专利名称：超声波焊接机的控制系统的制作方法
技术领域：
本发明属于焊接技术领域，涉及一种焊接装置，特别是一种 超声波焊接机的控制系统。
背景技术：
超声波电源给超声换能器提供超声频交流电信号，其实现电
路又称超声波驱动电路。在20世纪，随着电子技术的迅猛发展的 同时，超声波逆变电源所用功率器件经历了电子管，晶闸管、晶 体管和IGBT共4个阶段。近年来在电路设计中使用了新型电路拓 扑结构和新型功率器件，超声波电源的可靠性、负载适应性、产 品的一致性得到进一步提高，同时效率也大大提高，产品的体积 也随时减少。
传统的超声波仪是采用振荡器来产生超声波的，并且采用电 子管作为功率器件。其缺点是体积庞大、笨重、热损耗大，无功 功率大。20世纪80年代，改为双极型大功率晶体管、开关工作 频率常用20kHz。后来又采用绝缘栅双极型功率晶体管(IGBT)， 工作电压和工作电流定额(即单管容量)明显地增大了。到20 世纪90年代，由于功率场效应管MOSFET的技术进步而被广泛采 用，开关工作频率达到100kHz。近十年来，超声波电源采用高频 开关交流电源技术，内部集成各种芯片或大规模集成电路实现对 带宽频率的动态控制，其发展趋势必然是高效率，作为电源，效 率是重要指标之一。效率高，发热损耗小，散热容易，才容易做 到大功率超声和强功率振动。
超声波焊接过程中，由于焊接负载以及振动系统的温度、刚 度、焊接面积、加工磨损等各种因素的变化，使得系统固有频率发生漂移，如果发生器频率不跟随变化，势必造成整个系统的失 调，这就要求超声波发生器具有频率自动跟踪功能。传统的超声 波焊接机采用电子管振荡器产生高频信号，经功率放大后直接产 生功率超声波，因而难以实现频率跟踪，不能适应焊接负载的变 化。为了更好地实现频率跟踪的快速性和准确性，人们在其方式 上进行了各种探索。常见超声波焊接电源频率自动跟踪控制系统 有如下控制方式。
1、 电反馈的自激振荡方式。由于其简单便利，应用相当广泛， 代表性的方法是采用差动变量桥电路对压电换能器电学臂进行补 偿，使电反馈信号取决于机器臂，达到频率的自动跟踪，同时电 路可进行改进满足自激振荡的相位条件，构建成l个自激振荡回 路，使自激振荡频率随机械谐振点同步变化，实现自动跟踪。
2、 锁相压控振荡方式。锁相压控振荡方式这一频率跟踪方法 是取出电压和电流的相差信号，并将其作为激励振动系统谐振频 率变化的控制信号，而实现的一个相位控制系统。
3、 电流动态反馈方式。在将超声换能器等效为1个二端口网 络的情况下，推导出谐振时输出振幅与电流大小的关系，将换能 器电流有效值作为反馈量调节逆变频率，实现超声系统谐振控制 盒振幅恒定输出控制。
实际上，上述的各种控制方法都存在其不足之处。比如，对 于自激振荡方式，如果压电换能器具有多种谐振模式，则这种方 法就不可靠；锁相方式频率自动跟踪则要在驱动回路增加换能电 抗器补偿元件；而对于动态反馈频率跟踪方式，频率调整的方向 还很难把握，难以实现自动化控制。此外，在各种频率跟踪方式， 反馈信号都来自超声换能器或振荡控制信号，忽视了变幅杆和工 具头等超声设备对谐振的影响，没有在工具头处检测出实际的频 率输出状况(通常加入负载之后会明显改变输出频率)，如中国专 利授权公告号为CN201147869Y名为"大功率超声波金属焊接机自适应信号源"。根据以上分析，目前大功率超声波焊接加工控制的 实施方案都不理想，都存在缺陷。
发明内容
本发明的目的是针对现有的技术所存在的上述问题，而提供 一种在焊接的过程中实现频率自动跟踪的自适应控制双环反馈控 制方式，从而实现焊接的输出功率恒定且可调、效率高、谐波污 染小、工作性能稳定可靠、负载适应能力强的超声波焊接机的控 制系统。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现 一种超声波焊接 机的控制系统，包括逆变器、超声换能器以及中央处理器，所述 的逆变器分别与中央处理器和超声换能器相连接，其特征在于， 所述的逆变器与超声换能器之间连接有用于谐振时进行反馈实时 性控制的频率跟踪控制系统，所述的超声换能器与中央处理器之 间连接有安装在工具头的用于检测频率信号的传感器，上述的逆 变器将电压、电流信号参数以及传感器将工具头处的频率信号参 数均输入到中央处理器中进行处理后并计算出控制量，在逆变器 与中央处理器之间还连接有用于根据控制量产生频率脉冲信号的 脉冲发生器。
