一种超声波电箱

技术领域

本发明涉及超声波技术领域，尤其涉及一种超声波电箱。

背景技术

现有的超声波焊接机由超声波发生器、换能器、变幅杆、焊头组成，其中换能器、变幅杆、焊头的组合称为“振子”。在焊接过程中由于焊接负载和振子的温度、能量损耗、焊接面积、焊头加工磨损等原因，整个振子的阻抗特性会随着工作发生变化，从而导致振子的固有工作频率和工作频率区间发生改变。

如果发生器中的逆变器触发脉冲(全桥逆变电路)的频率不进行跟随变化，会导致振子工作失谐，降低工作效率，加剧换能器损耗，因此发生器必须有追频功能，即全桥且保证超声波发生器中的逆变器触发脉冲的频率处于振子的工作频率区间，如此必然需要有追频电路，包含多个芯片，而超声波焊接机的发生器、换能器、变压器及相关的电路都是装载超声波电箱内，在超声波焊接机运作的时候，超声波电箱内的元器件尤其是用于计算的的芯片会发出大量的热量，现有的超声波机箱都是通过散热风机进行散热，容易出现散热不良影响到电路正常运行。

发明内容

本发明的目的是提供一种超声波电箱，通过“E”形的散热架设计，将电路模块分成三块电路板，分别设置到散热架的不同位置，将发热源分开，配合散热风机，能够实现良好的散热效果，避免电路模块散热不及时影响电路正常运行的情况出现。

为了实现以上目的，本发明采用的技术方案为：一种超声波电箱，包括壳体和提手，所述的壳体内设置有由三块平板和一块竖板组成的“E”形的散热架，电路模块分为核心板、功率板和驱动板，核心板安装在散热架最上层的平板上方，功率板安装在散热架中层平板的下方，驱动板安装在散热架的竖板外侧，所述的散热架的最上层平板上方还设置有屏幕，散热架的竖板内侧安装有发生器，散热架的最下层平板上安装有变压器和换能器，核心板、功率板、驱动板、屏幕、发生器、变压器和换能器通过端子电性连通，所述的壳体的侧面为散热网，且壳体内还设置有散热风机。

设计“E”形的散热架，并将电路模块分成核心板、驱动板和功率板，分别设置到散热架的不同位置，如此即可将发热源分开，配合散热风机，能够实现良好的散热效果，避免电路模块散热不及时影响电路正常运行的情况出现。

优选的，所述的散热架为铝材，所述的散热网仅覆盖散热架上下平板及竖板内侧形成区域，所述的散热风机有两个，且设置在散热架相邻平板之间。

散热架选用铝材，可以具有良好的导热性能，并将分机设置到相邻的平板之间，如此可以形成两个散热气流通道，并且使散热往仅仅覆盖散热架上下平板及竖板内侧形成的区域，如此可以使气流不会经过驱动板和核心板，可以起到良好的防尘效果，同时又不影响散热。

优选的，所述的发生器、变压器和换能器均设置在可拆卸的盒体内，且盒体通过螺栓安装在散热架内。

发生器、变压器和换能器设置在可拆卸的盒体内，相比现有的胶粘的方式，方便拆卸，且稳定性更好。

优选的，电路模块包括驱动板上的全桥逆变电路和用于调整全桥逆变电路脉冲频率的四个驱动芯片，全桥逆变电路经过功率板上的隔直电容、电感、电容后连接变压器，变压器经过功率板上的匹配电感后驱动换能器，变压器与功率板上的变压器初级电流采样电路、变压器次级电路采样电路和变压器电压采样电路，变压器初级电流采样电路、变压器次级电路采样电路和变压器电压采样电路采样的电流和电压信息反馈到核心板上的主芯片MUC，主芯片根据反馈的电流和电压信息计算出追频信息，并通过核心板上的PWM驱动信号电路发出四个PWM信号用于控制四个驱动芯片。

通过变压器初级电流采样电路、变压器次级电路采样电路和变压器电压采样电路实时的采集变压器的初次级电流及电压信息，实时的反馈到MUC中，经过MUC的计算后实时的发出PWM驱动信号控制四个驱动芯片运作，调整全桥逆变电路中的逆变器触发脉冲的频率，保证逆变器触发脉冲的频率始终在工作区间内工作，不易坏振子，降低成本与风险。

优选的，电路模块还包括驱动板上的电源电路，电源电路包括输入的AC380V电压和AC220V电压，AC380V电压经过EMI电路滤波和整流桥整流后输出DC580V电压给全桥逆变电路供电；AC220V电压经过交变电路后输出直流电压24V和±DC6.5V，直流电压24V用于给四个驱动芯片供电，±DC6.5V用于给MUC供电；直流电压24V转变成±隔离电源后给四个驱动芯片供电，±DC6.5V经过变频电路后输出3V电压给MUC供电。

