專利名稱：高精度自適應超聲波換能器驅動電源的制作方法
技術領域：
本發(fā)明為一種超聲波換能器驅動電源。
背景技術：
在引線鍵合設備中，以超聲壓焊為最基本和普遍的方式。超聲波的能量通過換能器轉換為機械能量，即超聲波能量施加于換能器的壓電陶瓷晶片使之振動，并通過變幅桿傳遞到垂直安裝在其頂端的劈刀上，使其尖端產生一定振幅的機械振動。這種機械能量促使其作用下的兩種金屬之間形成潔凈界面并且相互擴散而焊接在一起。在引線鍵合設備中，用這種原理將金絲、鋁絲或銅絲等金屬引線與焊盤金屬層鍵合在一起。
在上述過程中，除了換能器本身的品質因素外，超聲波的能量通過換能器轉換為機械能量的轉換效率是決定焊接能否成功的關鍵技術，而超聲波換能器的諧振頻率的帶寬是很窄的，而且?guī)捄椭C振的峰值點也會因各種機械安裝及負載的因素而發(fā)生一定范圍的漂移，這些因素會直接的導致?lián)Q能器能量轉換效率的下降，而不能夠完成焊接任務。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種高精度自適應超聲波換能器驅動電源，解決超聲波換能器驅動電源及時地跟蹤監(jiān)測換能器的工作狀況、及時處理反饋信息，并補償、修正超聲波換能器的輸出能量，使其具有自適應伺服算法控制程序能力的問題。
本發(fā)明的技術方案這種高精度自適應超聲波換能器驅動電源，與超聲波換能器相連接，其特征在于它包括一個與超聲波換能器連接的電壓檢測電路，檢測超聲波換能器輸出的正弦波電壓信號；一個與超聲波換能器連接的電流采樣電路，采集超聲波換能器輸出的電流信號；一個微電流檢測電路，對其輸入上述電流采樣電路輸出的正弦波信號；一個A/D轉換器電路，對其輸入電流檢測電路輸出的直流電信號和電壓檢測電路輸出的電壓直流信號；一個與接口電路連接的基于DSP的處理器電路；對其輸入A/D轉換器電路輸出的數(shù)字化信號；
上述DSP處理器電路的輸出端連接一個D/A轉換器電路，對其輸入上述DSP處理器電路輸出的信號，并轉換成模擬電信號；一個加法器電路，對其輸入D/A轉換器電路輸出的模擬電信號；一個數(shù)字和模擬兼容的PLL鎖相環(huán)電路，向加法器電路輸出直流信號，一個鑒相器電路，對其輸入上述電流采樣電路輸出的電流信號，鑒相后對PLL鎖相環(huán)電路輸出方波電信號；一個寬帶壓控振蕩器電路，對其輸入上述加法器電路輸出的直流電信號；一個功率放大器電路，對其輸入上述壓控振蕩器電路輸出的正弦波電信號，并向超聲波換能器輸出補償修正信號。
上述D/A轉換器電路是多通道高速D/A轉換器電路。
上述A/D轉換器電路是多通道高速A/D轉換器電路。
上述接口電路是USB接口電路、普通串行通訊接口電路或以太網接口電路。
這種高精度自適應超聲波換能器驅動電源的應用方法，其特征在于由DSP處理器電路通過電流檢測電路及時的跟蹤監(jiān)測超聲波換能器的工作狀況，由A/D轉換器電路，處理超聲波換能器反饋的電流和電壓信號，并由D/A轉換器電路，經加法器、壓控振蕩器、功率放大器向超聲波換能器輸出補償電信號，修正超聲波換能器的能量，使它自適應伺服算法控制程序。
這種高精度自適應超聲波換能器驅動電源的應用方法，其特征在于上電后，由DSP處理器電路1初始化超聲波驅動電源及超聲波換能器的原始參數(shù)，定義相應的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；初始化數(shù)/模轉換器電路2；并初始化數(shù)字程控波形發(fā)生器的參數(shù)及用于采集數(shù)據(jù)的模/數(shù)轉換器電路3；然后，進入自檢程序，進行數(shù)字化掃描調諧；首先，由DSP處理器電路1寫入數(shù)據(jù)到D/A轉換器電路2，D/A轉換器電路2輸出直流電壓值，直流電壓信號到加法