本超声波焊接机的控制系统创造性地实现了双环控制方式， 其中通过在超声换能器与逆变器之间设置频率跟踪控制系统，超 声换能器通过频率跟踪控制系统能够发送反馈信号给逆变器，使 得两者之间有一个频率跟踪闭环控制反馈环，形成谐振达到实时 性控制。另一个环是由逆变器、换能器、传感器、中央处理器以 及脉冲发生器组成，并由工具头上的传感器检测出频率信号并反 馈至中央处理器上，再通过中央处理器控制振荡频率信号的脉冲 发生器输出并驱动逆变器工作，以获得理想的频率输出曲线。另
外本中央处理器使用了 MCU微控制器、DDS直接数字频率合成器等现代技术，当三相交流电输入后经整流滤波器将交流电变成直 流电再通过逆变器将直流电变为焊接用的交流电后并输入到中央 处理器中，其中中央处理器对电压、电流、换能器振幅、电压信 号相位差等诸多参数进行在线测量、辨识，在线利用递归最小二 乘法进行参数识辩，同时修改控制参数，采用最小方差控制规律 或是极点配置控制规律，并通过自适应系统，根据检测到的各个
参数计算出控制量并按照规定的程序来改变系统参数，用DDS输 出标准的控制频率来调节频率，使脉冲发生器的频率很好地跟踪 系统的谐振频率。
在上述的超声波焊接机的控制系统中，所述的逆变器与超声 换能器之间还连接有升压变压器。这里通过升压变压器将交流电 压放大后变成焊接时用的大电压。
本超声波焊接机的逆变器与超声换能器之间连接有升压变压 器，升压变压器将对从逆变器出来的交流电压进行放大，能更好 地提供给超声波焊接机焊接时使用。
在上述的超声波焊接机的控制系统中，所述的逆变器与中央 处理器之间还连接有检测放大器，升压变压器与逆变器均与检测 放大器连接后输入到中央处理器中。这里检测放大器主要是用来 对电压、电流信号进行检测放大后并输入到中央处理器中，方便 中央处理器进行处理计算。
本超声波焊接机的升压变压器和逆变器经过检测放大器将电 流、电压信号放大后再输入到中央处理器中，这样中央处理器在 分析处理计算这些信号时比较方便，同时也能提高计算准确度， 使中央处理器控制振荡频率信号的脉冲发生器输出并驱动逆变器 输出更合适的频率，使得超声波焊接机在工作中更加稳定、高效、 高质量。
在上述的超声波焊接机的控制系统中，所述的传感器与中央 处理器之间还连接有滤波器。这里滤波器主要对工具头处的传感器检测出的频率信号进行滤波。
本超声波焊接机在传感器与中央处理器之间连接有滤波器， 传感器检测到的频率信号中含有外界影响工具头输出频率的杂 波，通过滤波器将这些杂波去除掉，这样到达中央处理器的频率 信号能更真实地反映出工具头自身的实际输出频率。
在上述的超声波焊接机的控制系统中，所述的逆变器的输入 端处连接有整流滤波器。这里整流滤波器主要是对输入的电压电 流信号进行整流滤波。
本超声波焊接机是以外界交流电源来提供本超声波焊接机动 力的，外界交流电源中往往夹杂着很多种频率的交流电，通过整 流滤波器将交流电整流成直流电，再通过逆变器将直流电变成单 一频率的交流电以提供稳定的电源供超声波焊接机使用，大大提 高超声波焊接机工作的质量和稳定性。
在上述的超声波焊接机的控制系统中，所述的脉冲发生器与 逆变器之间还连接有驱动电路。这里通过驱动电路能够驱动逆变 器工作。
本超声波焊接机中逆变器由驱动电路驱动工作。 与现有技术相比，本超声波悍接机的的控制系统优点在于采 用双环控制方式，用数字化控制方式代替模拟控制，实现了对带 宽频率的动态控制，可以消除温度漂移等常规模拟调节器难以克 服的缺点，有利于参数整定和变参数调节，便于通过程序软件的 改变，方便地调整控制方案和实现多种新型控制策略，同时可减 少元器件的数目、简化硬件结构，从而提高系统的可靠性。另外
采用半桥逆变的拓扑结构，以IGBT功率器件为逆变元件，使工作 处于软开关状态，并采用移相功率控制算法所研制出的新型超声 波塑焊电源，具有自动跟踪负载谐振频率，此外，还可以实现了 运行数据的自动储存和故障自动诊断，有助于实现电力电子装置 运行的智能化。本超声波焊接机的的控制系统地输出功率恒定且可调，效率高，谐波污染小，工作性能稳定可靠，负载适应能力 强，使用方便，具有很强的实用性，其应用的技术和产品代表着 今后超声电源的发展方向。
图1是本超声波焊接机的的控制系统的原理方框图。
具体实施例方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方 案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
