自动频率跟踪超声波发生器的工作原理

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总结: 为了更好地提高超声波焊接机的功率并提高焊接机的性能，超声波发生器的硬件系统是通过使用IGBT管（绝缘栅双极型晶体管）和SPWM序列设计的通过常规采样算法实现，使用8098单片机软件实现对SPWM序列算法的控制和自动频率跟踪. 结果表明，该系统具有较高的可控性和较高的自动跟踪频率精度. 研制的超声波发电机适用于超声波塑料焊接机.

关键字: 单片机；超声波焊接机；自动频率跟踪超声波发生器

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超声波塑料焊接机可实属之间的连接，并广泛用于塑料，汽车，家用电器，电子，玩具和包装等工业领域的生产加工.

超声波塑料焊接机由发电机，换能器和喇叭组成. 它使用发电机产生一个频率电信号，该信号作用在换能器上，以产生具有4〜5Λm相同频率振幅的机械振动. 在被喇叭放大后，振幅变为20-30Λm机械振动. 该振动功能作用在塑料工件的表面上，以产生摩擦热，使塑料表面熔化并将其在力的作用下连接在一起. 在焊接机的工作过程中，负载的漂移会导致工作频率发生变化，从而使振动系统失谐，从而大大降低了有效功率. 因此，发电机系统要求能够自动跟踪工作频率，以实现系统共振并增加有效功率[1].

超声波焊接机的功率部件经过电子管→晶闸管→晶体管→场效应管的过程. 电子管体积大，功耗大. 可关闭晶闸管的开关速度，栅极电流大，驱动功率大. 双极型晶体管需要较大的驱动电流. 功率场效应管导通电阻大，IGBT绝缘栅双极型晶体管具有双极型晶体管和场效应晶体管的优点. 它们具有低开关损耗，高耐压，大容量，大电流密度和低导通电压. 因此，它们是电力设备的理想开关元件. 本研究以IGBT管为功率元件，采用8098单片机产生SPWM开关信号，实现了频率自动跟踪.

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1开关信号产生原理

单片机通过两种方式实现SPWM序列: 自然采样和常规采样. 自然采样是通过正弦波和三角波的交点确定SPWM序列的高功率和低功率. 这种方法的缺点是用一个简单的解析公式来描述脉宽的计算，并且不能实现由微计算机对SPWM波形的实时控制. 常规采样是通过采样值确定脉冲宽度t2，如图1所示. 其中，t2 = T2（1 +MsinΞt），T是三角波的周期，即SPWM序列用于使用此算法生成SPWM序列，但是在处理数据时，为了减少切换时间并增加切换频率，可以使用360°表. 该方案中，SPWM波形数据存储在E2PROM2764中，计算结果为通过查找表来执行.

系统的硬件电路

如图2所示，数字超声发生器的电路结构，系统由IGBT功率变换器控制和控制.

图2系统硬件电路图

2.1组成

功率转换器是由IGBT管组成的桥式电路. 在开关信号的作用下，IGBT管导通和截止以产生频率电信号

作用在传感器上. 控制电路由整形，放大电路，8098单片机，EPROM2764存储器，74LS373锁存器和驱动电路等组成[2]. 自动频率跟踪超声波发生器的研究

2.2单片机SPWM序列的产生

SCM生成SPWM序列脉冲宽度控制，一般通过可编程定时器计数器和中断功能实现，其原理如图3a所示.

显示. 图中的基本中断时间是SPWM的开关周期，由定时器生成. 基本中断服务程序的功能是向计时器发送一个时间常数以启动计时器. 中断程序1的功能是处理SPWM脉冲的上升沿，并将脉冲宽度时间常数发送到计时器以重启计时器. 中断程序2的功能是处理脉冲的下降沿. 通过中断程序的生成和控制，这种定时中断控制方法的特点是在一个切换周期内需要两个中断，并且CPU响应和处理这些中断程序要花费大量时间发生器原理，从而限制了中断的增加SPWM开关频率.

使用8098单片机高速输出通道（HSO）生成和输出SPWM序列，其原理如图3b所示. HSO的特点是用户设置的事件在最短的CPU时间触发. 事件的时间和中断由用户通过向HSO机制写入控制命令来设置，然后在CPU设置事件后，它不再参与HSO事件的操作发生器原理，因此适合使用HSO实时生成和输出SPWM序列. 使用HSO实时生成SPWM的方法是在基本中断服务程序的入口处写入一条HSO命令，然后重新启动软件定时器，以使CPU在T定时后再次进入中断服务程序，然后根据计算出的脉冲宽度时间t1 t2，将两个命令写入HSO的输出通道，这样只有一个中断可以输出SPWM序列，与图3a所示的两个中断相比，可以增加开关频率.

2.3频率自动跟踪

功率转换器的四个功率元件是全桥电路，两对IGBT管G1，G4，G2和G3处于互补工作状态，并通过HSO.O输出，并被驱动反向延迟后通过两个信号G1，G4和G2，G3. 超声波塑料焊接机正常运行的前提是自动跟随声学系统的频率，以使发生器输入信号的频率等于换能器的机械共振频率. 自动频率跟踪电路的研究和设计使用平衡电桥反馈原理[3，4]提取流经换能器的电流信号. 当谐振频率和超声源频率相同时，发生谐振，并且将电流信号用作反馈信号，该信号被整形和放大. 送入8098单片机，经过AD转换器转换处理，寻找最佳工作频率，从HSO.O端口输出工作频率，通过反相驱动驱动IGBT管，使系统振荡频率接近最佳谐振状态.

系统程序主要由主程序，SPWM序列生成程序和频率自动跟踪程序组成. 如图4所示，其主程序主要完成初始化，指针设置，设置中断控制字，正弦表查找表地址以及频率自动跟踪中断程序的进入. SP2WM序列生成程序主要完成正弦表查找表，脉冲宽度和计算以及正弦表地址的更新. 频率自动跟踪程序主要完成AD转换的开始，数字滤波和最佳频率搜索.

图4主程序框图

图5是实现塑料零件与塑料零件之间连接的塑料超声波焊接机的示例. 发生共振时，振动会从塑料工件的端部传递到另一端

在

最后，塑料部件接触表面上的塑料颗粒振动，产生大量的摩擦热，该摩擦热在短时间内迅速加热到塑料部件的熔点. 从而实现焊接[5].

4个结论

图5超声波焊接

（1）发电机使用8098 MCU HSO. O端口输出切换信号，可实现自动频率跟踪，跟踪精度高.

（2）采用8098单片机控制系统，性能好，运行可靠.

（3）研制的超声波发电机可广泛用于超声波塑料焊接设备中.

（4）焊接可在1秒内完成. 焊件质量好，连接强度高，外形美观.

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