自動阻抗匹配的超聲波電路驅動器及其自動動態匹配方法組成比例

本發明專利技術公開了一種自動阻抗匹配的超聲波電路驅動器及其自動動態匹配方法，其包括相互銜接的高速單片機模塊、DDS信號生成模塊、功率放大模塊、阻抗動態匹配模塊、信號采集與控制模塊和保護電路模塊；本發明專利技術的設計巧妙、合理，動態匹配模塊由一系列的電感器件組成，通過匹配算法控制動態匹配模塊的電感，滿足系統在電路結構上的諧振，使得電路系統能量的最大輸出，達到超聲驅動器與換能器的合理匹配。高速單片機模塊可實現整個超聲驅動器的數字控制，信號生成是采用DDS數字式方法實現正弦波信號的生成，功放放大模塊可將驅動電壓與電流信號提升到換能器所需要的功率，信號控制模塊可實現頻率自動跟蹤等功能。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及超聲波電路驅動
，特別涉及一種自動阻抗匹配的超聲波電路驅動器。
技術介紹
隨著科技的飛速發展，各領域的重大突破，超聲波應用已經跨越大部分領域，不僅在國防工業領域、軍工領域、醫學領域及生活領域都占有舉足輕重的地位，在經濟體中的重要性也愈加明顯。超聲振動系統主要由超聲驅動電路、匹配電路、換能器和超聲加工工具構成。其中，驅動電路主要包括信號產生電路、信號處理及功率放大等，是超聲系統的能量來源；超聲加工工具一般為手術的執行工具；超聲換能器是主要的能量轉換元件，將驅動電路產生的電能轉化成加工設備所需要的能量，如機械能、熱能等；匹配電路則是調高超聲換能器的能量轉換甚至是否工作的關鍵電路。為了提高壓電超聲換能器的輸出功率和能量轉換效率，需要對換能器的電端進行電學匹配，其在功率超聲應用領域占有相當重要的地位。電學匹配主要是在超聲電源與換能器之間加載匹配電路，它主要可以解決變阻和調諧問題。根據電路知識，將換能器的阻抗等于超聲電源的內阻抗，此時的功率最大，目前一般采用串聯變換器實現。調諧則是通過串聯或者并聯元器件抵消換能器的容性，使換能器兩端的相位差為零，減小無功功率的產生。這也是目前超聲領域研究重點之一。對于超聲波驅動電路，傳統的匹配電路主要從靜態匹配方面開展。靜態匹配原理是通過獲取換能器的等效參數，計算出系統諧振頻率值，選擇滿足其匹配參數電感與電容值，通過合理的一組參數值就可以保證系統調諧匹配。當采用靜態匹配時，換能器不會產生無功功率，這種方法經實驗驗證，簡單可行，對換能器空載有明顯的效果。但工作時間過長，會有諧波產生和匹配元件發熱等現象。在工程領域，靜態匹配使用的電感與電容是通過人為經驗確定，或通過不斷嘗試后得到，其過程耗時耗力，而且得到的電感電容時不一定達到最優值。另外，當換能器處于工作過程，其負載均為動態變化過程，由于傳統上使用的靜態匹配方法，其匹配的電感與電容是固定的，不能對動態變化的負載進行在線實時的匹配，降低了系統的能量輪換效率，此外還造成系統產生大量的熱量，嚴重影響超聲波系統的性能與穩定性，對于高精度要求的超聲焊接、超聲加工、超聲綁定行業來說，傳統的靜態匹配方法成為性能提升的瓶頸。
技術實現思路
