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CN100408248C - 自适应超声波换能器驱动电源 - Google Patents

自适应超声波换能器驱动电源 Download PDF

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CN100408248C CNB2005102006408A CN200510200640A CN100408248C CN 100408248 C CN100408248 C CN 100408248C CN B2005102006408 A CNB2005102006408 A CN B2005102006408A CN 200510200640 A CN200510200640 A CN 200510200640A CN 100408248 C CN100408248 C CN 100408248C
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Abstract

一种自适应超声波换能器驱动电源，包括一个基于DSP的处理器电路、一个多通道高速D/A转换器电路、一个多通道高速A/D转换器电路、一个数字和模拟兼容的锁相环电路、一个加法器电路、一个宽带压控振荡器电路、一个鉴相器电路、一个功率放大器电路、一个输出电流检测电路、一个微电流检测电路、一个输出电压检测电路和一个接口电路。它具有自适应伺服算法控制程序的能力，能够及时的跟踪监测换能器的工作状况，把反馈信息及时的处理，并补偿、修正超声波换能器的能量，能够无需修改硬件参数即可适配各种不同规格型号的引线键合用途的换能器，使超声波换能器的转换效率达到良好的状态，可广泛运用于自动引线键合设备中。

Description

自适应超声波换能器驱动电源
技术领域
本发明为一种超声波换能器驱动电源。
背景技术
在引线键合设备中，以超声压焊为最基本和普遍的方式。超声波的能量通过换能器转换为机械能量，即超声波能量施加于换能器的压电陶瓷晶片使之振动，并通过变幅杆传递到垂直安装在其顶端的劈刀上，使其尖端产生一定振幅的机械振动。这种机械能量促使其作用下的两种金属之间形成洁净界面并且相互扩散而焊接在一起。在引线键合设备中，用这种原理将金丝、铝丝或铜丝等金属引线与焊盘金属层键合在一起。
在上述过程中，除了换能器本身的品质因素外，超声波的能量通过换能器转换为机械能量的转换效率是决定焊接能否成功的关键技术，而超声波换能器的谐振频率的带宽是很窄的，而且带宽和谐振的峰值点也会因各种机械安装及负载的因素而发生一定范围的漂移，这些因素会直接的导致换能器能量转换效率的下降，而不能够完成焊接任务。
发明内容
本发明的目的是提供一种自适应超声波换能器驱动电源，解决超声波换能器驱动电源及时地跟踪监测换能器的工作状况、及时处理反馈信息，并补偿、修正超声波换能器的输出能量，使其具有自适应伺服算法控制程序能力的问题。
技术方案：
这种自适应超声波换能器驱动电源，与超声波换能器相连接，其特征在于它包括：
一个与超声波换能器连接的电压检测电路，检测超声波换能器输出的正弦波电压信号；
一个与超声波换能器连接的电流采样电路，采集超声波换能器输出的电流信号；
一个微电流检测电路，对其输入上述电流采样电路输出的正弦波信号；
一个A/D转换器电路，对其输入电流检测电路输出的直流电信号和电压检测电路输出的电压直流信号；
一个与接口电路连接的基于DSP的处理器电路；对其输入A/D转换器电路输出的数字化信号；
上述DSP处理器电路的输出端连接一个D/A转换器电路，对其输入上述DSP处理器电路输出的信号，并转换成模拟电信号；
一个加法器电路，对其输入D/A转换器电路输出的模拟电信号；
一个数字和模拟兼容的PLL锁相环电路，向加法器电路输出直流信号，
一个鉴相器电路，对其输入上述电流采样电路输出的电流信号，鉴相后对PLL锁相环电路输出方波电信号；
一个宽带压控振荡器电路，对其输入上述加法器电路输出的直流电信号；
一个功率放大器电路，对其输入上述压控振荡器电路输出的正弦波电信号，并向超声波换能器输出补偿修正信号。
上述D/A转换器电路是多通道高速D/A转换器电路。
上述A/D转换器电路是多通道高速A/D转换器电路。
上述接口电路是USB接口电路、普通串行通讯接口电路或以太网接口电路。
这种自适应超声波换能器驱动电源的应用方法，其特征在于：由DSP处理器电路通过电流检测电路及时的跟踪监测超声波换能器的工作状况，由A/D转换器电路，处理超声波换能器反馈的电流和电压信号，并由D/A转换器电路，经加法器、压控振荡器、功率放大器向超声波换能器输出补偿电信号，修正超声波换能器的能量，使它自适应伺服算法控制程序。
这种自适应超声波换能器驱动电源的应用方法，其特征在于：
上电后，由DSP处理器电路1初始化超声波驱动电源及超声波换能器的原始参数，定义相应的数据缓冲区；初始化数/模转换器电路2；并初始化数字程控波形发生器的参数及用于采集数据的模/数转换器电路3；
然后，进入自检程序，进行数字化扫描调谐；
