自動頻率跟蹤超聲波發(fā)生器的工作原理

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　　摘   要:為了更好地提高超聲波焊接機(jī)的功率,改善焊機(jī)的性能,采用IGBT管(絕緣柵極雙極晶體管)設(shè)計了超聲波發(fā)生器的硬件系統(tǒng),運(yùn)用規(guī)則取樣方式實(shí)現(xiàn)SPWM序列的算法,采用8098單片機(jī)編制軟件實(shí)現(xiàn)SPWM序列算法的控制及頻率自動跟蹤。結(jié)果表明系統(tǒng)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(jī)。

關(guān)鍵詞:單片機(jī);超聲波焊接機(jī);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

               自動頻率跟蹤超聲波發(fā)生器，自動追頻超聲波發(fā)生

　   ?超聲波塑料焊接機(jī)能實(shí)現(xiàn)塑料與塑料、塑料與金屬之間連接,廣泛應(yīng)用于塑料、汽車、家電、電子、玩具及包裝等工業(yè)領(lǐng)域中的生產(chǎn)和加工。

　　超聲波塑料焊接機(jī)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(chǎn)生頻電信號,作用在換能器上,從而產(chǎn)生相同頻率振幅為4～5Λm的機(jī)械振動,經(jīng)變幅桿放大后振幅轉(zhuǎn)變?yōu)?0～30Λm的機(jī)械振動,此振動功能作用在塑料工件表面以產(chǎn)生摩擦熱,使塑料表面熔化并在力的作用下連在一起。焊機(jī)工作過程中,負(fù)載發(fā)生漂移引起工作頻率發(fā)生變化,使振動系統(tǒng)失諧,大大降低了有效功率。因而功率發(fā)生器系統(tǒng)要求工作頻率能夠自動跟蹤以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)諧振,提高有效功率[1]。

　　超聲波焊接機(jī)的功率元件經(jīng)歷了由電子管→晶閘管→晶體管→場效應(yīng)管過程。   電子管體積大,功耗大;可關(guān)斷晶閘管開關(guān)速度低且門極關(guān)斷電流大,驅(qū)動功率大;雙極晶體管需較大的驅(qū)動電流;功率場效應(yīng)管導(dǎo)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(yīng)管的優(yōu)點(diǎn),開關(guān)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(shè)備的理想開關(guān)元件。研究采用IGBT管作為功率元件,利用8098單片機(jī)生成SPWM開關(guān)信號以及實(shí)現(xiàn)頻率自動跟蹤。

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1   開關(guān)信號產(chǎn)生原理

　　單片機(jī)實(shí)現(xiàn)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)微機(jī)對SPWM波形的實(shí)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(jī)產(chǎn)生SPWM序列利用此算法,但在處理數(shù)據(jù)時,為減少切換時間,提高開關(guān)頻率,可采用360°的存表方案,將SPWM波形數(shù)據(jù)存于E2PROM2764中,運(yùn)算查表取數(shù)。

系統(tǒng)的硬件電路

如圖2所示,數(shù)字超聲波發(fā)生器電路結(jié)構(gòu)示意圖，系統(tǒng)是由IGBT功率變換器和控制   

圖2   系統(tǒng)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(guān)信號作用下使IGBT管導(dǎo)通、截止,產(chǎn)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(jī)、EPROM2764存貯器、74LS373鎖存器及驅(qū)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(jī)SPWM序列的產(chǎn)生

　　單片機(jī)產(chǎn)生SPWM序列脈寬控制,一般通過可編程定時計數(shù)器及中斷功能實(shí)現(xiàn),其原理如圖3a

所示。圖中基本中斷時間為SPWM的開關(guān)周期,由定時器定時產(chǎn)生?；局袛喾?wù)程序的功能是向定時器送入時間常數(shù),啟動定時器工作。中斷程序1功能是進(jìn)行SPWM脈沖上升沿處理,并向定時器送入脈寬時間常數(shù)再啟動定時器工作,中斷程序2功能是對脈沖下降沿進(jìn)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(diǎn)是一個開關(guān)周期內(nèi)需2次中斷,而CPU響應(yīng)及處理這些中斷程序耗費(fèi)了很多時間,因而限制了SPWM開關(guān)頻率的提高。

　　利用8098單片機(jī)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(diǎn)是在最小的CPU時間開銷情況下觸發(fā)用戶設(shè)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(jī)構(gòu)寫入控制命令進(jìn)行設(shè)定,而CPU對事件設(shè)定后,就不再參與HSO事件的操作,因而用HSO實(shí)時生成并輸出SPWM序列很適合。用HSO實(shí)時生成SPWM方法是在基本中斷服務(wù)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(jīng)T定時后再次進(jìn)入該中斷服務(wù)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(jìn)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(guān)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(guān)為互補(bǔ)工作狀態(tài),通過HSO.O輸出,經(jīng)反相延時形成2路信號分別驅(qū)動G1、G4和G2、G3。超聲波塑料焊接機(jī)正常工作的前提是對聲學(xué)系統(tǒng)的頻率自動跟使發(fā)生器輸入信號頻率等于換能器機(jī)械諧振頻率。研究設(shè)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(chǎn)生共振,將電流信號作為反饋信號,經(jīng)整形、放大送入8098單片機(jī),通過AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換處理,搜索最佳工作頻率,由HSO.O口輸出工作頻率,經(jīng)反相、驅(qū)動觸發(fā)IGBT管,使系統(tǒng)振蕩頻率向最優(yōu)諧振狀態(tài)逼近。

　系統(tǒng)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(shè)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(zhuǎn)換、數(shù)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(jī)實(shí)現(xiàn)塑料件與塑料件連接的實(shí)例。當(dāng)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(zhì)點(diǎn)振動,產(chǎn)生大量的摩擦熱,在很短的時間內(nèi)迅速升溫達(dá)到塑料件的熔點(diǎn),在壓力作用下,上、下工件緊密接觸而熔合,從而實(shí)現(xiàn)焊接[5]。   

4　結(jié)　　論

圖5　超聲波焊接示意圖

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

   (2) 采用8098 單片機(jī)控制系統(tǒng), 性能良好,運(yùn)行可靠。

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

   (4) 焊接可在1 s 時間內(nèi)完成, 焊件質(zhì)量好,連接強(qiáng)度高, 外形美觀。

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