針對上述不足，本專利技術的目的在于，提供一種結構設計巧妙、合理，能適應各種不同負載與工況，提高能量轉換效率，具有實時動態阻抗匹配的自動阻抗匹配的超聲波電路驅動器。為實現上述目的，本專利技術所提供的技術方案是：一種自動阻抗匹配的超聲波電路驅動器，其包括相互銜接的高速單片機模塊、DDS信號生成模塊、功率放大模塊、阻抗動態匹配模塊、信號采集與控制模塊和保護電路模塊；其中所述高速單片機模塊為采用32位以上的數字單片機，如ARM、DSP微處理器。該高速單片機模采用直接數字頻率合成DDS技術，具有輸出頻率頻譜范圍寬、頻率變換速度快、頻率分辨精度高和輸出波形任意、失真小、相位噪聲低、相位可快速切換且連續調節等特點。所述DDS信號生成模塊利用DDS頻率合成技術，產生一定頻率范圍的正弦波信號；所述功率放大模塊采用IGBT晶體管組成的全橋電路；所述阻抗動態匹配是利用一系列的電感，根據電路的電流與相位反饋信號，自動切換成所需的最佳電感；所述信號采集與控制模塊用于采集電路中的電壓、電流與溫度信號，與設置值相比較并作出相關信息反饋。以上模塊相互銜接，相輔相成，組成具有性能穩定的具有自動阻抗匹配的自動阻抗匹配的超聲波電路驅動器。作為本專利技術的一種改進，所述高速單片機模塊為Cortex-M3架構的ARM微處理器，該ARM微處理器內部集成有模數轉換，通過軟件程序設置模數轉換模式，數據傳輸速度快，硬件成本低。作為本專利技術的一種改進，所述功率放大模塊為由2SC5200和2SA1943互補對稱的大功率晶體管，具有比較高的輸出功率和轉換效率。作為本專利技術的一種改進，所述阻抗動態匹配模塊由基準可調電感和自動調節電感串聯組成，自動調節串聯電感部分采用七個電感串聯而成，七個電感分別為1μH、4.7μH、12μH、27μH、56μH、68μH和100μH，此范圍可滿足超聲換能器的匹配要求。作為本專利技術的一種改進，所述信號采集與控制模塊對電路中的電壓、電流與溫度信號進行采集，作為反饋信號切換選擇所述阻抗動態匹配模塊中的電感。作為本專利技術的一種改進，所述保護電路模塊包括保險絲過流保護單元、防雷擊保護單元、防電流浪涌電阻單元、防止傳導干擾單元、抑制共模干擾單元、過熱保護單元和報警單元。一種上述的自動阻抗匹配的超聲波電路驅動器的自動動態匹配方法，其包括以下步驟：所述高速單片機模塊生成信號頻率可調節的驅動器信號源，同時采集驅動器的反饋信號，包括有超聲換能器的電壓、電流、相位、頻率以及相關信號，對系統的頻率與電壓進行數字控制；DDS信號生成模塊通過高速單片機模塊的控制，生成所需頻率范圍的正弦波信號；功率放大模塊將DDS信號生成模塊所生成的正弦波信號進行放大，以滿足超聲換能器足夠的振幅輸出；信號采集與控制模塊采集流過超聲換能器的電壓、電流、相位、頻率以及相關信號，作為負載動態變化的控制參數，傳送到所述高速單片機模塊；阻抗動態匹配模塊根據因負載的動態變化的電壓、電流、相位以及相關信號，根據預定的判斷算法，自動在線實時地調整電感網絡的電感值，切換并選擇最優電感值，達到超聲驅動器與換能器的合理匹配目的。本專利技術的有益效果為：本專利技術的電路架構設計巧妙、合理，根據超聲換能器工作過程的負載動態變化，通過信號采集與控制模塊采集電路中的電壓、電流、相位等反饋信號，建立反饋信號與負載變化的對應關系，通過反饋信號的變化值，加上高速單片機模塊的數字控制，實時在線的切換調整阻抗匹配網絡的最優電感值，使得電路驅動器與超聲換能器的最佳匹配，有效提升能量轉換效率，增大超聲波振幅的輸出，而且發熱量小，有效地提高了超聲驅動器的可靠性與穩定性。高速單片機模塊采用32位ARM或DSP微處理器，可生成驅動器的電壓信號，并可通過信號采集與控制模塊采集電路的電壓、電流、相位、頻率等反饋信號，實現頻率跟蹤、電壓可調、電流可調、功率可調的數字式控制，便于用戶的操作與自定義，以及人機交互；并基于直接數字頻率合成DDS技術，具有輸出頻率頻譜范圍寬、頻率變換速度快、頻率分辨精度高和輸出波形任意、失真小、相位噪聲低、相位可快速切換且連續調節等特點。