一种自适应洗涤设备数控超声波驱动器的制作方法

本发明涉及超声波领域，更具体地说，涉及一种自适应洗涤设备数控超声波驱动器。

背景技术：

超声技术广泛应用于工业领域，设备复杂、价格较高、安装操作均需要专业人员，限制了民用的普及，随着环保压力的日益严峻，超声清洗无毒环保特性受到很多民用设备青睐。

超声应用的关键技术是超声驱动器，也是核心难点，它的性能、成本决定了它的普及程度。

另外，现有技术方案都存在一定的缺陷，如：1)采用自激振荡方式，主要由振荡变压器、谐振电容、功率管等分立元器件组成，硬件离散性大，性能与可靠性很难保证；2)pwm专用芯片改进型虽然驱动性能有所提高，但无法实现动态的变频变宽，驱动电路复杂，硬件成本也较高；3)谐振频率不能动态跟随负载的变化而改变，频率稳定度也会随温度、负载变化；4)输出功率无法联机调节与智能控制，保护功能欠缺，限制了应用推广。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种自适应洗涤设备数控超声驱动器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种自适应洗涤设备数控超声波驱动器，包括接收输入信号并将输入信号转换为直流信号的输入模块、与所述输入模块连接将所述直流信号转换为高压驱动信号的半桥驱动电路、与所述半桥驱动电路连接根据所述高压驱动信号进行振动的超声振动系统、与所述超声振动系统连接的隔离电压检测电路、与所述输入模块连接的电流检测电路、以及主控制电路；

所述隔离电压检测电路对所述超声振动系统的电压进行检测输出隔离电压检测信号；

所述电流检测电路对输入电流进行检测输出电流检测信号；

所述主控制电路分别与所述隔离电压检测电路、所述电流检测电路、所述半桥驱动电路连接，用于向所述半桥驱动电路输出驱动控制信号控制所述半桥驱动电路对所述直流信号的转换，同时在所述超声振动系统振动时根据所述隔离电压检测电路输出的隔离电压检测信号、所述电流检测电路输出的电流检测信号输出调节信号至所述半桥驱动电路以调节所述超声振动系统的振动功率。

在本发明所述的自适应洗涤设备数控超声波驱动器中，优选地，所述输入模块包括：

与外部电路连接，接收所述输入信号并对所述输入信号进行滤波处理的emi模块；

与所述emi模块连接，将所述输入信号进行整流输出直流信号至所述半桥驱动电路的整流滤波模块。

在本发明所述的自适应洗涤设备数控超声波驱动器中，优选地，还包括串联在所述输入模块与所述半桥驱动电路之间，对所述超声振动系统的超声波振子进行阻抗匹配的阻抗匹配网络电路。

在本发明所述的自适应洗涤设备数控超声波驱动器中，优选地，还包括串联在所述半桥驱动电路与所述超声振动系统之间，使所述超声振动系统根据所述高压驱动信号实现谐振振动的谐振电路。

在本发明所述的自适应洗涤设备数控超声波驱动器中，优选地，还包括分别与所述整流滤波模块、所述主控制电路连接，向所述主控制电路提供多种规格电压的辅助电源模块。

在本发明所述的自适应洗涤设备数控超声波驱动器中，优选地，所述半桥驱动电路包括驱动ic2、电阻r54、电容c5、电容ec5、二极管d3、电阻r5、电阻r6、电容ec4、二极管d10、电阻r47、电阻r49、电阻r40、电阻r39、电阻r38、电阻r48、电阻r50、二极管d9、二极管d7、二极管d8、mos管q1、以及mos管q2；

