專利名稱：超聲波焊接機的控制系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于焊接技術領域，涉及一種焊接裝置，特別是一種 超聲波焊接機的控制系統。
背景技術：
超聲波電源給超聲換能器提供超聲頻交流電信號，其實現電
路又稱超聲波驅動電路。在20世紀，隨著電子技術的迅猛發展的 同時，超聲波逆變電源所用功率器件經歷了電子管，晶閘管、晶 體管和IGBT共4個階段。近年來在電路設計中使用了新型電路拓 撲結構和新型功率器件，超聲波電源的可靠性、負載適應性、產 品的一致性得到進一步提高，同時效率也大大提高，產品的體積 也隨時減少。
傳統的超聲波儀是采用振蕩器來產生超聲波的，并且采用電 子管作為功率器件。其缺點是體積龐大、笨重、熱損耗大，無功 功率大。20世紀80年代，改為雙極型大功率晶體管、開關工作 頻率常用20kHz。后來又采用絕緣柵雙極型功率晶體管(IGBT)， 工作電壓和工作電流定額(即單管容量)明顯地增大了。到20 世紀90年代，由于功率場效應管MOSFET的技術進步而被廣泛采 用，開關工作頻率達到100kHz。近十年來，超聲波電源采用高頻 開關交流電源技術，內部集成各種芯片或大規模集成電路實現對 帶寬頻率的動態控制，其發展趨勢必然是高效率，作為電源，效 率是重要指標之一。效率高，發熱損耗小，散熱容易，才容易做 到大功率超聲和強功率振動。
超聲波焊接過程中，由于焊接負載以及振動系統的溫度、剛 度、焊接面積、加工磨損等各種因素的變化，使得系統固有頻率發生漂移，如果發生器頻率不跟隨變化，勢必造成整個系統的失 調，這就要求超聲波發生器具有頻率自動跟蹤功能。傳統的超聲 波焊接機采用電子管振蕩器產生高頻信號，經功率放大后直接產 生功率超聲波，因而難以實現頻率跟蹤，不能適應焊接負載的變 化。為了更好地實現頻率跟蹤的快速性和準確性，人們在其方式 上進行了各種探索。常見超聲波焊接電源頻率自動跟蹤控制系統 有如下控制方式。
1、 電反饋的自激振蕩方式。由于其簡單便利，應用相當廣泛， 代表性的方法是采用差動變量橋電路對壓電換能器電學臂進行補 償，使電反饋信號取決于機器臂，達到頻率的自動跟蹤，同時電 路可進行改進滿足自激振蕩的相位條件，構建成l個自激振蕩回 路，使自激振蕩頻率隨機械諧振點同步變化，實現自動跟蹤。
2、 鎖相壓控振蕩方式。鎖相壓控振蕩方式這一頻率跟蹤方法 是取出電壓和電流的相差信號，并將其作為激勵振動系統諧振頻 率變化的控制信號，而實現的一個相位控制系統。
3、 電流動態反饋方式。在將超聲換能器等效為1個二端口網 絡的情況下，推導出諧振時輸出振幅與電流大小的關系，將換能 器電流有效值作為反饋量調節逆變頻率，實現超聲系統諧振控制 盒振幅恒定輸出控制。
實際上，上述的各種控制方法都存在其不足之處。比如，對 于自激振蕩方式，如果壓電換能器具有多種諧振模式，則這種方 法就不可靠；鎖相方式頻率自動跟蹤則要在驅動回路增加換能電 抗器補償元件；而對于動態反饋頻率跟蹤方式，頻率調整的方向 還很難把握，難以實現自動化控制。此外，在各種頻率跟蹤方式， 反饋信號都來自超聲換能器或振蕩控制信號，忽視了變幅桿和工 具頭等超聲設備對諧振的影響，沒有在工具頭處檢測出實際的頻 率輸出狀況(通常加入負載之后會明顯改變輸出頻率)，如中國專 利授權公告號為CN201147869Y名為"大功率超聲波金屬焊接機自適應信號源"。根據以上分析，目前大功率超聲波焊接加工控制的 實施方案都不理想，都存在缺陷。
發明內容
本發明的目的是針對現有的技術所存在的上述問題，而提供 一種在焊接的過程中實現頻率自動跟蹤的自適應控制雙環反饋控 制方式，從而實現焊接的輸出功率恒定且可調、效率高、諧波污 染小、工作性能穩定可靠、負載適應能力強的超聲波焊接機的控 制系統。
本發明的目的可通過下列技術方案來實現 一種超聲波焊接 機的控制系統，包括逆變器、超聲換能器以及中央處理器，所述 的逆變器分別與中央處理器和超聲換能器相連接，其特征在于， 所述的逆變器與超聲換能器之間連接有用于諧振時進行反饋實時 性控制的頻率跟蹤控制系統，所述的超聲換能器與中央處理器之 間連接有安裝在工具頭的用于檢測頻率信號的傳感器，上述的逆 變器將電壓、電流信號參數以及傳感器將工具頭處的頻率信號參 數均輸入到中央處理器中進行處理后并計算出控制量，在逆變器 與中央處理器之間還連接有用于根據控制量產生頻率脈沖信號的 脈沖發生器。
