一种有效改善超声波口罩焊接效果的电源电路的制作方法

本实用新型涉及超声波驱动电源技术领域，具体领域为一种有效改善超声波口罩焊接效果的电源电路。

背景技术：

传统的超声波口罩焊接电源采用振荡器产生高频信号，经功率放大后产生超声波，把换能器视为电容性负载，不计换能器在正常工作时压电陶瓷的伸缩产生的充放电过程以及其他动态特性对电源的不良影响。

晶体管工作在非线性区，损耗大、频率不能很高、工作稳定性差、启动能力差，不能实现频率跟踪、不能适应负载因发热、损耗能引起的变化，导致换能器不再处于谐振状态，不能实现大功率，效率和精度都较差。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于提供一种有效改善超声波口罩焊接效果的电源电路，能够在负载谐振频率改变时自动跟踪频率，具有功率大、效率高、抗干扰能力强、工作稳定可靠等优点。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种有效改善超声波口罩焊接效果的电源电路，包括整流电路、功率控制电路、电源变压电路和超声换能器，

所述整流电路的输入端连接外部市电，整流电路的输出端上并联有补偿电容，补偿电容的正极端连接整流电路的正极输出端，补偿电容的负极端连接整流电路的负极输出端；

功率控制电路的电源输入端与整流电路的输出端连接；

电源变压电路包括变压器和电感线圈，变压器的输入侧与功率控制电路的电源输出端侧连接，变压器的输出侧与超声换能器的电源端连接，且电感线圈串联在变压器的输出侧与超声换能器的电源端之间；

功率控制电路包括控制器、采样电路和逆变控制电路，逆变控制电路的电源输入端与整流电路的输出端连接，逆变控制电路的电源输出端与变压器的输入侧连接，采样电路的采样端与超声换能器的电源端连接，采样电路的输出端与控制器的输出端连接，控制器的输出端与逆变控制电路的控制端连接。

优选的，所述整流电路为单相桥式整流器。

优选的，所述逆变控制电路包括igbt晶体管一、igbt晶体管二、igbt晶体管三、igbt晶体管四、二极管一、二极管二、二极管三、二极管四、谐振电容一、谐振电容二、谐振电容三和谐振电容四，

igbt晶体管一上并联有二极管一和谐振电容一，且二极管一的正极端与igbt晶体管一的输出端连接，二极管一的负极端与igbt晶体管一的输入端连接；

igbt晶体管二上并联有二极管二和谐振电容二，且二极管二的正极端与igbt晶体管二的输出端连接，二极管二的负极端与igbt晶体管二的输入端连接；

igbt晶体管三上并联有二极管三和谐振电容三，且二极管三的正极端与igbt晶体管三的输出端连接，二极管三的负极端与igbt晶体管三的输入端连接；

igbt晶体管四上并联有二极管四和谐振电容四，且二极管四的正极端与igbt晶体管四的输出端连接，二极管四的负极端与igbt晶体管四的输入端连接；

igbt晶体管一和igbt晶体管三的输入端与整流电路的正极输出端连接，igbt晶体管二和igbt晶体管四的输出端与整流电路的负极输出端连接，igbt晶体管一的输出端与igbt晶体管二的输入端连接，igbt晶体管三的输出端与igbt晶体管四的输入端连接；

igbt晶体管一的输出端与变压器的负极输入端连接，igbt晶体管三的输出端与变压器的正极输入端连接。

优选的，所述采样电路为电压电流采样器，电压电流采样器的采样端与超声换能器的电压输入端连接。

优选的，所述控制器包括鉴相器、压控振荡器、滤波器、dsp控制器，采样电路的采样信号输出端和压控振荡器的信号输出端分别与鉴相器的输入端连接，鉴相器的输出端与滤波器的输入端连接，滤波器的输出端与压控振荡器的输入端连接，dsp控制器的输入端分别与鉴相器、压控振荡器和采样电路的信号输出端连接，dsp控制器的输出端分别与igbt晶体管一、igbt晶体管二、igbt晶体管三和igbt晶体管四的控制端连接。

优选的，所述控制器还包括有显控模块，所述显控模块包括显示屏和输入按键，dsp控制器的信号输出端与显示屏的输入端连接，输入按键与dsp控制器的输入端连接。

优选的，所述补偿电容为电解电容。

优选的，所述dsp控制器为tms320f2812型dsp处理器。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型的电源电路能够在负载谐振频率改变时自动跟踪频率，具有功率大、效率高、抗干扰能力强、工作稳定可靠等优点；

