自动阻抗匹配的超声波电路驱动器及其自动动态匹配方法组成比例

本发明专利技术公开了一种自动阻抗匹配的超声波电路驱动器及其自动动态匹配方法，其包括相互衔接的高速单片机模块、DDS信号生成模块、功率放大模块、阻抗动态匹配模块、信号采集与控制模块和保护电路模块；本发明专利技术的设计巧妙、合理，动态匹配模块由一系列的电感器件组成，通过匹配算法控制动态匹配模块的电感，满足系统在电路结构上的谐振，使得电路系统能量的最大输出，达到超声驱动器与换能器的合理匹配。高速单片机模块可实现整个超声驱动器的数字控制，信号生成是采用DDS数字式方法实现正弦波信号的生成，功放放大模块可将驱动电压与电流信号提升到换能器所需要的功率，信号控制模块可实现频率自动跟踪等功能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及超声波电路驱动
，特别涉及一种自动阻抗匹配的超声波电路驱动器。
技术介绍
随着科技的飞速发展，各领域的重大突破，超声波应用已经跨越大部分领域，不仅在国防工业领域、军工领域、医学领域及生活领域都占有举足轻重的地位，在经济体中的重要性也愈加明显。超声振动系统主要由超声驱动电路、匹配电路、换能器和超声加工工具构成。其中，驱动电路主要包括信号产生电路、信号处理及功率放大等，是超声系统的能量来源；超声加工工具一般为手术的执行工具；超声换能器是主要的能量转换元件，将驱动电路产生的电能转化成加工设备所需要的能量，如机械能、热能等；匹配电路则是调高超声换能器的能量转换甚至是否工作的关键电路。为了提高压电超声换能器的输出功率和能量转换效率，需要对换能器的电端进行电学匹配，其在功率超声应用领域占有相当重要的地位。电学匹配主要是在超声电源与换能器之间加载匹配电路，它主要可以解决变阻和调谐问题。根据电路知识，将换能器的阻抗等于超声电源的内阻抗，此时的功率最大，目前一般采用串联变换器实现。调谐则是通过串联或者并联元器件抵消换能器的容性，使换能器两端的相位差为零，减小无功功率的产生。这也是目前超声领域研究重点之一。对于超声波驱动电路，传统的匹配电路主要从静态匹配方面开展。静态匹配原理是通过获取换能器的等效参数，计算出系统谐振频率值，选择满足其匹配参数电感与电容值，通过合理的一组参数值就可以保证系统调谐匹配。当采用静态匹配时，换能器不会产生无功功率，这种方法经实验验证，简单可行，对换能器空载有明显的效果。但工作时间过长，会有谐波产生和匹配元件发热等现象。在工程领域，静态匹配使用的电感与电容是通过人为经验确定，或通过不断尝试后得到，其过程耗时耗力，而且得到的电感电容时不一定达到最优值。另外，当换能器处于工作过程，其负载均为动态变化过程，由于传统上使用的静态匹配方法，其匹配的电感与电容是固定的，不能对动态变化的负载进行在线实时的匹配，降低了系统的能量轮换效率，此外还造成系统产生大量的热量，严重影响超声波系统的性能与稳定性，对于高精度要求的超声焊接、超声加工、超声绑定行业来说，传统的静态匹配方法成为性能提升的瓶颈。
技术实现思路
针对上述不足，本专利技术的目的在于，提供一种结构设计巧妙、合理，能适应各种不同负载与工况，提高能量转换效率，具有实时动态阻抗匹配的自动阻抗匹配的超声波电路驱动器。为实现上述目的，本专利技术所提供的技术方案是：一种自动阻抗匹配的超声波电路驱动器，其包括相互衔接的高速单片机模块、DDS信号生成模块、功率放大模块、阻抗动态匹配模块、信号采集与控制模块和保护电路模块；其中所述高速单片机模块为采用32位以上的数字单片机，如ARM、DSP微处理器。该高速单片机模采用直接数字频率合成DDS技术，具有输出频率频谱范围宽、频率变换速度快、频率分辨精度高和输出波形任意、失真小、相位噪声低、相位可快速切换且连续调节等特点。所述DDS信号生成模块利用DDS频率合成技术，产生一定频率范围的正弦波信号；所述功率放大模块采用IGBT晶体管组成的全桥电路；所述阻抗动态匹配是利用一系列的电感，根据电路的电流与相位反馈信号，自动切换成所需的最佳电感；所述信号采集与控制模块用于采集电路中的电压、电流与温度信号，与设置值相比较并作出相关信息反馈。以上模块相互衔接，相辅相成，组成具有性能稳定的具有自动阻抗匹配的自动阻抗匹配的超声波电路驱动器。作为本专利技术的一种改进，所述高速单片机模块为Cortex-M3架构的ARM微处理器，该ARM微处理器内部集成有模数转换，通过软件程序设置模数转换模式，数据传输速度快，硬件成本低。作为本专利技术的一种改进，所述功率放大模块为由2SC5200和2SA1943互补对称的大功率晶体管，具有比较高的输出功率和转换效率。作为本专利技术的一种改进，所述阻抗动态匹配模块由基准可调电感和自动调节电感串联组成，自动调节串联电感部分采用七个电感串联而成，七个电感分别为1μH、4.7μH、12μH、27μH、56μH、68μH和100μH，此范围可满足超声换能器的匹配要求。作为本专利技术的一种改进，所述信号采集与控制模块对电路中的电压、电流与温度信号进行采集，作为反馈信号切换选择所述阻抗动态匹配模块中的电感。作为本专利技术的一种改进，所述保护电路模块包括保险丝过流保护单元、防雷击保护单元、防电流浪涌电阻单元、防止传导干扰单元、抑制共模干扰单元、过热保护单元和报警单元。