一种用于纤维材料超声波切割的电源

作为种新型的加工手段，超声波切割在树脂基复合材料切割领域独树帜，备受青睐。超声波电源作为超声波切割机的重要组成部分，必须解决3个主要关键技术是换能器电端匹配网络技术；是声学系统谐振频率自动跟踪技术；是功率自动调节技术。传统的超声波电源是采用振荡器来产生超声波的，其缺点是当更换负载换能器时，振荡电路必须重新设计，并且它工作在线性区，而非开关状态，因此损耗大。本文研制的超声波电源采用新代电力电子器件功率163丁，它工作在开关状态，损耗小。另外，当换用不同负载时，该电源可实现换能器的电端匹配自动跟踪负载谐振频率功率输出自动调节，无需重新设计电路，因此这种超声波电源具有很强的实用性。

1电路工作原理经过41电路去除高次谐波的干扰，然后经整流和滤波后形成直流电压；逆变桥将该直流电压转换为与换能器谐振频率致的正负交变的矩形波电压；高频功率变压器将该交变电压输入到匹配网络，通过匹配网络和换能器的谐振选频作用，换能器输出同相的正弦电压和正弦电流，并获得*大输出功率。当换能器谐振频率漂移时，通过电压电流采样电路和频率跟踪控制电路可实现谐振频率的自动跟踪。本电源利用从换能器检测出的电流信号，通过电流反馈电路和调节电路来控制移相脉冲的宽度，进而控制高频变压器副边电压的脉宽，使得换能器两端的电压幅值改变，保证该电源具有自动调节输出功率的功能。

2超声波电源的主回路超声波电源的主回路2，它主要包括EMI滤波电路整流与滤波电路逆变桥驱动电路高频功率变压器和匹配网络。

EMI电路的主要作用是滤除开关器件在开关过程中产生的高次谐波，以及防止电网中的高次谐波传到电路。电感乙和电容主要吸收共模态噪声，电容心主要吸收差模态噪声。电阻尺为提供放电回路。

整流与滤波电路的主要作用是为逆变器提供300，的直流电压。

因为本超声波电源的容量较大且频率较高，所以选用由108丁构成的全桥式逆变电路。另外，本电源采用认0关断缓冲电路来保护103防止168丁关断过程中出现过电压而损坏管子。

逆变器工作时，1081开关根据换能器的谐振频率进行切换。丁1丁4和丁2丁3分别组成两组开关，这两组开关轮流导通，在高频变压器的原边产生幅值为300，的正负交变的矩形波电压。

106！的驱动好坏直接关系到108丁的安全以及逆变器的工作性能。本电源选用富士公司生产的高速型驱动芯片841来驱动丁，电路3.幼841的管脚分别为1脚接108！的丑极；2脚为驱动模块的电源20连接端；3脚为驱动信号输出端，通过栅极电阻连接到103丁的栅极；4脚通过外接电容连接到驱动模块的电源，端，用以防止过流保护电路误动作；5脚为过流保护动作信号输出端，外接报警光耦合器521次侧极管的阴极；6脚为过流保护取样信号连接端，通过个快恢复极管反107接被驱动的1的集电极；7脚8脚不接；9脚为电源0连接端；10脚脚不接；14脚为841的输入驱动信号连接负端，接用户脉冲形成部分的输出端，875的8脚9脚13脚14脚；15脚为841的输入驱动信号连接正端，通过个1.5电阻接脉冲形成部分，875的十15，电源端。

本电源的高频功率变压器的变比是，其主要作用是电气隔离和磁耦合传递能量。根据本电源幻串联电感电路振频率发生漂移。因此，超声波电源实时跟踪换能器的谐振频率是至关重要的。

当换能器谐振时，其电压和电流的相位差为某固定值，如果控制换能器的电压和电流的相位差为这个固定值，那么就可实现谐振频率的自动跟踪。基于该思想，本电源采用了6的相位控制谐振频率自动跟踪系统，它主要由电压电流信号采样电路信号变换电路门鉴相电路低通滤波电路和1压控振荡电路组成。其工作原理是当换能器谐振频率发生漂移时，采样电路检测到电压电流波形，通过信号变换门电路鉴相低通滤波后变成直流电压，与给定相位电压进行比较，产生的误差信号使压控振荡器的频率改变，加到换能器后，反馈的相位差信号改变，如此反复，*终变到反馈相位差与给定相位的差值为零，系统再次稳定，换能器又工作在谐振频率上。

4功率输出自动调节51在超声波切割过程中，要求换能器的振幅恒定；同时切割不同纤维材料时，要求有不同的振幅输出。因此，超声波电源必须有功率输出控制系统。

其中移相脉冲产生电路选用了移相控制专用芯片，875.由于换能器的振幅与其电流呈正比，故本电源选取换能器的电流为控制参量，工作原理为通过电流反馈电路把从换能器检测到的正弦电流信号经整流低通滤波和缓冲放大后，变成与反馈电流信号呈正比的电压信号；该电压信号和功率给定电压信号起被送到调节器的输入端，经减法运算比例积分运算和比例放大后产生的移相控制电压信号直接加到3875的4脚，控制从芯片输出的驱动信号，丁，丁8与00010之3谐振频率自动跟踪系统超声换能器是否处于谐振状态是切割能否进行以及切割质量优劣的关键，然而在切割过程中，换能器的温度负载的变化均能使超声换能器的谐用R2KB系列MnZn铁氧体作为变压器的磁心材料，磁心形状选用，以87型结构形式。

作为超声波电源的负载，压电陶瓷片换能器在谐振频率点附近的等效电路4，其中为静态电容，为动态电容，为动态电感，尺；为动态电阻。及；1；和组成动态支路。当；和，处于谐振状态时，动态支路为纯阻，谐振频率为，换效率*大。但是，此时，由于影响，换能器呈容性，将产生部分无功分量，致使换能器有功功率相对减小。为此，需在超声波电源主功率系统和换能器之间建立合理的匹配网络。常的方法是串联电感进行匹配，5当1=尺1十277尺，2时，可使匹配网络和换能器组成的系统谐振于并等效为纯阻其中及泛2.由此可知，串联匹配电感可减小无功分量，减小系统的有功电阻，使之与功率转换电路的输出电阻相近，以达到*佳功率传输匹配。但是，由于本系统的换能器特点0.约为6，约为150，谐振频率为20出2决定了与之相匹配的电感乙1很小约为0.14.因此，实践中很难通过调节使换能器仍谐振于；上。另外，本电源功率转换电路的输出电阻约为50，而引入乙1后，匹配网络和换能器组成的系统的有功电阻；1约为150，不能实现*佳功率传输匹配。针对这两种情况，本电源采用了！型匹配网络15 6.合理地选择，和广使，义，=，+C，可使匹配网络和换能器组成的系统谐振于，并呈现为纯阻2=1+27CRil间的相位，调整波形的占空比7的移相脉冲产生电路工作波形，进而控制全桥逆变电路器的电流值和振，实现功率输出自动调节功能。

没有加载仆加载没有加载加载这说明加载时换能器的等效电阻增大，为了保持换能器的电流恒定，换能器两端的电压随之增大，实现了功率输出的自动调节。

5实验结果基于以上分析，设计了套实验装置，实验结果8和9.8是加载与未加载时换能器的电压电流波形。由此可看出换能器加载与未加载时的电压和电流相位差没有变化，它验证了该超声波电源具有谐振频率自动跟踪功能。9是未加载时换能器两端的电压，其幅值在300左右，9，3是加载后换能器两端的电压，其巾值在400以上，并且电流显的数值基本不变化。