所述驱动ic2的第一端通过所述电容ec5接地，所述驱动ic2的第一端还通过所述电阻r54连接至电源，所述电容c5串联在所述电阻r54与地之间；所述驱动ic2的第二端和所述驱动ic2的第三端与所述主控制电路连接，所述驱动ic2的第二端还通过所述电阻r5接地，所述驱动ic2的第三端还通过所述电阻r6接地；所述驱动ic2的第四端接地；所述驱动ic2的第五端通过所述电阻r47与所述mos管q2的栅极连接，所述电阻r40串联在所述mos管q2的栅极与地之间，所述电阻r49与所述二极管d10串联后与所述电阻r47并联；所述驱动ic2的第六端通过所述电阻r38与所述mos管q1和所述mos管q2之间的节点连接，所述驱动ic2的第七端通过所述电阻r48与所述mos管q1的栅极连接；所述驱动ic2的第八端通过所述电容ec4连接至第六端；

所述二极管d3的阴极与所述驱动ic2的第八端连接，所述二极管d3的阳极与所述电容ec5的正端连接；所述二极管d9与所述电阻r50串联后与所述电阻r48并联；

所述电阻r39串联在所述mos管q1的栅极与所述驱动ic2的第六端之间；所述mos管q1的源极与所述mos管q2的漏极连接，所述mos管q1的漏极与所述输入模块连接，所述mos管q2的源极接地，所述二极管d7与所述二极管d8串联后并联在所述mos管q1的漏极与所述mos管q2的源极之间。

在本发明所述的自适应洗涤设备数控超声波驱动器中，优选地，所述隔离电压检测电路包括比较器ic1b、电容c9、电阻r64、光电耦合器ic5和ic6、电阻r11、电阻r10、电容ec9、可调电阻r53、电阻r12、电阻r13、双二极管d14、双二极管d15、电阻r68、以及电阻r69；

所述比较器ic1b的输出端与所述主控制电路连接、所述比较器ic1b的反向输入端与所述比较器ic1b的输出端连接、所述比较器ic1b的同向输入端通过所述电阻r64与电源连接；

所述光电耦合器ic6的第一端与所述比较器ic1b的同向输入端连接，所述光电耦合器ic6的第二端接地，所述光电耦合器ic6的第三端与所述光电耦合器ic5的第四端连接，所述光电耦合器ic6的第四端与所述双二极管d15的阳极连接；所述电容c9连接在所述光电耦合器ic6的第一端与地之间；

所述光电耦合器ic5的第三端通过所述电阻r11连接至第一端，所述光电耦合器ic5的第二端与所述电阻r10的第一端连接，所述电阻r10的第二端连接在所述光电耦合器ic6的第四端与所述双二极管d15的阳极之间；

所述电阻r53的第一端与所述光电耦合器ic5的第一端连接，所述电阻r53的第三端与所述双二极管d15的阴极连接；所述电容ec9并联在所述电阻r53的第一端与所述光电耦合器ic6的第四端与所述双二极管d15的阳极之间；所述电阻r12、所述电阻r13、所述双二极管d14依次与所述双二极管d15并联；

所述电阻r68的第一端与所述双二极管d15的内部阳极与阴极的节点连接，所述电阻r68的第二端与所述超声振动系统连接；所述电阻r69的第一端与所述双二极管d14的内部阳极与阴极的节点连接，所述电阻r69的第二端与所述超声振动系统连接。

在本发明所述的自适应洗涤设备数控超声波驱动器中，优选地，所述电流检测电路包括电阻r31、电阻r32、电容c12、电阻r62、电阻r9、电阻c21、比较器ic1a、电阻r36、电容ec3、电容c4、电阻r33、可调电阻r52、电阻r63、双二极管d12、电容c15、以及电容c17；

所述比较器ic1a的同向输入端和反向输入端分别通过所述电阻r31、所述电阻r32与所述输入模块连接，所述比较器ic1a的输出端通过所述电阻r33与所述主控制电路连接；所述比较器ic1a的供电端通过所述电阻r36与电源连接；所述比较器ic1a的接地端接地；所述比较器ic1a的供电端还通过所述电容c4接地，所述电容ec3与所述电容c4并联连接；

所述电容c12并联在所述比较器ic1a的同向输入端与反向输入端之间；所述电阻r62与所述电阻r9串联后并联在所述比较器ic1a的反向输入端与输出端之间；所述电容c21与所述电阻r9并联连接；