器電路5和反饋信號進行運算放大，其結果輸入到一個高精度寬帶壓控振蕩器電路6，壓控振蕩器電路6輸出一定頻率的方波，通過函數(shù)發(fā)生器電路進行波形變換輸出正弦波，然后對正弦波信號進行調幅處理后直接輸入到功率放大器電路8，對正弦波信號的電流和電壓幅度放大后輸入到超聲波換能器負載，接著通過一個輸出電流檢測電路9、一個微電流檢測電路10、一個輸出電壓檢測電路11對加入負載的電壓幅值和通過的電流進行檢測，三個檢測電路的輸入正弦波信號進行全波整流和低通濾波器處理輸出反映超聲波換能器負載工作情況的直流電壓信號，把此信號作為負載反饋信號輸入加法器電路5，同時由多通道高速A/D轉換器電路3對此信號及時的進行采集，由DSP處理器電路1根據(jù)計算結果進行下一個循環(huán)控制流程；當掃描調諧過程結束后，對所有帶寬范圍內的采集數(shù)據(jù)進行綜合處理評估，尋找換能器的最佳諧振頻率范圍，并在諧振頻率附近較小范圍內重復上述調諧流程進行精確微調，采集參數(shù)，確定出換能器的精確諧振頻率，計算出相應的諧振參數(shù)，當參數(shù)值在允許范圍內時自檢程序結束，同時可通過高速串行通訊接口電路12把調諧的結果及時的傳輸?shù)酵獠恐骺刂破?；然后，與外部主控制器傳送焊接參數(shù)，進入待命工作狀態(tài)，當有焊接命令時解析命令并執(zhí)行，按換能器負載諧振頻率啟動輸出流程，通過對輸出電流檢測電路9、微電流檢測電路10、輸出電壓檢測電路11對加入負載的電壓幅值和通過的電流進行檢測，同時，通過一個鑒相器電路7對負載相位進行檢測，A/D轉換器電路3采集，進入鎖相環(huán)PLL電路，自適應伺服算法控制程序達到數(shù)字鎖相，焊接結束，重新進入待命工作狀態(tài)。
本發(fā)明能夠及時地跟蹤監(jiān)測換能器的工作狀況，可以及時處理反饋信息，并補償、修正超聲波換能器的輸出能量，自適應能力強。
本發(fā)明通過寬頻高分辨率精密頻率源對換能器進行頻率掃描，使用由高速檢相和高效頻率反饋控制構成的鎖相環(huán)(PLL)對電流/電壓反饋信息進行處理，利用超聲波換能器共振發(fā)生時電流相位穿越零線的特性，把驅動頻率鎖定在相位零點的附近從而保證換能器在各種狀態(tài)下均處于準確的共振頻率上。同時對電流/功率等指標進行監(jiān)測調整以滿足不同工作模式的需要。高精度自適應超聲波換能器驅動電源能夠無需硬件修改即可適配各種不同規(guī)格型號的引線鍵合用途的換能器，使超聲波換能器的轉換效率達到良好的狀態(tài)，可廣泛運用于自動引線鍵合設備中。


圖1是本發(fā)明的電路原理框圖。
具體實施例方式
實施例參見圖1，高精度自適應超聲波換能器驅動電源由一個基于DSP的處理器電路1、一個多通道高速D/A轉換器電路2、一個多通道高速A/D轉換器電路3、一個數(shù)字和模擬兼容的鎖相環(huán)電路4、一個加法器電路5、一個高精度寬帶壓控振蕩器電路6、一個鑒相器電路7、一個功率放大器電路8、一個輸出電流檢測電路9、一個微電流檢測電路10、一個輸出電壓檢測電路11和一個高速串行通訊接口電路12等組成。
本發(fā)明的高精度自適應超聲波換能器驅動電源具有100kHz帶寬(50kHz到150kHz)內的驅動能力，輸出功率為5W。
本發(fā)明的工作流程為上電后，由DSP處理器電路1初始化超聲波驅動電源及超聲波換能器的原始參數(shù)，定義相應的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；初始化數(shù)/模轉換器電路2；并初始化數(shù)字程控波形發(fā)生器的參數(shù)及用于采集數(shù)據(jù)的模/數(shù)轉換器電路3。
然后，進入自檢程序，在包含超聲波換能器諧振頻率的較大帶寬范圍內(50KHz-150KHz)進行數(shù)字化掃描調諧。