功率放大模塊是采用IGBT晶體管形成的全橋電路架構，可將驅動器的功率、電壓、電流提升到一定值（如2000瓦），有效滿足換能器的能量輸出。保護電路模塊是對系統的保險絲、防雷擊，防電流浪涌，防止傳導干擾和抑制共模干擾的電感、電容等進行保護，以及溫度傳感器采集整個系統的溫度，并提出報警等，有效地提高了系統的安全性、工作穩定性高，使用壽命長，易于廣泛推廣使用。下面結合附圖與實施例，對本專利技術進一步說明。附圖說明圖1是本專利技術的模塊示意框圖。圖2是本專利技術中的阻抗動態匹配模塊的阻抗動態匹配示意圖。圖3是是本專利技術中的阻抗動態匹配模塊的阻抗動態匹配細節圖。具體實施方式參見圖1至圖3，本實施例提供的一種自動阻抗匹配的超聲波電路驅動器，其包括相互銜接的高速單片機模塊、DDS信號生成模塊、功率放大模塊、阻抗動態匹配模塊、信號采集與控制模塊和保護電路模塊；其中所述高速單片機模塊為采用32位以上的數字單片本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種自動阻抗匹配的超聲波電路驅動器，其特征在于，其包括相互銜接的高速單片機模塊、DDS信號生成模塊、功率放大模塊、阻抗動態匹配模塊、信號采集與控制模塊和保護電路模塊；其中所述高速單片機模塊為采用32位以上的數字單片機，所述DDS信號生成模塊利用DDS頻率合成技術，產生一定頻率范圍的正弦波信號；所述功率放大模塊采用IGBT晶體管組成的全橋電路；所述阻抗動態匹配是利用一系列的電感，根據電路的電流與相位反饋信號，自動切換成所需的最佳電感；所述信號采集與控制模塊用于采集電路中的電壓、電流與溫度信號，與設置值相比較并作出相關信息反饋。

【技術特征摘要】
1.一種自動阻抗匹配的超聲波電路驅動器，其特征在于，其包括相互銜接的高速單片機模塊、DDS信號生成模塊、功率放大模塊、阻抗動態匹配模塊、信號采集與控制模塊和保護電路模塊；其中所述高速單片機模塊為采用32位以上的數字單片機，所述DDS信號生成模塊利用DDS頻率合成技術，產生一定頻率范圍的正弦波信號；所述功率放大模塊采用IGBT晶體管組成的全橋電路；所述阻抗動態匹配是利用一系列的電感，根據電路的電流與相位反饋信號，自動切換成所需的最佳電感；所述信號采集與控制模塊用于采集電路中的電壓、電流與溫度信號，與設置值相比較并作出相關信息反饋。2.根據權利要求1所述的自動阻抗匹配的超聲波電路驅動器，其特征在于，所述高速單片機模塊為Cortex-M3架構的ARM微處理器，該ARM微處理器內部集成有模數轉換，通過軟件程序設置模數轉換模式。3.根據權利要求1所述的自動阻抗匹配的超聲波電路驅動器，其特征在于，所述功率放大模塊為由2SC5200和2SA1943互補對稱的大功率晶體管。4.根據權利要求1所述的自動阻抗匹配的超聲波電路驅動器，其特征在于，所述阻抗動態匹配模塊由基準可調電感和自動調節電感串聯組成，自動調節串聯電感部分采用七個電感串聯而成，七個電感分別為1μH、4.7μH、12μH、27μH、56μH、68μH和100μH。5.根...

【專利技術屬性】
技術研發人員：隆志力，李祚華，孫文棟，趙爽，張建國，
申請(專利權)人：哈爾濱工業大學深圳研究生院，
類型：發明
國別省市：廣東;44