深圳市恒波超聲波設備有限公司
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恒波超聲波
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自動頻率跟蹤超聲波發生器的工作原理

 二維碼 12179
發表時間:2017-03-25 19:22網址:http://www.yodaprod.com/h-nd-255.html

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  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)設計了超聲波發生器的硬件系統,運用規則取樣方式實現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生器


自動頻率跟蹤超聲波發生器

 

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批量制造自動追頻超聲波焊接機


    ?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、玩具及包裝等工業領域中的生產和加工。

  超聲波塑料焊接機由功率發生器、換能器及變幅桿組成,它利用功率發生器產生頻電信號,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為20~30Λm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,負載發生漂移引起工作頻率發生變化,使振動系統失諧,大大降低了有效功率。因而功率發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點,開關損耗小,耐壓高,容量大,電流密度大,通態壓降低,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。

自動頻率跟蹤超聲波發生器,電腦型超聲波發生器,智能型超聲波發生器


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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

數字超聲波發生器電路結構示意圖

如圖2所示,數字超聲波發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用戶設定的事件,事件觸發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。

pwn脈沖


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,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IGBT管,使系統振蕩頻率向最優諧振狀態逼近。

 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。                                                                   

超聲波發生器的工作原理


  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

自動頻率跟蹤超聲波發生器的工作原理

 (1) 功率發生器利用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生器以及電路展示

自動頻率跟蹤超聲波發生器

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