首先，由DSP處理器電路1寫入數(shù)據(jù)到D/A轉換器電路2，D/A轉換器電路2輸出直流電壓值，直流電壓信號到加法器電路5和反饋信號進行運算放大，其結果輸入到一個高精度寬帶壓控振蕩器電路6，壓控振蕩器電路6輸出一定頻率的方波，通過函數(shù)發(fā)生器電路進行波形變換輸出正弦波，然后對正弦波信號進行調幅處理后直接輸入到功率放大器電路8，對正弦波信號的電流和電壓幅度放大后輸入到超聲波換能器負載，接著通過一個輸出電流檢測電路9、一個微電流檢測電路10、一個輸出電壓檢測電路11對加入負載的電壓幅值和通過的電流進行檢測，三個檢測電路的輸入正弦波信號進行全波整流和低通濾波器處理輸出反映超聲波換能器負載工作情況的直流電壓信號，把此信號作為負載反饋信號輸入加法器電路5，同時由多通道高速A/D轉換器電路3對此信號及時的進行采集，由DSP處理器電路1根據(jù)計算結果進行下一個循環(huán)控制流程。
當掃描調諧過程結束后，對所有帶寬范圍內(50KHz-150KHz)的采集數(shù)據(jù)進行綜合處理評估，尋找換能器的最佳諧振頻率范圍，并在諧振頻率附近較小范圍內重復上述調諧流程進行精確微調，采集參數(shù)。確定出換能器的精確諧振頻率，計算出相應的諧振參數(shù)，當參數(shù)值在允許范圍內時自檢程序結束。同時可通過高速串行通訊接口電路12把調諧的結果及時的傳輸?shù)酵獠恐骺刂破鳌?br> 然后，與外部主控制器傳送焊接參數(shù)，進入待命工作狀態(tài)。當有焊接命令時解析命令并執(zhí)行，按換能器負載諧振頻率啟動輸出流程，通過對輸出電流檢測電路9、微電流檢測電路10、輸出電壓檢測電路11對加入負載的電壓幅值和通過的電流進行檢測，同時，通過一個鑒相器電路7對負載相位進行檢測，A/D轉換器電路3采集，進入鎖相環(huán)電路(PLL)自適應伺服算法控制程序達到數(shù)字鎖相。焊接結束，重新進入待命工作狀態(tài)。
權利要求
1.一種高精度自適應超聲波換能器驅動電源，與超聲波換能器相連接，其特征在于它包括一個與超聲波換能器連接的電壓檢測電路，檢測超聲波換能器輸出的正弦波電壓信號；一個與超聲波換能器連接的電流采樣電路，采集超聲波換能器輸出的電流信號；一個微電流檢測電路，對其輸入上述電流采樣電路輸出的正弦波信號；一個A/D轉換器電路，對其輸入電流檢測電路輸出的直流電信號和電壓檢測電路輸出的電壓直流信號；一個與接口電路連接的基于DSP的處理器電路；對其輸入A/D轉換器電路輸出的數(shù)字化信號；上述DSP處理器電路的輸出端連接一個D/A轉換器電路，對其輸入上述DSP處理器電路輸出的信號，并轉換成模擬電信號；一個加法器電路，對其輸入D/A轉換器電路輸出的模擬電信號；一個數(shù)字和模擬兼容的PLL鎖相環(huán)電路，向加法器電路輸出直流信號，一個鑒相器電路，對其輸入上述電流采樣電路輸出的電流信號，鑒相后對PLL鎖相環(huán)電路輸出方波電信號；一個寬帶壓控振蕩器電路，對其輸入上述加法器電路輸出的直流電信號；一個功率放大器電路，對其輸入上述壓控振蕩器電路輸出的正弦波電信號，并向超聲波換能器輸出補償修正信號。
2.根據(jù)權利要求1所述的高精度自適應超聲波換能器驅動電源，其特征在于上述D/A轉換器電路是多通道高速D/A轉換器電路。
3.根據(jù)權利要求1所述的高精度自適應超聲波換能器驅動電源，其特征在于上述A/D轉換器電路是多通道高速A/D轉換器電路。
4.根據(jù)權利要求1所述的高精度自適應超聲波換能器驅動電源，其特征在于上述接口電路是USB接口電路、普通串行通訊接口電路或以太網接口電路。