首先，由DSP处理器电路1写入数据到D/A转换器电路2，D/A转换器电路2输出直流电压值，直流电压信号到加法器电路5和反馈信号进行运算放大，其结果输入到一个宽带压控振荡器电路6，压控振荡器电路6输出一定频率的方波，通过函数发生器电路进行波形变换输出正弦波，然后对正弦波信号进行调幅处理后直接输入到功率放大器电路8，对正弦波信号的电流和电压幅度放大后输入到超声波换能器负载，接着通过一个输出电流检测电路9、一个微电流检测电路10、一个输出电压检测电路11对加入负载的电压幅值和通过的电流进行检测，三个检测电路的输入正弦波信号进行全波整流和低通滤波器处理输出反映超声波换能器负载工作情况的直流电压信号，把此信号作为负载反馈信号输入加法器电路5，同时由多通道高速A/D转换器电路3对此信号及时的进行采集，由DSP处理器电路1根据计算结果进行下一个循环控制流程；
当扫描调谐过程结束后，对所有带宽范围内的采集数据进行综合处理评估，寻找换能器的最佳谐振频率范围，并在谐振频率附近较小范围内重复上述调谐流程进行精确微调，采集参数，确定出换能器的精确谐振频率，计算出相应的谐振参数，当参数值在允许范围内时自检程序结束，同时可通过高速串行通讯接口电路12把调谐的结果及时的传输到外部主控制器；
然后，与外部主控制器传送焊接参数，进入待命工作状态，当有焊接命令时解析命令并执行，按换能器负载谐振频率启动输出流程，通过对输出电流检测电路9、微电流检测电路10、输出电压检测电路11对加入负载的电压幅值和通过的电流进行检测，同时，通过一个鉴相器电路7对负载相位进行检测，A/D转换器电路3采集，进入锁相环PLL电路，自适应伺服算法控制程序达到数字锁相，焊接结束，重新进入待命工作状态。
本发明能够及时地跟踪监测换能器的工作状况，可以及时处理反馈信息，并补偿、修正超声波换能器的输出能量，自适应能力强。
本发明通过宽频高分辨率精密频率源对换能器进行频率扫描，使用由高速检相和高效频率反馈控制构成的锁相环(PLL)对电流/电压反馈信息进行处理，利用超声波换能器共振发生时电流相位穿越零线的特性，把驱动频率锁定在相位零点的附近从而保证换能器在各种状态下均处于准确的共振频率上。同时对电流/功率等指标进行监测调整以满足不同工作模式的需要。自适应超声波换能器驱动电源能够无需硬件修改即可适配各种不同规格型号的引线键合用途的换能器，使超声波换能器的转换效率达到良好的状态，可广泛运用于自动引线键合设备中。
附图说明
图1是本发明的电路原理框图。
具体实施方式
实施例参见图1，自适应超声波换能器驱动电源由一个基于DSP的处理器电路1、一个多通道高速D/A转换器电路2、一个多通道高速A/D转换器电路3、一个数字和模拟兼容的锁相环电路4、一个加法器电路5、一个宽带压控振荡器电路6、一个鉴相器电路7、一个功率放大器电路8、一个输出电流检测电路9、一个微电流检测电路10、一个输出电压检测电路11和一个高速串行通讯接口电路12等组成。
本发明的自适应超声波换能器驱动电源具有100kHz带宽(50kHz到150kHz)内的驱动能力，输出功率为5W。
本发明的工作流程为：
上电后，由DSP处理器电路1初始化超声波驱动电源及超声波换能器的原始参数，定义相应的数据缓冲区；初始化数/模转换器电路2；并初始化数字程控波形发生器的参数及用于采集数据的模/数转换器电路3。
然后，进入自检程序，在包含超声波换能器谐振频率的较大带宽范围内(50KHz-150KHz)进行数字化扫描调谐。
首先，由DSP处理器电路1写入数据到D/A转换器电路2，D/A转换器电路2输出直流电压值，直流电压信号到加法器电路5和反馈信号进行运算放大，其结果输入到一个宽带压控振荡器电路6，压控振荡器电路6输出一定频率的方波，通过函数发生器电路进行波形变换输出正弦波，然后对正弦波信号进行调幅处理后直接输入到功率放大器电路8，对正弦波信号的电流和电压幅度放大后输入到超声波换能器负载，接着通过一个输出电流检测电路9、一个微电流检测电路10、一个输出电压检测电路11对加入负载的电压幅值和通过的电流进行检测，三个检测电路的输入正弦波信号进行全波整流和低通滤波器处理输出反映超声波换能器负载工作情况的直流电压信号，把此信号作为负载反馈信号输入加法器电路5，同时由多通道高速A/D转换器电路3对此信号及时的进行采集，由DSP处理器电路1根据计算结果进行下一个循环控制流程。
当扫描调谐过程结束后，对所有带宽范围内(50KHz-150KHz)的采集数据进行综合处理评估，寻找换能器的最佳谐振频率范围，并在谐振频率附近较小范围内重复上述调谐流程进行精确微调，采集参数。确定出换能器的精确谐振频率，计算出相应的谐振参数，当参数值在允许范围内时自检程序结束。同时可通过高速串行通讯接口电路12把调谐的结果及时的传输到外部主控制器。
然后，与外部主控制器传送焊接参数，进入待命工作状态。当有焊接命令时解析命令并执行，按换能器负载谐振频率启动输出流程，通过对输出电流检测电路9、微电流检测电路10、输出电压检测电路11对加入负载的电压幅值和通过的电流进行检测，同时，通过一个鉴相器电路7对负载相位进行检测，A/D转换器电路3采集，进入锁相环电路(PLL)自适应伺服算法控制程序达到数字锁相。焊接结束，重新进入待命工作状态。

