自動頻率跟蹤超聲波發(fā)生器的工作原理

　　自動追頻超聲波發(fā)生器工作原理分析，自動頻率跟蹤超聲波發(fā)生器的研究，自動頻率跟蹤超聲波發(fā)生器的工作原理

　　摘   要:為了更好地提高超聲波焊接機的功率,改善焊機的性能,采用IGBT管(絕緣柵極雙極晶體管)設計了超聲波發(fā)生器的硬件系統,運用規(guī)則取樣方式實現SPWM序列的算法,采用8098單片機編制軟件實現SPWM序列算法的控制及頻率自動跟蹤。結果表明系統具有較高的可控性,自動跟蹤頻率精度高,研制的超聲波功率發(fā)生器適用于超聲波塑料焊機。

關鍵詞:單片機;超聲波焊接機;自動頻率跟蹤超聲波發(fā)生器

自動頻率跟蹤超聲波發(fā)生器，自動追頻超聲波發(fā)生器

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　   ?超聲波塑料焊接機能實現塑料與塑料、塑料與金屬之間連接,廣泛應用于塑料、汽車、家電、電子、玩具及包裝等工業(yè)領域中的生產和加工。

　　超聲波塑料焊接機由功率發(fā)生器、換能器及變幅桿組成,它利用功率發(fā)生器產生頻電信號,作用在換能器上,從而產生相同頻率振幅為4～5Λm的機械振動,經變幅桿放大后振幅轉變?yōu)?0～30Λm的機械振動,此振動功能作用在塑料工件表面以產生摩擦熱,使塑料表面熔化并在力的作用下連在一起。焊機工作過程中,負載發(fā)生漂移引起工作頻率發(fā)生變化,使振動系統失諧,大大降低了有效功率。因而功率發(fā)生器系統要求工作頻率能夠自動跟蹤以實現系統諧振,提高有效功率[1]。

　　超聲波焊接機的功率元件經歷了由電子管→晶閘管→晶體管→場效應管過程。   電子管體積大,功耗大;可關斷晶閘管開關速度低且門極關斷電流大,驅動功率大;雙極晶體管需較大的驅動電流;功率場效應管導通阻抗大,而IGBT絕緣柵極雙極晶體管具有雙極晶體管和場效應管的優(yōu)點,開關損耗小,耐壓高,容量大,電流密度大,通態(tài)壓降低,故成為功率設備的理想開關元件。研究采用IGBT管作為功率元件,利用8098單片機生成SPWM開關信號以及實現頻率自動跟蹤。

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1   開關信號產生原理

　　單片機實現SPWM序列有自然取樣及規(guī)則取樣兩種方式。自然取樣是用正弦波與三角波相交形成的交點確定SPWM序列的高、低電該方法不足之處在于用簡單的解析式描述脈寬的計算,不能實現微機對SPWM波形的實時控制。規(guī)則取樣是用一個取樣值確定脈寬t2,如圖1所示。其中,t2=T2(1+MsinΞt),T為三角波的周期,即SPWM片機產生SPWM序列利用此算法,但在處理數據時,為減少切換時間,提高開關頻率,可采用360°的存表方案,將SPWM波形數據存于E2PROM2764中,運算查表取數。

系統的硬件電路

如圖2所示,數字超聲波發(fā)生器電路結構示意圖，系統是由IGBT功率變換器和控制   

圖2   系統硬件電路圖

2.1   組   成

　　功率變換器是由IGBT管組成橋式電路,在開關信號作用下使IGBT管導通、截止,產生頻電信號

作用在換能器上?？刂齐娐肥怯烧?、放大電路、8098單片機、EPROM2764存貯器、74LS373鎖存器及驅動電路等組成[2]。自動頻率跟蹤超聲波發(fā)生器的研究