如图1所示，本超声波焊接机的控制系统，包括逆变器、超 声换能器以及中央处理器，逆变器与超声换能器之间连接有升压 变压器和频率跟踪控制系统，逆变器输出的电压通过升压变压器 升压后提供给超声换能器使用，超声换能器能实时通过频率跟踪 控制系统发送反馈信号给逆变器，超声换能器与中央处理器之间 连接有安装在工具头上的用于检测工具头输出频率的传感器，传 感器与中央处理器之间连接有滤波器，逆变器与升压变压器均通 过检测放大器与中央处理器相连，逆变器与中央处理器之间还连 接有脉冲发生器和驱动逆变器工作的驱动电路，逆变器还与整流 滤波器连接，整流滤波器与外界电源连接。
工作时，超声换能器通过频率跟踪控制系统实时将超声换能 器变化的固有频率信号反馈给逆变器，通过检测放大器将反馈给 逆变器的变化的固有频率信号放大后输入到中央处理器，并与从 逆变器输出的频率信号及工具头上传感器检测到的经滤波器滤波 后反馈到中央处理器的频率信号进行分析处理计算，中央处理器 对这些频率信号进行在线测量、辨识，在线利用递归最小二乘法 进行参数识辩，同时修改控制参数，采用最小方差控制规律，并 通过自适应系统，根据检测到的各个参数计算出控制量并按照规定的程序来改变系统参数，用DDS输出标准的控制频率来调节频 率，使脉冲发生器的频率很好地跟踪系统的谐振频率，从而保证 了超声波焊接机稳定、高效、高质量的工作。
本实施例中采用的最小方差控制规律还可以采用极点配置控 制规律。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说 明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例 做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离 本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
权利要求
1.一种超声波焊接机的控制系统，包括逆变器、超声换能器以及中央处理器，所述的逆变器分别与中央处理器和超声换能器相连接，其特征在于，所述的逆变器与超声换能器之间连接有用于谐振时进行反馈实时性控制的频率跟踪控制系统，所述的超声换能器与中央处理器之间连接有安装在工具头的用于检测频率信号的传感器，上述的逆变器将电压、电流信号参数以及传感器将工具头处的频率信号参数均输入到中央处理器中进行处理后并计算出控制量，在逆变器与中央处理器之间还连接有用于根据控制量产生频率脉冲信号的脉冲发生器。
2. 根据权利要求1所述的一种超声波焊接机的控制系统，其 特征在于，所述的逆变器与超声换能器之间还连接有升压变压器。
3. 根据权利要求2所述的一种超声波焊接机的控制系统，其 特征在于，所述的逆变器与中央处理器之间还连接有检测放大器， 升压变压器与逆变器均与检测放大器连接后输入到中央处理器 中。
4. 根据权利要求1或2或3所述的一种超声波焊接机的控制 系统，其特征在于，所述的传感器与中央处理器之间还连接有滤 波器。
5. 根据权利要求1或2或3所述的一种超声波焊接机的控制 系统，其特征在于，所述的逆变器的输入端处连接有整流滤波器。
6. 根据权利要求1或2或3所述的一种超声波焊接机的控制 系统，其特征在于，所述的脉冲发生器与逆变器之间还连接有驱 动电路。
全文摘要
本发明属于焊接技术领域，涉及一种超声波焊接机的控制系统。它解决了现有的超声波焊接机工作稳定性差、效率低及工作质量不高等问题。本超声波焊接机的控制系统，包括逆变器、超声换能器以及中央处理器，逆变器分别与中央处理器和超声换能器相连接，逆变器与超声换能器之间连接有频率跟踪控制系统，超声换能器与中央处理器之间连接有安装在工具头的用于检测频率信号的传感器，逆变器将电压、电流信号参数以及传感器将工具头处的频率信号参数均输入到中央处理器中进行处理后并计算出控制量，逆变器与中央处理器之间还连接有用于根据控制量产生频率脉冲信号的脉冲发生器。本超声波焊接机的控制系统具有结构简单、稳定性好、工作效率质量高等优点。
文档编号H02M7/42GK101574757SQ200910098289
公开日2009年11月11日 申请日期2009年5月1日 优先权日2009年5月1日
发明者陈家乐 申请人:台州巨龙超声设备有限公司;浙江巨龙自动化设备有限公司