电源电路通入两种交流电，提供DC580V的电压给全桥逆变电路供电，同时提供24V的直流电压给驱动芯片供电，提供±DC6.5V给MUC供电，能同时满足多种电压要求的用电器供电。

优选的，变压器初级电流采样电路包括接入电路的电流互感器CT和并联在CT两个输出端的用于分流的电阻R1、电阻R3和电阻R5，电阻R1的阻值为33欧，电阻R3的阻值为390欧，电阻R5的阻值为1千欧，且电阻R1、电阻R3和电阻R5的误差均为1％。

变压器初级电流采样电路通过三个并联的电阻进行分流，如此可以使反馈的电流不会很大，与采样电路反馈电路及MUC匹配，变压器次级电流采样电路与变压器初级电流采样电路基本相同。

优选的，变压器电压采样电路包括与变压器两个输出端连通的采样接线，采样接线上串联有用于分压的电阻、并联有用于分流的电阻，分压的电阻包括串联的R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15和R16，阻值均为18千欧，误差均为1％，分流的电阻包括并联的电阻R17、R18和R19，R17的阻值为1500欧，R18的阻值为390欧，R19的阻值为33欧，且R17、R18和R19误差均为1％。

变压器电压采样电路通过了10个串联的电阻进行分压，能够使采样输出的电压小于3V，同时还通过了串联的电阻进行分流，如此可以使反馈的电流不会很大，与采样电路反馈电路及MUC匹配。

优选的，变压器初级电流采样电路、变压器次级电路采样电路和变压器电压采样电路采样的电流和电压信息经过核心板上的采样电路反馈电路后反馈到主芯片MUC，采样电路反馈电路由两个OPA2197IDR运算放大器构成，两个OPA2197IDR运算放大器之间设置有电容。

采样电路反馈电路的设计，通过两个OPA2197IDR运算放大器可以将电压和电流的波形进行放大，更加方便MUC的运算。

附图说明

图1为一种超声波电箱的立体示意图。

图2为去掉小部分壳体的一种超声波电箱立体示意图。

图3为去掉大部分壳体的一种超声波电箱立体示意图。

图4为去掉壳体的一种超声波电箱立体示意图。

图5为电路模块的示意图。

图6为接入采样电路后的换能器驱动电路的原理图。

图7为变压器初级电流采样电路的原理图。

图8为变压器电压采样电路的原理图。

图9为采样电路反馈电路的原理图。

图10为单个OPA2197IDR运算放大器的原理图。

图中所示文字标注表示为：21、壳体；22、提手；23、安装块；24、屏幕；25、散热网；26、散热风机；27、散热架；28、核心板；29、功率板；30、驱动板；31、发生器；32、变压器；33、换能器。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

实施例1

如图1-图4所示，本申请一种超声波电箱，包括壳体21和提手22，所述的壳体21内设置有由三块平板和一块竖板组成的“E”形的散热架27，电路模块分为核心板28、功率板29和驱动板30，核心板28安装在散热架27最上层的平板上方，功率板29安装在散热架27中层平板的下方，驱动板30安装在散热架27的竖板外侧，所述的散热架27的最上层平板上方还设置有屏幕24，散热架27的竖板内侧安装有发生器21，散热架27的最下层平板上安装有变压器32和换能器33，核心板28、功率板29、驱动板30、屏幕24、发生器21、变压器32和换能器33通过端子电性连通，所述的壳体21的侧面为散热网25，且壳体21内还设置有散热风机26，所述的散热架27为铝材，所述的散热网25仅覆盖散热架27上下平板及竖板内侧形成区域，所述的散热风机26有两个，且设置在散热架27相邻平板之间，所述的发生器31、变压器32和换能器33均设置在可拆卸的盒体内，且盒体通过螺栓安装在散热架27内。

本申请的超声波电箱的具体安装如下：先将散热架27安装到壳体21的底板上，然后将功率板29、驱动板30和核心板28安装到散热架27上，然后再将屏幕24、发生器21、变压器32和换能器33安装到散热架27上，并通过端子将各个电路板或电子元器件连通，之后再将其他壳体21进行安装，并使两个散热风机26处于散热架27相邻的水平板之间，之后再将其他的壳体21安装好，然后再通过手握提手22的方式将整个箱体提起，并通过壳体21外侧设置的安装块23安装到对应的地方，安装块23上开设有用于安装的螺栓孔；如此即可完成超声波电箱的安装，在具体使用时，使电箱接电，进而使电箱内的电路模块运作，驱动发生器31和换能器33工作，同时还能够通过屏幕接入工业通讯模块；在电路模块运作的同时，散热风机26会相应的启动，进而可以形成两个散热气道将三块电路板散发的热量排出。