所述可调电阻r52的第一端与所述电阻r33的第二端连接，所述可调电阻r52的第三端通过所述电阻r63接地；所述双二极管d12的阴极与电源连接，所述双二极管d12的内部阳极与阴极的节点与所述电阻r33的第二端连接，所述双二极管d12的阳极接地；所述电容c15的第一端连接在所述电阻r33的第二端与所述主控制电路之间，所述电容c15的第二端接地；所述电容c17与所述电容c15并联连接。

在本发明所述的自适应洗涤设备数控超声波驱动器中，优选地，所述主控制电路包括微处理器。

在本发明所述的自适应洗涤设备数控超声波驱动器中，优选地，所述谐振电路包括谐振电感，所述谐振电感为功率谐振电感。

实施本发明的自适应洗涤设备数控超声波驱动器，具有以下有益效果：本发明通过采用半桥驱动电路替代原有昂贵的脉冲变压器，节省了成本，提升了驱动效率，同时对输出电压进行隔离检测及智能控制，把复杂的控制变量归一化为电流变量，实现低成本高可靠的应用，大大提升了应用范围。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明自适应洗涤设备数控超声波驱动器的功能框图；

图2是本发明半桥驱动电路一实施例的电路原理图；

图3是本发明隔离电压检测电路一实施例的电路原理图；

图4是本发明电流检测电路一实施例的电路原理图；

图5是本发明主控制电路一实施例的电路原理图；

图6是本发明阻抗匹配网络模块一实施例的电路原理图；

图7是本发明辅助电源一实施例的电路原理图；

图8是本发明谐振电路一实施例的电路原理图；

图9是本发明自适应洗涤设备数控超声波驱动器的测量电路线性图；

图10是现有技术普通测量电路线性图。

具体实施方式

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你，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。

参见图1，图1是本发明自适应洗涤设备数控超声波驱动器的功能框图。如图1所示，本发明的自适应洗涤设备数控超声波驱动器包括输入模块101、防护匹配网络模块20、半桥驱动电路30、谐振电路40、超声振动系统50、主控制电路60、隔离电压检测电路70、电流检测电路80、以及辅助电源模块90。具体地：

输入模块10，主要用于接收输入信号并将输入信号转换为直流信号。输入模块10包括emi模块101和整流滤波模块102。其中，emi模块101与外部电路连接，用于接收交流电压并对交流电压进行滤波处理。由于电路在工作过程中会受到电网的干扰，同时也会产生干扰电网的电噪声，因此在电源输入端接入滤波电路，可以起到双向电噪声隔离的作用。整流滤波模块102与emi模块101连接，对经emi模块101进行滤波处理的输入信号进行整流，将电网提供的工频交流电转换为直流电(即将输入信号转换为直流信号)。

阻抗匹配网络模块20，连接在整流滤波模块102与半桥驱动电路30之间，主要用于对超声振动系统50的超声波振子进行阻抗匹配。由于超声波振子为非线性器件，需要采用变压器对其实行阻抗匹配，才能完成功率传输。

参见图6，图6为本发明阻抗匹配网络模块20一具体实施例的电路原理图。如图6所示，阻抗匹配网络模块20包括电容ec1、电容ec2、电容cf1、电容cf2、电阻r26、变压器t1a、电容cf3、电阻r27、电阻r28、电阻r29、以及电阻r30。电容ec1与电容ec2依次串联在高压hv与高压地g_hv之间，且电容ec1的正端与整流滤波模块102连接，电容ec2的负端与整流滤波模块102连接；变压器t1a的第二端通过电容cf1与电容ec1和电容ec2之间的节点连接，变压器t1a的第一端与半桥驱动电路30连接；电容cf2与电阻r26串联后与变压器t1a并联；电容cf3的第一端与高压hv连接、电容cf3的第二端与高压地g_hv连接；电阻r27串联在电容cf3的第二端与高压地g_hv之间，电阻r30、电阻r29、电阻r28依次与电阻r27并联。

