一种超声功率直流偏置脉冲激励电源制造技术

本发明专利技术公开了一种超声功率直流偏置脉冲激励电源，低压供电电源与前置升压电路相连，将升压后电能存储在储能电路中以形成一高一低两个稳压源，储能电路中两个电压源输入到输出逆变电路，经逆变后形成直流偏置脉冲输出，多余的电能经反激稳压电路变压后返回到前置升压电路实现能量回收；采样电路对输出逆变电路的输入电压和输出电压以及反激稳压电路的输入电压进行采样，将采样信号发送到控制器；控制器根据采样信号，通过驱动电路对前置升压电路、反激稳压电路以及输出逆变电路进行控制，以产生符合预设要求的直流偏置脉冲电压。本发明专利技术采用直流偏置脉冲激励方式实现了超声换能器偏离平衡点谐振，达到更大的输出位移。

【技术实现步骤摘要】
一种超声功率直流偏置脉冲激励电源
本专利技术涉及超声换能器驱动电源
，特别涉及一种超声功率直流偏置脉冲激励电源。
技术介绍
超声换能器是把输入的电能转换成机械能(高频振动)的装置，主要适用于超声波清洗、超声波焊接以及超声电机等高频设备。超声换能器作为一种电能-机械能执行装置，其运动输出受驱动电源的影响非常大。故一个匹配良好的驱动电源对超声换能器的性能至关重要。目前有关超声换能器驱动电源设计很多，但基本上都是采用交流激励模式，并不能实现超声换能器偏离平衡点谐振，达到更大的输出位移，没有能够进一步扩大超声换能器的实际运用范围。
技术实现思路
为解决传统超声功率驱动电源不能实现直流偏置脉冲激励的缺陷，本专利技术提供一种超声功率直流偏置脉冲激励电源，该电源具有结构简单高效，直流脉冲峰谷幅值可调，输出频率范围宽等特点。本专利技术的目的通过以下的技术方案实现：一种超声功率直流偏置脉冲激励电源，包括前置升压电路、储能电路、输出逆变电路、反激稳压电路、采样电路、驱动电路以及控制器，其中低压供电电源与前置升压电路相连，将升压后电能存储在储能电路中以形成一高一低两个稳压源，储能电路中两个电压源输入到输出逆变电路，经输出逆变电路逆变后形成直流偏置脉冲输出，多余的电能经反激稳压电路变压后返回到前置升压电路实现能量回收；采样电路对输出逆变电路的输入电压和输出电压以及反激稳压电路的输入电压进行采样，将采样信号发送到控制器；控制器根据采样信号，通过驱动电路对前置升压电路、反激稳压电路以及输出逆变电路进行控制，以产生符合预设要求的直流偏置脉冲电压。本专利技术通过反激稳压电路将储能电路中的多余电能返回到前置升压电路中、输出逆变电路补充电荷两种手段实现电压稳定，采用直流偏置脉冲激励方式实现了超声换能器偏离平衡点谐振，达到更大的输出位移。优选的，所述前置升压电路采用推挽升压结构，低压供电电源输入的低压直流电在该前置升压电路的隔离变压倍压整流作用下得到高压直流电。更进一步的，所述前置升压电路包括升压变压器、功率管开关电路、次级线圈、快恢复二极管(简称FRD)和电容，在功率管开关电路的作用下，升压变压器将直流电高倍升压，在次级线圈中产生隔离的高频高压交流电，该高压交流电经两个快恢复二极管和两个电容组成的高频倍压整流电路后形成一个可调高压直流电源。优选的，所述储能电路由两个耐压值高过一定值的电容串联组成，高压经两电容分压后作为低压电源输出。优选的，所述输出逆变电路采用半桥逆变电路结构，并且半桥上管漏极与前置升压电路输出相连，下管源极与储能电路中分压点相连，输出逆变电路在程序控制下将高、低两个直流电压交替切换输出到负载实现频率、高低幅值都可调的偏置脉冲电压。优选的，所述反激稳压电路采用反激拓扑结构，将储能电路中的多余电能返回到前置升压电路中实现低压稳压源的电压稳定。更进一步的，所述反激稳压电路采用高耐压MOS管。通过限制PWM宽度，保证可在宽的电压范围能够进行电能传送。优选的，所述驱动电路实现控制器输出PWM控制信号的隔离以及功率放大，驱动前置升压电路、输出逆变电路、反激稳压电路中对应的功率管。优选的，所述控制器主控采用STM32F103C8T6单片机，人机交互通过LCD及按钮或串口实现输出频率、峰谷电压幅值的参数设置，运行时通过采样电路获得实时输出值，在程序控制下保证波形幅值稳定。本专利技术与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：1、本专利技术采用三级变换电路通过控制器的程序控制实现超声电机驱动电源输出的直流偏置脉冲电压幅值，频率符合要求。2、本专利技术采用直流偏置脉冲激励方式实现了超声换能器偏离平衡点谐振，使压电陶瓷可以偏离平衡点谐振获得更大位移。3、由于本专利技术采用了可编程的单片机作为控制器，本专利技术电源的工作频率范围广且频率精准，还可对超声换能器进行可编程控制从而扩大了驱动电源的应用范围。附图说明图1为本专利技术具体系统结构框架图。图2为本专利技术中前置升压电路原理图。图3为本专利技术中储能电路及输出逆变电路的电路原理图。图4为本专利技术中反激稳压电路原理图。具体实施方式下面结合实施例及附图对本专利技术作进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。实施例1参见附图1至图4，本专利技术实施例一种超声功率直流偏置脉冲激励电源，该电源系统采用了两级DC-DC以及一级DC-AC共三级变换电路实现电源电压的转换。第一级DC-DC电路为推挽升压以及倍压整流电路，为压电陶瓷激励提供高压。第二级DC-DC电路为反激稳压电路，用于稳定偏置脉冲低压的谷值和能量回收。输出DC-AC电路采用半桥逆变结构，由单片机控制其开关频率以及占空比，精度高且调节方便。具体如图1所示，包括前置升压电路1、储能电路2、输出逆变电路3、反激稳压电路4、采样电路5、驱动电路6以及控制器7，其中控制器部分包括一个人机界面，用户能够通过人机界面的按钮准确设定运行参数。图1中，低压电源输入与前置升压电路1相连，将升压后电能存储在与之相连的储能电路2中，形成两个一高一低稳压源，储能电路2中两个电压源输入到输出逆变电路3，经其逆变后形成直流偏置脉冲输出。储能电路2中多余的电能经反激稳压电路4变压后返回到前置前置升压电路1实现能量回收。采样电路5对输出逆变电路3输入、输出电压以及反激稳压电路4输入电压进行采样，由控制器7进行AD转换后进行处理，最终通过驱动电路6对前置升压电路1、反激稳压电路4以及输出逆变电路3进行控制，以产生符合要求的直流偏置脉冲电压。如图2所示，本实施例前置升压电路1采用推挽升压结构，包括升压变压器、功率管开关电路、次级线圈、高耐压快恢复二极管和高耐压电容，在功率管开关电路的作用下，升压变压器将直流电高倍升压，在次级线圈中产生隔离的高频高压交流电，该高压交流电经两个高耐压快恢复二极管和两个高耐压电容组成的高频倍压整流电路后形成一个可调高压直流电源。例如可将电源的输入12V电压直流电在该电路的隔离变压倍压整流作用下得到高压直流电。如图3所示，本实施例中，储能电路2由两个高耐压的电容串联组成，高压经两电容分压后作为低压电源输出，即偏置脉冲谷值所需电压。由于超声换能器中压电陶瓷为容性负载，输出逆变电路3采用半桥逆变电路实现压电陶瓷中电荷的充放。半桥上管漏极与前置升压电路1输出相连，下管源极与储能电路2中分压点相连，从而实现输出偏置脉冲谷值电压大于零。输出逆变电路3在程序控制下将高、低两个直流电压交替切换输出到负载实现频率、高低幅值都可调的偏置脉冲电压。如图4所示，本实施例中，反激稳压电路4采用反激拓扑结构，将储能电路2中的多余电能返回到前置升压电路1中实现低压稳压源的电压稳定。具体采用高耐压MOS管Q3，通过程序限制PWM宽度，保证能在在宽的电压范围正常进行电能传送。本实施例中，驱动电路6使用专用集成功率MOS管驱动芯片实现控制器7输出PWM控制信号的隔离以及功率放大。驱动前置升压电路1、输出逆变电路3、反激稳压电路4中对应的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超声功率直流偏置脉冲激励电源，其特征在于，包括前置升压电路、储能电路、输出逆变电路、反激稳压电路、采样电路、驱动电路以及控制器，其中低压供电电源与前置升压电路相连，将升压后电能存储在储能电路中以形成一高一低两个稳压源，储能电路中两个电压源输入到输出逆变电路，经输出逆变电路逆变后形成直流偏置脉冲输出，多余的电能经反激稳压电路变压后返回到前置升压电路实现能量回收；采样电路对输出逆变电路的输入电压和输出电压以及反激稳压电路的输入电压进行采样，将采样信号发送到控制器；控制器根据采样信号，通过驱动电路对前置升压电路、反激稳压电路以及输出逆变电路进行控制，以产生符合预设要求的直流偏置脉冲电压。/n