采用全桥逆变的拓扑结构，以igbt晶体管为逆变桥臂，依靠晶体管的反并联二极管的导通实现功率器件零电压开通，通过功率谐振电容的充电过程实现功率器件的零电压关断，使场效应管工作在软开关状态，具有功率器件损耗小、效率高，可以承受大功率输出、便于数字化控制的特点；

采用在换能器端串联一个电感ls的方法对换能器电路进行容抗补偿，以使超声波电源的负载接近于纯阻性，增大了电路的功率因数；

采用移相控制策略，以dsp产生带有死区控制的互补pwm波，移相角连续变化时，输出电压的脉宽随之改变，实现对超声波电源输出功率的连续调节；

采用调节移相角α的方式实现超声波电源的恒功率输出，在超声波电源稳定工作时，对负载电压和电流采样，通过dsp计算得到反馈功率，与给定的功率进行比较得到功率差，功率控制器根据功率差对输出功率进行调整，并最终把输出功率稳定在给定功率周围，实现超声波电源的恒功率控制。

附图说明

图1为本实用新型的系统原理框图；

图2为本实用新型的电路原理图；

图3为本实用新型的流程框图。

图中：1、整流电路；2、功率控制电路；3、电源变压电路；4、超声换能器；5、控制器；6、采样电路；7、逆变控制电路；8、鉴相器；9、压控振荡器；10、滤波器；11、dsp控制器；12、显控模块；13、显示屏；14、输入按键；15、补偿电容；16、电感线圈；17、igbt晶体管一；18、igbt晶体管二；19、igbt晶体管三；20、igbt晶体管四；21、二极管一；22、二极管二；23、二极管三；24、二极管四；25、谐振电容一；26、谐振电容二；27、谐振电容三；28、谐振电容四；29、变压器。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1至3，本实用新型提供一种技术方案：一种有效改善超声波口罩焊接效果的电源电路，包括整流电路、功率控制电路、电源变压电路和超声换能器，

所述整流电路的输入端连接外部市电，整流电路的输出端上并联有补偿电容，补偿电容的正极端连接整流电路的正极输出端，补偿电容的负极端连接整流电路的负极输出端；

功率控制电路的电源输入端与整流电路的输出端连接；

电源变压电路包括变压器和电感线圈，变压器的输入侧与功率控制电路的电源输出端侧连接，变压器的输出侧与超声换能器的电源端连接，且电感线圈串联在变压器的输出侧与超声换能器的电源端之间；

串联调谐匹配是在超声波电源和压电换能器之间串联合适的电感，以改善负载阻抗特性提高电源功率因素。在理想情况下，压电换能器的串联支路处于串联谐振时，经过串联匹配电感调谐后超声波电源负载为纯阻性。

采用设计合理变比的变压器对超声电源的阻抗进行匹配，本电源电路可以在轻重不同的负载下均可以实现满功率输出。

在电源电压稳定的条件下，阻性负载获得的功率只取决于负载阻值的大小，而正常工作时，在串联调谐匹配的作用下超声波电源负载的等效阻抗呈纯阻性，采用变压器实现原副边阻抗的转换，通过设计变压器的变比对其进行阻抗匹配。

功率控制电路包括控制器、采样电路和逆变控制电路，逆变控制电路的电源输入端与整流电路的输出端连接，逆变控制电路的电源输出端与变压器的输入侧连接，采样电路的采样端与超声换能器的电源端连接，采样电路的输出端与控制器的输出端连接，控制器的输出端与逆变控制电路的控制端连接。

所述整流电路为单相桥式整流器。

所述逆变控制电路包括igbt晶体管一、igbt晶体管二、igbt晶体管三、igbt晶体管四、二极管一、二极管二、二极管三、二极管四、谐振电容一、谐振电容二、谐振电容三和谐振电容四，

igbt晶体管一上并联有二极管一和谐振电容一，且二极管一的正极端与igbt晶体管一的输出端连接，二极管一的负极端与igbt晶体管一的输入端连接；

igbt晶体管二上并联有二极管二和谐振电容二，且二极管二的正极端与igbt晶体管二的输出端连接，二极管二的负极端与igbt晶体管二的输入端连接；

igbt晶体管三上并联有二极管三和谐振电容三，且二极管三的正极端与igbt晶体管三的输出端连接，二极管三的负极端与igbt晶体管三的输入端连接；

igbt晶体管四上并联有二极管四和谐振电容四，且二极管四的正极端与igbt晶体管四的输出端连接，二极管四的负极端与igbt晶体管四的输入端连接；

igbt晶体管一和igbt晶体管三的输入端与整流电路的正极输出端连接，igbt晶体管二和igbt晶体管四的输出端与整流电路的负极输出端连接，igbt晶体管一的输出端与igbt晶体管二的输入端连接，igbt晶体管三的输出端与igbt晶体管四的输入端连接；

igbt晶体管一的输出端与变压器的负极输入端连接，igbt晶体管三的输出端与变压器的正极输入端连接。

如图2所示，移相控制时，igbt晶体管t1和t4或t2和t3不再同时导通和关断，而是存在一定的相位差即移相角，超声波电源的工作频率稳定时，开关管导通的时间长度是固定的，调节移相角的大小，即可改变逆变器的输出电压，从而调节输出的正弦波电流幅值，使输出功率可调