半桥驱动电路30，分别与阻抗匹配网络模块20、谐振电路40、主控制电路60连接，主要用于将输入模块10输出的直流信号转换为高压驱动信号。在本实施例中，输入模块10输出的直流信号还可通过阻抗匹配网络模块20进行阻抗匹配后再传输至半桥驱动电路30，半桥驱动电路30再将直流信号进行转换处理为高压驱动信号。换言之，半桥驱动电路30可将低压的直流信号转换为高压桥臂所需的高压驱动信号，进而以低成本实现了低压信号与高压系统的连接。由于本实施例的半桥驱动电路30为优化的半桥驱动电路，其具备高性能，通过该半桥驱动电路30以替代原有昂贵的脉冲变压器以及外围电路，大大节省了器件成本，并有效提高了超声波驱动器的驱动效率。

参见图2，图2是本发明半桥驱动电路一具体实施例的电路原理图。在该实施例中，半桥驱动电路包括驱动ic2、电阻r54、电容c5、电容ec5、二极管d3、电阻r5、电阻r6、电容ec4、二极管d10、电阻r47、电阻r49、电阻r40、电阻r39、电阻r38、电阻r48、电阻r50、二极管d9、二极管d7、二极管d8、mos管q1、以及mos管q2。

驱动ic2的第一端通过电容ec5接地，驱动ic2的第一端还通过电阻r54连接至电源(如图2所示，接入的供电电压为15v)，电容c5串联在电阻r54与地之间；驱动ic2的第二端和驱动ic2的第三端与主控制电路60连接，驱动ic2的第二端还通过电阻r5接地，驱动ic2的第三端还通过电阻r6接地；驱动ic2的第四端接地；驱动ic2的第五端通过电阻r47与mos管q2的栅极连接，电阻r40串联在mos管q2的栅极与地之间，电阻r49与二极管d10串联后与电阻r47并联；驱动ic2的第六端通过电阻r38与mos管q1和mos管q2之间的节点连接，驱动ic2的第七端通过电阻r48与mos管q1的栅极连接；驱动ic2的第八端通过电容ec4连接至第六端。

二极管d3的阴极与驱动ic2的第八端连接，二极管d3的阳极与电容ec5的正端连接；二极管d9与电阻r50串联后与电阻r48并联。

电阻r39串联在mos管q1的栅极与驱动ic2的第六端之间；mos管q1的源极与mos管q2的漏极连接，mos管q1的漏极与输入模块10(即图6中所示的高压hv)连接，mos管q2的源极接地，二极管d7与二极管d8串联后并联在mos管q1的漏极与mos管q2的源极之间；二极管d7与二极管d8之间的节点还与变压器t1a的第一端连接。

谐振电路40，连接在半桥驱动电路30与超声振动系统50之间，主要用于使超声振动系统50根据半桥驱动电路30输出的高压驱动信号实现谐振振动。优选地，谐振电路40包括谐振电感，且谐振电感可以为功率谐振电感。如图8所示，为本发明谐振电路一具体实施例的电路原理图，谐振电路40可包括谐振电感l3a、变压器t1b，谐振电感l3a的第一端与变压器t1b的第四端连接，谐振电感l3a的第二端与超声振动系统50的正输入端(v_sonic_b)连接，变压器t1b的第三端与超声振动系统50的负输入端(v_sonic_a)连接。可以理解地，由于超声波振子为容性器件，因此，在本实施例中通过设置谐振电感可使超声波振子可实现谐振。

超声振动系统50，与谐振电路40连接，根据谐振电路40的谐振作用激励超声波振子振动，输出相应的超声波信号。

主控制电路60，分别与隔离电压检测电路70、电流检测电路80、半桥驱动电路30连接，主要用于在系统上电后向半桥驱动电路30输出驱动控制信号控制半桥驱动电路30对直流信号的转换，同时在超声振动系统50振动时，根据隔离电压检测电路70输出的隔离电压检测信号、电流检测电路80输出的电流检测信号输出调节信号至半桥驱动电路以调节超声振动系统50的振动功率。