本超聲波焊接機的控制系統創造性地實現了雙環控制方式， 其中通過在超聲換能器與逆變器之間設置頻率跟蹤控制系統，超 聲換能器通過頻率跟蹤控制系統能夠發送反饋信號給逆變器，使 得兩者之間有一個頻率跟蹤閉環控制反饋環，形成諧振達到實時 性控制。另一個環是由逆變器、換能器、傳感器、中央處理器以 及脈沖發生器組成，并由工具頭上的傳感器檢測出頻率信號并反 饋至中央處理器上，再通過中央處理器控制振蕩頻率信號的脈沖 發生器輸出并驅動逆變器工作，以獲得理想的頻率輸出曲線。另
外本中央處理器使用了 MCU微控制器、DDS直接數字頻率合成器等現代技術，當三相交流電輸入后經整流濾波器將交流電變成直 流電再通過逆變器將直流電變為焊接用的交流電后并輸入到中央 處理器中，其中中央處理器對電壓、電流、換能器振幅、電壓信 號相位差等諸多參數進行在線測量、辨識，在線利用遞歸最小二 乘法進行參數識辯，同時修改控制參數，采用最小方差控制規律 或是極點配置控制規律，并通過自適應系統，根據檢測到的各個
參數計算出控制量并按照規定的程序來改變系統參數，用DDS輸 出標準的控制頻率來調節頻率，使脈沖發生器的頻率很好地跟蹤 系統的諧振頻率。
在上述的超聲波焊接機的控制系統中，所述的逆變器與超聲 換能器之間還連接有升壓變壓器。這里通過升壓變壓器將交流電 壓放大后變成焊接時用的大電壓。
本超聲波焊接機的逆變器與超聲換能器之間連接有升壓變壓 器，升壓變壓器將對從逆變器出來的交流電壓進行放大，能更好 地提供給超聲波焊接機焊接時使用。
在上述的超聲波焊接機的控制系統中，所述的逆變器與中央 處理器之間還連接有檢測放大器，升壓變壓器與逆變器均與檢測 放大器連接后輸入到中央處理器中。這里檢測放大器主要是用來 對電壓、電流信號進行檢測放大后并輸入到中央處理器中，方便 中央處理器進行處理計算。
本超聲波焊接機的升壓變壓器和逆變器經過檢測放大器將電 流、電壓信號放大后再輸入到中央處理器中，這樣中央處理器在 分析處理計算這些信號時比較方便，同時也能提高計算準確度， 使中央處理器控制振蕩頻率信號的脈沖發生器輸出并驅動逆變器 輸出更合適的頻率，使得超聲波焊接機在工作中更加穩定、高效、 高質量。
在上述的超聲波焊接機的控制系統中，所述的傳感器與中央 處理器之間還連接有濾波器。這里濾波器主要對工具頭處的傳感器檢測出的頻率信號進行濾波。
本超聲波焊接機在傳感器與中央處理器之間連接有濾波器， 傳感器檢測到的頻率信號中含有外界影響工具頭輸出頻率的雜 波，通過濾波器將這些雜波去除掉，這樣到達中央處理器的頻率 信號能更真實地反映出工具頭自身的實際輸出頻率。
在上述的超聲波焊接機的控制系統中，所述的逆變器的輸入 端處連接有整流濾波器。這里整流濾波器主要是對輸入的電壓電 流信號進行整流濾波。
本超聲波焊接機是以外界交流電源來提供本超聲波焊接機動 力的，外界交流電源中往往夾雜著很多種頻率的交流電，通過整 流濾波器將交流電整流成直流電，再通過逆變器將直流電變成單 一頻率的交流電以提供穩定的電源供超聲波焊接機使用，大大提 高超聲波焊接機工作的質量和穩定性。
在上述的超聲波焊接機的控制系統中，所述的脈沖發生器與 逆變器之間還連接有驅動電路。這里通過驅動電路能夠驅動逆變 器工作。
本超聲波焊接機中逆變器由驅動電路驅動工作。 與現有技術相比，本超聲波悍接機的的控制系統優點在于采 用雙環控制方式，用數字化控制方式代替模擬控制，實現了對帶 寬頻率的動態控制，可以消除溫度漂移等常規模擬調節器難以克 服的缺點，有利于參數整定和變參數調節，便于通過程序軟件的 改變，方便地調整控制方案和實現多種新型控制策略，同時可減 少元器件的數目、簡化硬件結構，從而提高系統的可靠性。另外
采用半橋逆變的拓撲結構，以IGBT功率器件為逆變元件，使工作 處于軟開關狀態，并采用移相功率控制算法所研制出的新型超聲 波塑焊電源，具有自動跟蹤負載諧振頻率，此外，還可以實現了 運行數據的自動儲存和故障自動診斷，有助于實現電力電子裝置 運行的智能化。本超聲波焊接機的的控制系統地輸出功率恒定且可調，效率高，諧波污染小，工作性能穩定可靠，負載適應能力 強，使用方便，具有很強的實用性，其應用的技術和產品代表著 今后超聲電源的發展方向。
圖1是本超聲波焊接機的的控制系統的原理方框圖。
具體實施例方式