2.2   單片機SPWM序列的產生

　　單片機產生SPWM序列脈寬控制,一般通過可編程定時計數器及中斷功能實現,其原理如圖3a

所示。圖中基本中斷時間為SPWM的開關周期,由定時器定時產生?；局袛喾粘绦虻墓δ苁窍蚨〞r器送入時間常數,啟動定時器工作。中斷程序1功能是進行SPWM脈沖上升沿處理,并向定時器送入脈寬時間常數再啟動定時器工作,中斷程序2功能是對脈沖下降沿進行處理。通過中斷程序的生成和控制,這種定時中斷控制方式的特點是一個開關周期內需2次中斷,而CPU響應及處理這些中斷程序耗費了很多時間,因而限制了SPWM開關頻率的提高。

　　利用8098單片機高速輸出通道(HSO)生成并輸出SPWM序列,原理如圖3b所示。HSO的特點是在最小的CPU時間開銷情況下觸發(fā)用戶設定的事件,事件觸發(fā)的時間及中斷與否均由用戶通過對HSO機構寫入控制命令進行設定,而CPU對事件設定后,就不再參與HSO事件的操作,因而用HSO實時生成并輸出SPWM序列很適合。用HSO實時生成SPWM方法是在基本中斷服務程序入口寫入一條HSO命令,重新啟動軟件定時器工作,以便使CPU經T定時后再次進入該中斷服務程序,然后按計算所得的脈寬時間t1、t2,對HSO的輸出通道分別寫入2條命令,這樣只需進行一次中斷就可以輸出SPWM序列,與圖3a所示的2次中斷相比能提高開關頻率。

2.3   頻率自動跟蹤

　　功率變換器的4個功率元件為全橋電路,2對IGBT管G1、G4和G2、G3開關為互補工作狀態(tài),通過HSO.O輸出,經反相延時形成2路信號分別驅動G1、G4和G2、G3。超聲波塑料焊接機正常工作的前提是對聲學系統的頻率自動跟使發(fā)生器輸入信號頻率等于換能器機械諧振頻率。研究設計的頻率自動跟蹤電路利用平衡電橋反饋原理[3,4]提取流過換能器的電流信號,諧振頻率和超聲源頻率一致時產生共振,將電流信號作為反饋信號,經整形、放大送入8098單片機,通過AD轉換器轉換處理,搜索最佳工作頻率,由HSO.O口輸出工作頻率,經反相、驅動觸發(fā)IGBT管,使系統振蕩頻率向最優(yōu)諧振狀態(tài)逼近。

　系統程序主要由主程序、SPWM序列生成程序及頻率自動跟蹤程序組成。如圖4所示,其主程序主要完成初始化、指針設置,置中斷控制字,正弦表查表地址,頻率自動跟蹤中斷程序入口。SP2WM序列生成程序主要完成正弦表查表、脈寬和計算及正弦表地址的更新。頻率自動跟蹤程序主要完成啟動AD轉換、數字濾波及最佳頻率搜索等。                                                                   

　　圖4主程序框圖

　　圖5為塑料超聲波焊接機實現塑料件與塑料件連接的實例。當諧振動時,振動從塑料工件端傳到另一

端,引起塑料件接觸面上的塑料質點振動,產生大量的摩擦熱,在很短的時間內迅速升溫達到塑料件的熔點,在壓力作用下,上、下工件緊密接觸而熔合,從而實現焊接[5]。   

4　結　　論

圖5　超聲波焊接示意圖

　(1) 功率發(fā)生器利用8098 單片機HSO. O 口輸出開關信號, 能實現頻率自動跟蹤, 且跟蹤精度較高。

   (2) 采用8098 單片機控制系統, 性能良好,運行可靠。

   (3) 研制的超聲波功率發(fā)生器能廣泛應用于超聲波塑料焊接設備中。

   (4) 焊接可在1 s 時間內完成, 焊件質量好,連接強度高, 外形美觀。

     恒波牌自動頻率跟蹤超聲波發(fā)生器以及電路展示

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