优选地，主控制电路60可包括微处理器。当系统上电后，微处理器可输出窄脉冲的差分驱动信号至半桥驱动电路30，通过半桥驱动电路30进行转换处理给超声振动系统50提供高频高压方波，此方波经过谐振电感激励超声波振子振动，通过隔离电压检测电路70与电流检测电路80反馈到微处理器，微处理器通过隔离电压检测信号及电流检测信号调节输出频率，同步检测电压与电流信号，找到最大的电流谐振点，即找到超声振动系统50的机械振动最大谐振点，进而完成扫频。当需要调节超声波振动的功率时，则只需调节差分信号的脉冲宽度，进而再通过半桥驱动电路30进行的转换即可。

可以理解地，该实施例的微处理器差分驱动信号可为pwm或pfm驱动信号，通过使用本实施例的微处理器替代原有的pwm专用芯片，并由微处理器的bkin引脚功能实现软件的逐周期过流保护，完整地实现了专用电源芯片的功能，降低了成本，为软件实现智能控制提供了保证。

另外，本发明通过对将电流检测电路80反馈的电流检测信号(即将超声振动系统50的电流有效值作为反馈量)，对超声振动系统50的频率进行调节，实现了系统的谐振点追踪与振幅恒定控制，把复杂的控制变量归一化为电流变量，实现低成本高可靠的应用。

本发明的主控制电路60采用了低成本、高性能mcu为核心，配置若干外围电路，很好地解决现有技术中存在的不足，且设计成本低廉、功率扩展简易，较好解决了功率超声在民用领域的推广与普及。

参见图5，图5是本发明主控制电路一具体实施例的电路原理图。如图5所示，主控制电路60可包括微处理器ic9、电阻r78、电阻r77、电阻r76、电阻r77、电容c27、电阻c26、电容ec11、电容c28、以及电容c29。

微处理器ic9的pin1脚通过电阻r77、电阻r76与电源连接(接5v电压)，微处理器ic9的pin1脚还通过电阻r77、电容c18接地；微处理器ic9的pin4脚接地；微处理器ic9的pin5脚通过电容c27接地，微处理器ic9的pin7脚与电源连接(接5v电压)，微处理器ic9的pin7脚还通过电容c26接地，电容ec11与电容c26并联；微处理器ic9的pin9脚通过电容c29接地，微处理器ic9的pin9脚接5v电源；电容c8与电容c29并联；微处理器ic9的pin12脚与隔离电压检测电路70连接，微处理器ic9的pin11脚与电流检测电路80连接。

隔离电压检测电路70，分别与主控制电路60、超声振动系统50连接，用于对超声振动系统50的电压进行检测输出隔离电压检测信号至主控制电路60。可以理解地，通过隔离电压检测电路70可实现对超声振动系统50的电压的实时监测。

进一步地，本发明的隔离电压检测电路70可实现v_p_p1500v的高频高压交流的线性隔离采样。优选地，本发明的隔离电压检测电路70可使用普通非线性光电耦合器作为隔离器件，可靠性更高、电压检测更稳定。

参见图3，图3是本发明隔离电压检测电路一具体实施例的电路原理图。如图3所示，该实施例的隔离电压检测电路70可包括：比较器ic1b、电容c9、电阻r64、光电耦合器ic5和ic6、电阻r11、电阻r10、电容ec9、可调电阻r53、电阻r12、电阻r13、双二极管d14、双二极管d15、电阻r68、以及电阻r69。

比较器ic1b的输出端与主控制电路60(微处理器ic9的pin12脚)连接、比较器ic1b的反向输入端与比较器ic1b的输出端连接、比较器ic1b的同向输入端通过电阻r64与电源连接。

光电耦合器ic6的第一端与比较器ic1b的同向输入端连接，光电耦合器ic6的第二端接地，光电耦合器的第三端与光电耦合器ic5的第四端连接，光电耦合器ic6的第四端与双二极管d15的阳极连接；电容c9连接在光电耦合器ic6的第一端与地之间。