【技术特征摘要】
1.一种超声功率直流偏置脉冲激励电源，其特征在于，包括前置升压电路、储能电路、输出逆变电路、反激稳压电路、采样电路、驱动电路以及控制器，其中低压供电电源与前置升压电路相连，将升压后电能存储在储能电路中以形成一高一低两个稳压源，储能电路中两个电压源输入到输出逆变电路，经输出逆变电路逆变后形成直流偏置脉冲输出，多余的电能经反激稳压电路变压后返回到前置升压电路实现能量回收；采样电路对输出逆变电路的输入电压和输出电压以及反激稳压电路的输入电压进行采样，将采样信号发送到控制器；控制器根据采样信号，通过驱动电路对前置升压电路、反激稳压电路以及输出逆变电路进行控制，以产生符合预设要求的直流偏置脉冲电压。


2.根据权利要求1所述的超声功率直流偏置脉冲激励电源，其特征在于，所述前置升压电路采用推挽升压结构，低压供电电源输入的低压直流电在该前置升压电路的隔离变压倍压整流作用下得到高压直流电。


3.根据权利要求2所述的超声功率直流偏置脉冲激励电源，其特征在于，所述前置升压电路包括升压变压器、功率管开关电路、次级线圈、快恢复二极管和电容，在功率管开关电路的作用下，升压变压器将直流电高倍升压，在次级线圈中产生隔离的高频高压交流电，该高压交流电经两个快恢复二极管和两个电容组成的高频倍压整流电路后形成一个可调高压直流电源。


4.根据权利要求1所述的超...

【专利技术属性】
技术研发人员：张铁民，甘展宇，
申请(专利权)人：华南农业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44