Claims (6)

1. 一种自适应超声波换能器驱动电源，与超声波换能器相连接，其特征在于它包括：
一个与超声波换能器连接的电压检测电路，检测超声波换能器输出的正弦波电压信号；
一个与超声波换能器连接的电流采样电路，采集超声波换能器输出的电流信号；
一个微电流检测电路，对其输入上述电流采样电路输出的正弦波信号；
一个A/D转换器电路，对其输入电流检测电路输出的直流电信号和电压检测电路输出的电压直流信号；
一个与接口电路连接的基于DSP的处理器电路；对其输入A/D转换器电路输出的数字化信号；
上述DSP处理器电路的输出端连接一个D/A转换器电路，对其输入上述DSP处理器电路输出的信号，并转换成模拟电信号；
一个加法器电路，对其输入D/A转换器电路输出的模拟电信号；
一个数字和模拟兼容的PLL锁相环电路，向加法器电路输出直流信号，
一个鉴相器电路，对其输入上述电流采样电路输出的电流信号，鉴相后对PLL锁相环电路输出方波电信号；
一个宽带压控振荡器电路，对其输入上述加法器电路输出的直流电信号；
一个功率放大器电路，对其输入上述压控振荡器电路输出的正弦波电信号，并向超声波换能器输出补偿修正信号。
2. 根据权利要求1所述的自适应超声波换能器驱动电源，其特征在于：
上述D/A转换器电路是多通道高速D/A转换器电路。
3. 根据权利要求1所述的自适应超声波换能器驱动电源，其特征在于：
上述A/D转换器电路是多通道高速A/D转换器电路。
4. 根据权利要求1所述的自适应超声波换能器驱动电源，其特征在于：上述接口电路是USB接口电路、普通串行通讯接口电路或以太网接口电路。
5. 根据权利要求1所述的自适应超声波换能器驱动电源的应用方法，其特征在于：由DSP处理器电路通过电流检测电路及时的跟踪监测超声波换能器的工作状况，由A/D转换器电路，处理超声波换能器反馈的电流和电压信号，并由D/A转换器电路，经加法器、压控振荡器、功率放大器向超声波换能器输出补偿电信号，修正超声波换能器的能量，使它自适应伺服算法控制程序。
6. 根据权利要求1所述的自适应超声波换能器驱动电源的应用方法，其特征在于：
上电后，由DSP处理器电路初始化超声波驱动电源及超声波换能器的原始参数，定义相应的数据缓冲区；初始化数/模转换器电路；并初始化数字程控波形发生器的参数及用于采集数据的模/数转换器电路；
然后，进入自检程序，进行数字化扫描调谐；
首先，由DSP处理器电路写入数据到D/A转换器电路，D/A转换器电路输出直流电压值，直流电压信号到加法器电路和反馈信号进行运算放大，其结果输入到一个宽带压控振荡器电路，压控振荡器电路输出一定频率的方波，通过函数发生器电路进行波形变换输出正弦波，然后对正弦波信号进行调幅处理后直接输入到功率放大器电路，对正弦波信号的电流和电压幅度放大后输入到超声波换能器负载，接着通过一个输出电流检测电路、一个微电流检测电路、一个输出电压检测电路对加入负载的电压幅值和通过的电流进行检测，三个检测电路的输入正弦波信号进行全波整流和低通滤波器处理输出反映超声波换能器负载工作情况的直流电压信号，把此信号作为负载反馈信号输入加法器电路，同时由多通道高速A/D转换器电路对此信号及时的进行采集，由DSP处理器电路1根据计算结果进行下一个循环控制流程；
当扫描调谐过程结束后，对所有带宽范围内的采集数据进行综合处理评估，寻找换能器的最佳谐振频率范围，并在谐振频率附近较小范围内重复上述调谐流程进行精确微调，采集参数，确定出换能器的精确谐振频率，计算出相应的谐振参数，当参数值在允许范围内时自检程序结束，同时可通过高速串行通讯接口电路把调谐的结果及时的传输到外部主控制器；
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