自动追频超声波发生器工作原理分析，自动频率跟踪超声波发生器的研究，自动频率跟踪超声波发生器的工作原理

　　摘   要:为了更好地提高超声波焊接机的功率,改善焊机的性能,采用IGBT管(绝缘栅极双极晶体管)设计了超声波发生器的硬件系统,运用规则取样方式实现SPWM序列的算法,采用8098单片机编制软件实现SPWM序列算法的控制及频率自动跟踪。结果表明系统具有较高的可控性,自动跟踪频率精度高,研制的超声波功率发生器适用于超声波塑料焊机。

关键词:单片机;超声波焊接机;自动频率跟踪超声波发生器

自动频率跟踪超声波发生器，自动追频超声波发生器

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　   ‍超声波塑料焊接机能实现塑料与塑料、塑料与金属之间连接,广泛应用于塑料、汽车、家电、电子、玩具及包装等工业领域中的生产和加工。

　　超声波塑料焊接机由功率发生器、换能器及变幅杆组成,它利用功率发生器产生频电信号,作用在换能器上,从而产生相同频率振幅为4～5Λm的机械振动,经变幅杆放大后振幅转变为20～30Λm的机械振动,此振动功能作用在塑料工件表面以产生摩擦热,使塑料表面熔化并在力的作用下连在一起。焊机工作过程中,负载发生漂移引起工作频率发生变化,使振动系统失谐,大大降低了有效功率。因而功率发生器系统要求工作频率能够自动跟踪以实现系统谐振,提高有效功率[1]。

　　超声波焊接机的功率元件经历了由电子管→晶闸管→晶体管→场效应管过程。   电子管体积大,功耗大;可关断晶闸管开关速度低且门极关断电流大,驱动功率大;双极晶体管需较大的驱动电流;功率场效应管导通阻抗大,而IGBT绝缘栅极双极晶体管具有双极晶体管和场效应管的优点,开关损耗小,耐压高,容量大,电流密度大,通态压降低,故成为功率设备的理想开关元件。研究采用IGBT管作为功率元件,利用8098单片机生成SPWM开关信号以及实现频率自动跟踪。

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1   开关信号产生原理

　　单片机实现SPWM序列有自然取样及规则取样两种方式。自然取样是用正弦波与三角波相交形成的交点确定SPWM序列的高、低电该方法不足之处在于用简单的解析式描述脉宽的计算,不能实现微机对SPWM波形的实时控制。规则取样是用一个取样值确定脉宽t2,如图1所示。其中,t2=T2(1+MsinΞt),T为三角波的周期,即SPWM片机产生SPWM序列利用此算法,但在处理数据时,为减少切换时间,提高开关频率,可采用360°的存表方案,将SPWM波形数据存于E2PROM2764中,运算查表取数。

系统的硬件电路

如图2所示,数字超声波发生器电路结构示意图，系统是由IGBT功率变换器和控制   

图2   系统硬件电路图

2.1   组   成

　　功率变换器是由IGBT管组成桥式电路,在开关信号作用下使IGBT管导通、截止,产生频电信号

作用在换能器上。控制电路是由整形、放大电路、8098单片机、EPROM2764存贮器、74LS373锁存器及驱动电路等组成[2]。自动频率跟踪超声波发生器的研究

2.2   单片机SPWM序列的产生

　　单片机产生SPWM序列脉宽控制,一般通过可编程定时计数器及中断功能实现,其原理如图3a

所示。图中基本中断时间为SPWM的开关周期,由定时器定时产生。基本中断服务程序的功能是向定时器送入时间常数,启动定时器工作。中断程序1功能是进行SPWM脉冲上升沿处理,并向定时器送入脉宽时间常数再启动定时器工作,中断程序2功能是对脉冲下降沿进行处理。通过中断程序的生成和控制,这种定时中断控制方式的特点是一个开关周期内需2次中断,而CPU响应及处理这些中断程序耗费了很多时间,因而限制了SPWM开关频率的提高。

　　利用8098单片机高速输出通道(HSO)生成并输出SPWM序列,原理如图3b所示。HSO的特点是在最小的CPU时间开销情况下触发用户设定的事件,事件触发的时间及中断与否均由用户通过对HSO机构写入控制命令进行设定,而CPU对事件设定后,就不再参与HSO事件的操作,因而用HSO实时生成并输出SPWM序列很适合。用HSO实时生成SPWM方法是在基本中断服务程序入口写入一条HSO命令,重新启动软件定时器工作,以便使CPU经T定时后再次进入该中断服务程序,然后按计算所得的脉宽时间t1、t2,对HSO的输出通道分别写入2条命令,这样只需进行一次中断就可以输出SPWM序列,与图3a所示的2次中断相比能提高开关频率。

2.3   频率自动跟踪

　　功率变换器的4个功率元件为全桥电路,2对IGBT管G1、G4和G2、G3开关为互补工作状态,通过HSO.O输出,经反相延时形成2路信号分别驱动G1、G4和G2、G3。超声波塑料焊接机正常工作的前提是对声学系统的频率自动跟使发生器输入信号频率等于换能器机械谐振频率。研究设计的频率自动跟踪电路利用平衡电桥反馈原理[3,4]提取流过换能器的电流信号,谐振频率和超声源频率一致时产生共振,将电流信号作为反馈信号,经整形、放大送入8098单片机,通过AD转换器转换处理,搜索最佳工作频率,由HSO.O口输出工作频率,经反相、驱动触发IGBT管,使系统振荡频率向最优谐振状态逼近。

　系统程序主要由主程序、SPWM序列生成程序及频率自动跟踪程序组成。如图4所示,其主程序主要完成初始化、指针设置,置中断控制字,正弦表查表地址,频率自动跟踪中断程序入口。SP2WM序列生成程序主要完成正弦表查表、脉宽和计算及正弦表地址的更新。频率自动跟踪程序主要完成启动AD转换、数字滤波及最佳频率搜索等。                                                 ;                  

　　图4主程序框图

　　图5为塑料超声波焊接机实现塑料件与塑料件连接的实例。当谐振动时,振动从塑料工件端传到另一

端,引起塑料件接触面上的塑料质点振动,产生大量的摩擦热,在很短的时间内迅速升温达到塑料件的熔点,在压力作用下,上、下工件紧密接触而熔合,从而实现焊接[5]。   

4　结　　论

图5　超声波焊接示意图

　(1) 功率发生器利用8098 单片机HSO. O 口输出开关信号, 能实现频率自动跟踪, 且跟踪精度较高。

   (2) 采用8098 单片机控制系统, 性能良好,运行可靠。

   (3) 研制的超声波功率发生器能广泛应用于超声波塑料焊接设备中。

   (4) 焊接可在1 s 时间内完成, 焊件质量好,连接强度高, 外形美观。

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　自动频率跟踪超声波发生器的工作原理，自动追频超声波发生器