。输入级采用带恒流源的差动放大电路，差动放大电路可以抑制共模信号噪声干扰和温度漂移，信号失真小，静态偏置工作时电流较小，保证电路工作稳定。驱动级是有源负载的共射级放大电路，为后级输出提供足够高的电压放大倍数以及足够大的驱动电流。输出级采用复合管级联构成的甲乙类互补功放，向负载提供足够大的输出功率，提高系统带载能力并增大输出电压和电流的动态范围。反馈模块的直流反馈电路实现静态工作点的稳定，交流负反馈保证了系统稳定的电压放大倍数，提供过流保护功能，因此改善了电路的性能。 [0024] 所述阻抗动态匹配模块由基准可调电感和自动调节电感串联组成。本实施例中，具体的，阻抗动态匹配模块提出了一种数字式可调电感网络，主要由基准可调电感和自动调节电感串联组成。如图2所示。图中为数字式电感的基准可调电感部分，可以根据不同换能器的参数进行大方向的调节。相对来说，这种改进的数字式电感调节范围大、适用性强。图2中的L 1到L 2对数字式电感的微调部分，针对换能器参数改变情况对匹配参数进行微调，确保对电路的匹配的准确性。本发明中，基准可调电感的值选择为81μH，根据阻抗分析仪测出超声换能器的基本参数，自动调节串联电感部分来弥补换能器在工作过程中参数时所需的匹配电感差值。当超声换能器的动态电阻参数变化时，所需的匹配电感值变化范围比较大。根据大量实验数据可得，自动调节串联电感部分选用1μH、4.7μH、12μH、27μH、56μH、 68μH和100μH七个电感串联而成，其整体的匹配电路设计如图3所示。 [0025] 所述信号采集与控制模块对电路中的电压、电流与温度信号进行采集，作为反馈信号切换选择所述阻抗动态匹配模块中的电感。信号采集与控制模块采用电阻采样方案，在此模块中，重点对采样电阻选型，电路中采样电阻选定为RNG-8型低阻金属箔精密采样电阻，其功率为2W，阻值偏差为0.1Ω，温度系数±5，耐压值为1000V，采用无感设计，线性度好，稳定性高。信号采集与控制模块采用高阶有源带通滤波放大电路，对反馈采集到的电压、电流信号完成滤波放大以及限幅保护等功能。理想滤波电路的频率响应在通带内应具有一定幅值和线性相移，而在阻带内其幅值应为零。采用巴特沃思响应的二阶带通滤波器，其脉冲响应优于切比雪夫响应，衰减速率优于贝塞尔滤波。由于系统要求处理的信号带宽范围很宽，其上下限截止频率分别达到10kHz和100kHz，因此采用一级二阶高通滤波器与一级二阶低通滤波器相级联的方法，巴特沃思响应的低通滤波器是具有单位增益的正反馈型低通滤波器，亦称Sallen-Key电路所述保护电路模块包括保险丝过流保护单元、防雷击保护单元、防电流浪涌电阻单元、防止传导干扰单元、抑制共模干扰单元、过热保护单元和报警单元。保护电路模块主要涉及到开关电源和反馈检测电路的过压、过流等异常情况保护，还包括IO通信并口的光耦隔离模块。开关电源设计的保护电路主要包括保险丝过流保护、防雷击保护，防电流浪涌电阻，防止传导干扰和抑制共模干扰的电感、电容等模块的设计，确保了驱动器性能很大提升工作稳定性高，使用寿命长。 [0026] 一种上述的自动阻抗匹配的超声波电路驱动器的自动动态匹配方法，其包括以下步骤：所述高速单片机模块生成信号频率可调节的驱动器信号源，同时采集驱动器的反馈信号，包括有超声换能器的电压、电流、相位、频率以及相关信号，对系统的频率与电压进行数字控制； DDS信号生成模块通过高速单片机模块的控制，生成所需频率范围的正弦波信号； 功率放大模块将DDS信号生成模块所生成的正弦波信号进行放大，以满足超声换能器足够的振幅输出； 信号采集与控制模块采集流过超声换能器的电压、电流、相位、频率以及相关信号，作为负载动态变化的控制参数，传送到所述高速单片机模块； 阻抗动态匹配模块根据因负载的动态变化的电压、电流、相位以及相关信号，根据预定的判断算法，自动在线实时地调整电感网络的电感值，切换并选择最优电感值，达到超声驱动器与换能器的合理匹配目的。本实施例中，电感切换判断过程如下:由过零比较法测得的相位差值作为判断切换电感的依据，根据相位差信号值的范围设置高速单片机模块GPIO引脚选择相应的电感值。当获得的当前相位差大于0并小于5度时，将电感状态定义为L01,将高速单片机模块的C端口置为高电平，并将第14、13、12、7、6、5、4脚置为低电平,此时导通继电器K2,选择1μH电感值。当获得的当前相位差大于5并小于10度时，将电感状态定义为L02,将高速单片机模块的C端口置为高电平，并将第15、13、12、7、6、5、4脚置为低电平,此时导通继电器K3,选择1.2μH电感值。以此类推，当获得的当前相位差大于45并小于50度时，将电感状态定义为L08，此时导通继电器K8,选择56uH电感值。通过多种电感的自动切换选择，从而可以获得超声波驱动电路的自动匹配功能。 [0027] 使用时，可以通过单片机程序控制可以方便灵活地实现输出信号的调频、调相和调幅功能，还可以实现系统的频率跟踪功能，恒定电压、恒定电流、恒定功率等功能，满足不同工况的工作需求，操作简单、方便。 |
||||||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