以下是本發明的具體實施例并結合附圖，對本發明的技術方 案作進一步的描述，但本發明并不限于這些實施例。
如圖1所示，本超聲波焊接機的控制系統，包括逆變器、超 聲換能器以及中央處理器，逆變器與超聲換能器之間連接有升壓 變壓器和頻率跟蹤控制系統，逆變器輸出的電壓通過升壓變壓器 升壓后提供給超聲換能器使用，超聲換能器能實時通過頻率跟蹤 控制系統發送反饋信號給逆變器，超聲換能器與中央處理器之間 連接有安裝在工具頭上的用于檢測工具頭輸出頻率的傳感器，傳 感器與中央處理器之間連接有濾波器，逆變器與升壓變壓器均通 過檢測放大器與中央處理器相連，逆變器與中央處理器之間還連 接有脈沖發生器和驅動逆變器工作的驅動電路，逆變器還與整流 濾波器連接，整流濾波器與外界電源連接。
工作時，超聲換能器通過頻率跟蹤控制系統實時將超聲換能 器變化的固有頻率信號反饋給逆變器，通過檢測放大器將反饋給 逆變器的變化的固有頻率信號放大后輸入到中央處理器，并與從 逆變器輸出的頻率信號及工具頭上傳感器檢測到的經濾波器濾波 后反饋到中央處理器的頻率信號進行分析處理計算，中央處理器 對這些頻率信號進行在線測量、辨識，在線利用遞歸最小二乘法 進行參數識辯，同時修改控制參數，采用最小方差控制規律，并 通過自適應系統，根據檢測到的各個參數計算出控制量并按照規定的程序來改變系統參數，用DDS輸出標準的控制頻率來調節頻 率，使脈沖發生器的頻率很好地跟蹤系統的諧振頻率，從而保證 了超聲波焊接機穩定、高效、高質量的工作。
本實施例中采用的最小方差控制規律還可以采用極點配置控 制規律。
本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發明精神作舉例說 明。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例 做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離 本發明的精神或者超越所附權利要求書所定義的范圍。
權利要求
1.一種超聲波焊接機的控制系統，包括逆變器、超聲換能器以及中央處理器，所述的逆變器分別與中央處理器和超聲換能器相連接，其特征在于，所述的逆變器與超聲換能器之間連接有用于諧振時進行反饋實時性控制的頻率跟蹤控制系統，所述的超聲換能器與中央處理器之間連接有安裝在工具頭的用于檢測頻率信號的傳感器，上述的逆變器將電壓、電流信號參數以及傳感器將工具頭處的頻率信號參數均輸入到中央處理器中進行處理后并計算出控制量，在逆變器與中央處理器之間還連接有用于根據控制量產生頻率脈沖信號的脈沖發生器。
2. 根據權利要求1所述的一種超聲波焊接機的控制系統，其 特征在于，所述的逆變器與超聲換能器之間還連接有升壓變壓器。
3. 根據權利要求2所述的一種超聲波焊接機的控制系統，其 特征在于，所述的逆變器與中央處理器之間還連接有檢測放大器， 升壓變壓器與逆變器均與檢測放大器連接后輸入到中央處理器 中。
4. 根據權利要求1或2或3所述的一種超聲波焊接機的控制 系統，其特征在于，所述的傳感器與中央處理器之間還連接有濾 波器。
5. 根據權利要求1或2或3所述的一種超聲波焊接機的控制 系統，其特征在于，所述的逆變器的輸入端處連接有整流濾波器。
6. 根據權利要求1或2或3所述的一種超聲波焊接機的控制 系統，其特征在于，所述的脈沖發生器與逆變器之間還連接有驅 動電路。
全文摘要
本發明屬于焊接技術領域，涉及一種超聲波焊接機的控制系統。它解決了現有的超聲波焊接機工作穩定性差、效率低及工作質量不高等問題。本超聲波焊接機的控制系統，包括逆變器、超聲換能器以及中央處理器，逆變器分別與中央處理器和超聲換能器相連接，逆變器與超聲換能器之間連接有頻率跟蹤控制系統，超聲換能器與中央處理器之間連接有安裝在工具頭的用于檢測頻率信號的傳感器，逆變器將電壓、電流信號參數以及傳感器將工具頭處的頻率信號參數均輸入到中央處理器中進行處理后并計算出控制量，逆變器與中央處理器之間還連接有用于根據控制量產生頻率脈沖信號的脈沖發生器。本超聲波焊接機的控制系統具有結構簡單、穩定性好、工作效率質量高等優點。
文檔編號H02M7/42GK101574757SQ200910098289
公開日2009年11月11日 申請日期2009年5月1日 優先權日2009年5月1日
發明者陳家樂 申請人:臺州巨龍超聲設備有限公司;浙江巨龍自動化設備有限公司