光电耦合器ic5的第三端通过电阻r11连接至第一端，光电耦合器ic5的第二端与电阻r10的第一端连接，电阻r10的第二端连接在光电耦合器ic6的第四端与双二极管d15的阳极之间。

电阻r53的第一端与光电耦合器ic5的第一端连接，电阻r53的第三端与双二极管d15的阴极连接；电容ec9并联在电阻r53的第一端与光电耦合器ic6的第四端与双二极管d15的阳极之间；电阻r12、电阻r13、双二极管d14依次与双二极管d15并联。

电阻r68的第一端与双二极管d15的内部阳极与阴极的节点连接，电阻r68的第二端与超声振动系统50(即超声振动系统50的正输入端v_sonic_b)连接；电阻r69的第一端与双二极管d14的内部阳极与阴极的节点连接，电阻r69的第二端与超声振动系统50(即超声振动系统50的负输入端v_sonic_a)连接。

电流检测电路80，分别与阻抗匹配网络模块30、主控制电路60连接，主要对输入信号的能量电流检测并进行相应的处理输出电流检测信号至主控制电路60，以反馈超声振动系统的能量电流。可以理解地，由于超声振动系统50为变频系统，其电流变化较大，因此，本实施例通过对输入端的能量电流进行检测有等效为输出端(超声振动系统50)的电流，进而可以更精确、更稳定地反馈超声振动系统50的电流信号。

参见图4，图4是本发明电流检测电路一具体实施例的电路原理图。在该实施例中，电流检测电路80可包括：电阻r31、电阻r32、电容c12、电阻r62、电阻r9、电阻c21、比较器ic1a、电阻r36、电容ec3、电容c4、电阻r33、可调电阻r52、电阻r63、双二极管d12、电容c15、以及电容c17。

比较器ic1a的同向输入端和反向输入端分别通过电阻r31、电阻r32与输入模块10(即比较器ic1a的同向输入端通过电阻r31与电阻r27的第二端连接，比较器ic1a的反向输入端通过电阻r32与电阻r27的第一端连接)连接，比较器ic1a的输出端通过电阻r33与主控制电路连接；比较器ic1a的供电端通过电阻r36与电源连接；比较器ic1a的接地端接地；比较器ic1a的供电端还通过电容c4接地，电容ec3与电容c4并联连接。

电容c12并联在比较器ic1a的同向输入端与反向输入端之间；电阻r62与电阻r9串联后并联在比较器ic1a的反向输入端与输出端之间；电容c21与电阻r9并联连接。

可调电阻r52的第一端与电阻r33的第二端连接，可调电阻r52的第三端通过电阻r63接地；双二极管d12的阴极与电源(接5v电压)连接，双二极管d12的内部阳极与阴极的节点与电阻r33的第二端连接，双二极管d12的阳极接地；电容c15的第一端连接在电阻r33的第二端与主控制电路60之间，电容c15的第二端接地；电容c17与电容c15并联连接。

辅助电源模块90，分别与整流滤波模块102、主控制电路60连接，主要是向主控制电路提供多种规格电压，即通过辅助电源模块90可为驱动器提供多种规格的电压，可满足不同电路的供电需求。参见图7，图7为本发明辅助电源一具体实施例的电路原理图，具体的电路结构如图7所示，在此不再赘述。

参见图9和图10，图9是本发明自适应洗涤设备数控超声波驱动器的测量电路线性图；图10是现有技术普通测量电路线性图。根据图9和图10的对比可知，本发明的自适应洗涤设备数控超声波驱动器的电路线性度远比现有的电路线性度好。

综上，本发明的自适应洗涤设备数控超声波驱动器性能稳定、可靠性高，可把复杂的控制变量归一化为电流变量，以电流的有效值作为反馈量以调节超声振动系统的频率，可实现系统的谐振点追踪与振幅恒定控制，功率范围可实现从几十瓦到几百瓦，方便了超声振动系统的升级换代，且无须重新高工；成本低、驱动效率高。

以上实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据此实施，并不能限制本发明的保护范围。凡跟本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。