5.根據(jù)權利要求1所述的高精度自適應超聲波換能器驅動電源的應用方法，其特征在于由DSP處理器電路通過電流檢測電路及時的跟蹤監(jiān)測超聲波換能器的工作狀況，由A/D轉換器電路，處理超聲波換能器反饋的電流和電壓信號，并由D/A轉換器電路，經加法器、壓控振蕩器、功率放大器向超聲波換能器輸出補償電信號，修正超聲波換能器的能量，使它自適應伺服算法控制程序。
6.根據(jù)權利要求1所述的高精度自適應超聲波換能器驅動電源的應用方法，其特征在于上電后，由DSP處理器電路初始化超聲波驅動電源及超聲波換能器的原始參數(shù)，定義相應的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；初始化數(shù)/模轉換器電路；并初始化數(shù)字程控波形發(fā)生器的參數(shù)及用于采集數(shù)據(jù)的模/數(shù)轉換器電路；然后，進入自檢程序，進行數(shù)字化掃描調諧；首先，由DSP處理器電路寫入數(shù)據(jù)到D/A轉換器電路，D/A轉換器電路輸出直流電壓值，直流電壓信號到加法器電路和反饋信號進行運算放大，其結果輸入到一個高精度寬帶壓控振蕩器電路，壓控振蕩器電路輸出一定頻率的方波，通過函數(shù)發(fā)生器電路進行波形變換輸出正弦波，然后對正弦波信號進行調幅處理后直接輸入到功率放大器電路8，對正弦波信號的電流和電壓幅度放大后輸入到超聲波換能器負載，接著通過一個輸出電流檢測電路、一個微電流檢測電路、一個輸出電壓檢測電路對加入負載的電壓幅值和通過的電流進行檢測，三個檢測電路的輸入正弦波信號進行全波整流和低通濾波器處理輸出反映超聲波換能器負載工作情況的直流電壓信號，把此信號作為負載反饋信號輸入加法器電路，同時由多通道高速A/D轉換器電路對此信號及時的進行采集，由DSP處理器電路1根據(jù)計算結果進行下一個循環(huán)控制流程；當掃描調諧過程結束后，對所有帶寬范圍內的采集數(shù)據(jù)進行綜合處理評估，尋找換能器的最佳諧振頻率范圍，并在諧振頻率附近較小范圍內重復上述調諧流程進行精確微調，采集參數(shù)，確定出換能器的精確諧振頻率，計算出相應的諧振參數(shù)，當參數(shù)值在允許范圍內時自檢程序結束，同時可通過高速串行通訊接口電路把調諧的結果及時的傳輸?shù)酵獠恐骺刂破鳎蝗缓?，與外部主控制器傳送焊接參數(shù)，進入待命工作狀態(tài)，當有焊接命令時解析命令并執(zhí)行，按換能器負載諧振頻率啟動輸出流程，通過對輸出電流檢測電路、微電流檢測電路、輸出電壓檢測電路對加入負載的電壓幅值和通過的電流進行檢測，同時，通過一個鑒相器電路對負載相位進行檢測，A/D轉換器電路采集，進入鎖相環(huán)PLL電路，自適應伺服算法控制程序達到數(shù)字鎖相，焊接結束，重新進入待命工作狀態(tài)。
全文摘要
一種高精度自適應超聲波換能器驅動電源，包括一個基于DSP的處理器電路、一個多通道高速D/A轉換器電路、一個多通道高速A/D轉換器電路、一個數(shù)字和模擬兼容的鎖相環(huán)電路、一個加法器電路、一個高精度寬帶壓控振蕩器電路、一個鑒相器電路、一個功率放大器電路、一個輸出電流檢測電路、一個微電流檢測電路、一個輸出電壓檢測電路和一個接口電路。它具有自適應伺服算法控制程序的能力，能夠及時的跟蹤監(jiān)測換能器的工作狀況，把反饋信息及時的處理，并補償、修正超聲波換能器的能量，能夠無需修改硬件參數(shù)即可適配各種不同規(guī)格型號的引線鍵合用途的換能器，使超聲波換能器的轉換效率達到良好的狀態(tài)，可廣泛運用于自動引線鍵合設備中。
文檔編號B06B1/06GK1768997SQ200510200640
公開日2006年5月10日 申請日期2005年10月24日 優(yōu)先權日2005年10月24日
發(fā)明者張琦, 姚愛民 申請人:中國電子科技集團公司第四十五研究所