超声波焊接机驱动电源设计

摘要：针对目前超声电源的需求越来越高，并且其具有诸多优点的前提下，本文对以往的超声电源进行改进、对电源硬件系统进行重新设计。为实现高频信号的逆变，采用高速MOSFET全桥替换原有IGBT半桥电路；采用高速处理芯片STM32F103作为主控、以DDS技术作为高频信号发生模块的超声波电源实现快速频率切换。同时改善反馈回路，优化驱动电路。现有超声电源普遍采用的变步长跟踪方法具有跟踪速度慢、跟踪精度低等问题。根据模糊控制理论，将模糊控制器作为步长的调节因子，提出了方向自适应变步长跟踪算法。该算法能够自适应加工工况，实现频率快速跟踪。完成超声电源系统的研制之后，对该电源系统进行仿真与测试，验证了该超声电源的各方面性能。关键词：超声波电源；STM32；模糊控制；频率跟踪0引言随着超声波技术的深入研究和日益增长的工业应用需求，超声波加工技术主要功能有超声焊接、超声清洗等。在技术不断更新与迭代下超声波焊接技术广泛应用于塑料焊接和金属焊接等方面，但目前超声电源技术已经无法满足高频输出快速动态响应等性能要求。如何改善这一现状，设计出一款高性能的超声波电源是一大难题。设计目标经调查分析，为解决实际问题，本文超声波焊接机驱动电源的主要设计目标是以下两点：一是硬件电路设计；二是频率自动跟踪。通过对各模块设计进行完善与更新，研制了一款具有频率自动跟踪的智能数字超声波驱动电源。整体方案设计本项目是将工频交流电转换为高频交流电，高频交流电驱动换能器产生高频振动，并将机械能传递给焊接模具，完成对金属、塑料制品的焊接工作。系统硬件结构框图如图1所示。系统主要由主控交互系统、STM32从控系统、驱动电路、逆变电路、电压电流采集电路、调谐匹配网络构成。STM32控制系统实现对外围电路的控制、采集系统运行参数、数据传输并在主控制模块融入Modbus通信协议，这是工业电子设备间常用的连接方式，具有易于传输，开发简单、可靠性较好的特点，以达到精确控制STM32协调系统运行的目的。从控系统产生四路互补可移相PWM通过驱动电路控制逆变电路工作。逆变电路产生高频波通过调谐匹配电路达到换能器工作谐振点，驱动换能器进行工作，同时采用达林顿管集成芯片ULN2803A对继电器进行控制从而驱动••继电器。图1系统整体设计框图频率自动跟踪的设计与实现超声波驱动电源由于在工作过程中负载、工况及换能器温度的变化，将导致换能器谐振频率的改变，因此需要在工作过程中进行谐振频率的跟踪来保证换能器始终工作在谐振状态。如图2为换能器阻抗角特性曲线，当工作频率大于并联谐振频率或小于串联谐振频率时换能器都呈容性，而工作频率在串联谐振频率与并联谐振频率之间时则呈感性。在跟踪的过程中通常采用相位标志位来判断调节频率的方向，若换能器呈容性频率增大，呈感性时频率减小。但如果在工作过程中由于工况或负载的改变，使当前工作频率处于下图C区域，此时不能继续增加频率，需要及时改变追频的方向。图2换能器阻抗角特性曲线为此本文设计了方向自适应变步长跟踪算法，设计流程如下图3所示：（1） 首先采集当前的相位差，并将当前相位差的绝对值与设定的阈值进行比较，如果大于设定的阈值，频率跟踪采用大步长，反之选择小步长。（2） 接着对相位差的正负进行判断，如果为正则减小频率，如果为负则进入方向标志判断。（3）利用方向标志、当前相位差主、上次相位差二J，实现自适应方向调节。结论♦现阶段成果1、 完成了设备所有硬件模块的设计与焊接，测试性能良好，可稳定完成焊接操作；2、 实现了软件部分的编写，调试并验证了各部分功能的可行性；3、 解决了频率跟踪过程中追频方向错误和追频过度的问题；4、达到了预期焊接的效果。♦总结本文基于STM32F103控制器设计了一款频率自动跟踪与振幅恒定控制的超声波驱动电源。对超声波驱动电源的设计进行了分析，通过最初的设计目标到确定整体方案，然后对硬件进行设计与调试，通过结合软件控制策略实现了频率自动跟踪，最后通过测试验证了方案的合理性。参考文献郑伟帅.基于STM32的频率自动跟踪与振幅恒定的超声电源的研制[D].大连理工大学,2018.向凤云.超声波换能器可调驱动电源的研究[D].重庆理工大学,2012.代尧.基于STM32的超声波换能器特性测量系统研究[D].湖北工业大学,2018.邓孝祥，葛飞.超声波电源匹配网络和频率跟踪系统的研究[J].通信电源技术，2019,36(11):8-11.D0I:10.19399/ki.tpt.2019.11.003.陈鹏，覃庆良,冯宇平.频率自动跟踪超声波电源设计[J].应用声学,2017,36(06):533-539.邓孝祥，王雅琳，陶旭.数字化超声波电源的设计与研究[J].中国新技术新产品，2021(17):9-12.D0I:10.13612/tp.2021.17.003.丁云晋.基于DSP的新型超声波电源研究[D].河南理工大学，2020.D0I:10.27116/ki.gjzgc.2020.000237.王杰.基于频率自动跟踪及功率调节技术的超声波电源设计[D].南京信息工程大学，2021.DOI:10.27248/ki.gnjqc.2021.000934.张景坤.具有快