一种上述的自动阻抗匹配的超声波电路驱动器的自动动态匹配方法，其包括以下步骤：所述高速单片机模块生成信号频率可调节的驱动器信号源，同时采集驱动器的反馈信号，包括有超声换能器的电压、电流、相位、频率以及相关信号，对系统的频率与电压进行数字控制；DDS信号生成模块通过高速单片机模块的控制，生成所需频率范围的正弦波信号；功率放大模块将DDS信号生成模块所生成的正弦波信号进行放大，以满足超声换能器足够的振幅输出；信号采集与控制模块采集流过超声换能器的电压、电流、相位、频率以及相关信号，作为负载动态变化的控制参数，传送到所述高速单片机模块；阻抗动态匹配模块根据因负载的动态变化的电压、电流、相位以及相关信号，根据预定的判断算法，自动在线实时地调整电感网络的电感值，切换并选择最优电感值，达到超声驱动器与换能器的合理匹配目的。本专利技术的有益效果为：本专利技术的电路架构设计巧妙、合理，根据超声换能器工作过程的负载动态变化，通过信号采集与控制模块采集电路中的电压、电流、相位等反馈信号，建立反馈信号与负载变化的对应关系，通过反馈信号的变化值，加上高速单片机模块的数字控制，实时在线的切换调整阻抗匹配网络的最优电感值，使得电路驱动器与超声换能器的最佳匹配，有效提升能量转换效率，增大超声波振幅的输出，而且发热量小，有效地提高了超声驱动器的可靠性与稳定性。高速单片机模块采用32位ARM或DSP微处理器，可生成驱动器的电压信号，并可通过信号采集与控制模块采集电路的电压、电流、相位、频率等反馈信号，实现频率跟踪、电压可调、电流可调、功率可调的数字式控制，便于用户的操作与自定义，以及人机交互；并基于直接数字频率合成DDS技术，具有输出频率频谱范围宽、频率变换速度快、频率分辨精度高和输出波形任意、失真小、相位噪声低、相位可快速切换且连续调节等特点。功率放大模块是采用IGBT晶体管形成的全桥电路架构，可将驱动器的功率、电压、电流提升到一定值（如2000瓦），有效满足换能器的能量输出。保护电路模块是对系统的保险丝、防雷击，防电流浪涌，防止传导干扰和抑制共模干扰的电感、电容等进行保护，以及温度传感器采集整个系统的温度，并提出报警等，有效地提高了系统的安全性、工作稳定性高，使用寿命长，易于广泛推广使用。下面结合附图与实施例，对本专利技术进一步说明。附图说明图1是本专利技术的模块示意框图。图2是本专利技术中的阻抗动态匹配模块的阻抗动态匹配示意图。图3是是本专利技术中的阻抗动态匹配模块的阻抗动态匹配细节图。具体实施方式参见图1至图3，本实施例提供的一种自动阻抗匹配的超声波电路驱动器，其包括相互衔接的高速单片机模块、DDS信号生成模块、功率放大模块、阻抗动态匹配模块、信号采集与控制模块和保护电路模块；其中所述高速单片机模块为采用32位以上的数字单片本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自动阻抗匹配的超声波电路驱动器，其特征在于，其包括相互衔接的高速单片机模块、DDS信号生成模块、功率放大模块、阻抗动态匹配模块、信号采集与控制模块和保护电路模块；其中所述高速单片机模块为采用32位以上的数字单片机，所述DDS信号生成模块利用DDS频率合成技术，产生一定频率范围的正弦波信号；所述功率放大模块采用IGBT晶体管组成的全桥电路；所述阻抗动态匹配是利用一系列的电感，根据电路的电流与相位反馈信号，自动切换成所需的最佳电感；所述信号采集与控制模块用于采集电路中的电压、电流与温度信号，与设置值相比较并作出相关信息反馈。

【技术特征摘要】
1.一种自动阻抗匹配的超声波电路驱动器，其特征在于，其包括相互衔接的高速单片机模块、DDS信号生成模块、功率放大模块、阻抗动态匹配模块、信号采集与控制模块和保护电路模块；其中所述高速单片机模块为采用32位以上的数字单片机，所述DDS信号生成模块利用DDS频率合成技术，产生一定频率范围的正弦波信号；所述功率放大模块采用IGBT晶体管组成的全桥电路；所述阻抗动态匹配是利用一系列的电感，根据电路的电流与相位反馈信号，自动切换成所需的最佳电感；所述信号采集与控制模块用于采集电路中的电压、电流与温度信号，与设置值相比较并作出相关信息反馈。2.根据权利要求1所述的自动阻抗匹配的超声波电路驱动器，其特征在于，所述高速单片机模块为Cortex-M3架构的ARM微处理器，该ARM微处理器内部集成有模数转换，通过软件程序设置模数转换模式。3.根据权利要求1所述的自动阻抗匹配的超声波电路驱动器，其特征在于，所述功率放大模块为由2SC5200和2SA1943互补对称的大功率晶体管。4.根据权利要求1所述的自动阻抗匹配的超声波电路驱动器，其特征在于，所述阻抗动态匹配模块由基准可调电感和自动调节电感串联组成，自动调节串联电感部分采用七个电感串联而成，七个电感分别为1μH、4.7μH、12μH、27μH、56μH、68μH和100μH。5.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：隆志力，李祚华，孙文栋，赵爽，张建国，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东;44