所述采样电路为电压电流采样器，电压电流采样器的采样端与超声换能器的电压输入端连接。

所述控制器包括鉴相器、压控振荡器、滤波器、dsp控制器，采样电路的采样信号输出端和压控振荡器的信号输出端分别与鉴相器的输入端连接，鉴相器的输出端与滤波器的输入端连接，滤波器的输出端与压控振荡器的输入端连接，dsp控制器的输入端分别与鉴相器、压控振荡器和采样电路的信号输出端连接，dsp控制器的输出端分别与igbt晶体管一、igbt晶体管二、igbt晶体管三和igbt晶体管四的控制端连接。

所述控制器还包括有显控模块，所述显控模块包括显示屏和输入按键，dsp控制器的信号输出端与显示屏的输入端连接，输入按键与dsp控制器的输入端连接。

所述补偿电容为电解电容。

所述dsp控制器为tms320f2812型dsp处理器。

在电源电路外部还包覆设计有屏蔽罩，通过屏蔽罩进行了电磁屏蔽，大大降低了电源中电磁干扰的情况，提高了焊接过程的稳定性，大大减少了焊接中途随机停机和死机的情况。

一种有效改善超声波口罩焊接效果的电源电路的操控方法，其步骤为：

(1)外部市电输入单相桥式整流器内，并输出的直流电，通过补偿电容进行电压稳定，实现稳定的直流电输出端；

(2)采用全桥逆变的拓扑结构，以igbt晶体管为逆变桥臂，依靠晶体管上的反并联二极管的导通实现晶体管器件零电压开通，通过谐振电容的充电过程实现晶体管器件的零电压关断；

(3)在需要超声换能器运行时，dsp控制器输出pwm控制信号至4个igbt晶体管进行分别控制；

(4)通过dsp控制器产生带有死区控制的互补pwm波，并输出至igbt晶体管一、igbt晶体管二、igbt晶体管三和igbt晶体管四，实现igbt晶体管一和igbt晶体管四、以及igbt晶体管二和igbt晶体管三不在同时导通和关断；

(5)根据实际需要调节输出功率为在超声波电源的工作频率稳定时，通过dsp控制器对pwm波调节移相角的大小，对逆变控制电路进行调节控制，使得调节输出的正弦波电流幅值，使输出功率可调；

对负载电压和电流进行采样处理，在通过dsp算出有功功率，并分析功率差，计算出为实现与给定功率一致所需要的移相角，在dsp软件中通过对相应寄存器值的变动来调整移相角，达到恒定输出功率的目的；

(6)为实现恒功率输出，通过电压电流采样器对超声换能器的输入电源进行电压电流信号采集，鉴相器对采样的电压电流信号和压控振荡器输出信号的相位进行比较，得到二者相位差大小的误差电压，经滤波器转换成平均电压，压控振荡器根据输出平均电压的大小不断变化输出信号的频率使得其逐渐接近输入信号的频率，最终达到无相位误差；

(7)dsp控制器对鉴相器、压控振荡器和采样电源的输出信号进行接收处理，并实时监测电压和电流相位差反馈信号的变化做出调整频率的判断，通过调整pwm波的频率实现对负载谐振频率的跟踪和控制。

dsp控制器对负载谐振频率追频的过程为采用先大步缩近频率，后减小步长以更精确追踪频率的变步长频率跟踪方案，

通过判断频率漂移范围的大小，在电压和电流相位差别较大的情况下，通过修改dsp控制器中的定时器周期寄存器txper的值来改变频率跟踪的步长，先以大步长进行相位跟踪，将相位差值快速缩小，在完成跟踪后缩小步长再判断一次相位差并进行矫正，直至所有步长挡位完成搜索和判断，在保证频率跟踪精度的情况下加快了追频速度。

采用tms320f2812的dsp以主程序中生成表值的方式设置寄存器值，通过监测电压和电流相位差反馈信号的变化做出如何调整频率的判断，通过调整pwm驱动脉冲的频率实现对负载谐振频率的跟踪。

采用了功率因素矫正电路，抑制了电路中的谐波电流，提高了整体的功率因数。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。