实施例2

如图1-10所示一种超声波电箱，电路模块包括驱动板30上的全桥逆变电路和用于调整全桥逆变电路脉冲频率的四个驱动芯片，全桥逆变电路经过功率板29上的隔直电容、电感、电容后连接变压器，变压器经过功率板29上的匹配电感后驱动换能器，变压器与功率板29上的变压器初级电流采样电路、变压器次级电路采样电路和变压器电压采样电路，变压器初级电流采样电路、变压器次级电路采样电路和变压器电压采样电路采样的电流和电压信息反馈到核心板28上的主芯片MUC，主芯片根据反馈的电流和电压信息计算出追频信息，并通过核心板28上的PWM驱动信号电路发出四个PWM信号用于控制四个驱动芯片，电路模块还包括驱动板30上的电源电路，电源电路包括输入的AC380V电压和AC220V电压，AC380V电压经过EMI电路滤波和整流桥整流后输出DC580V电压给全桥逆变电路供电；AC220V电压经过交变电路后输出直流电压24V和±DC6.5V，直流电压24V用于给四个驱动芯片供电，±DC6.5V用于给MUC供电，直流电压24V转变成±隔离电源后给四个驱动芯片供电，±DC6.5V经过变频电路后输出3V电压给MUC供电，变压器初级电流采样电路包括接入电路的电流互感器CT和并联在CT两个输出端的用于分流的电阻R1、电阻R3和电阻R5，电阻R1的阻值为33欧，电阻R3的阻值为390欧，电阻R5的阻值为1千欧，且电阻R1、电阻R3和电阻R5的误差均为1％，变压器电压采样电路包括与变压器两个输出端连通的采样接线，采样接线上串联有用于分压的电阻、并联有用于分流的电阻，分压的电阻包括串联的R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15和R16，阻值均为18千欧，误差均为1％，分流的电阻包括并联的电阻R17、R18和R19，R17的阻值为1500欧，R18的阻值为390欧，R19的阻值为33欧，且R17、R18和R19误差均为1％，变压器初级电流采样电路、变压器次级电路采样电路和变压器电压采样电路采样的电流和电压信息经过核心板28上的采样电路反馈电路后反馈到主芯片MUC，采样电路反馈电路由两个OPA2197IDR运算放大器构成，两个OPA2197IDR运算放大器之间设置有电容。

结合电路模块的追频方法如下：电源电路输入的AC380V电压经过EMI电路滤波和整流桥整流后输出DC580V电压给全桥逆变电路供电，全桥逆变电路发出脉冲经过隔直电容、电感、电容、变压器、匹配电感后驱动换能器，这是发生器和换能器的正常运作，在运作的同时，其中电源电路输入的AC220V电压转换成24V直流电压后，形成四个隔离电源分别给四个驱动芯片供电，电源电路输入的AC220V还会转换成±DC6.5V，再经过变频电路后形成3V的电源给主芯片MUC供电；变压器初级电流采样电路、变压器次级电路采样电路和变压器电压采样电路采样的电流和电压信息，先经过两个OPA2197IDR运算放大器放大后再传输给主芯片MUC，每采集一个周期，都将其数据放到主芯片自带的外设-集成型控制律加速器协处理器(Control Law Accelerator，简称CLA)进行傅里叶变换，翻转复数的实部和虚部，再进行位反转，解压后进行快速傅里叶变换计算(FFT)，得到真正的傅里叶级数，在软件中还原采集到的波形，完成建相；其原理是傅里叶级数的性质，即任何周期函数都可以用正弦函数和余弦函数构成的无穷级数来表示，其中主芯片中封装了FFT的处理函数，供使用者直接调用；之后计算如下关键参数①幅值：幅值＝2*sqrt((周期中最大值^2)+(周期中最小值^2))，将初级电流、次级电流、次级电压三路信号的FFT计算结果放进去，即可分别得到对应信号的幅值。

②相位：atan2(周期中最大值,周期中最小值)*180/π。

③初次级电流相位差：初级电流相位-次级电流相位。

④次级电压电流相位差：次级电压相位-次级电流相位。

⑤初次级电流电压相位差：次级电压相位-初级电流相位。

⑥电压＝次级电压幅值*电压修正系数(1.493)。

⑦电流＝次级电流幅值*电流修正系数(0.019)。

⑧功率＝电压*电流*功率修正系数(1)*cos(次级电流电压相位差*π/180)

⑨阻抗＝电压/电流*阻抗修正系数(1)

⑩频率＝1/电流完成1个周期变换的时间

注意：上面的参数都是每采集1个周期，就立即进行计算，即采样，建相，计算是同步实时进行的。

获得上述关键参数后，即可进行追频，从反谐振点频率往下追，整个过程分为两段：

①阻抗≥目标阻抗*3时，追次级电流电压相位差＝0的频率：实时获得当前相位差和当前频率，相位差≠0，减频率；由振子特性决定，所以先追0相位，保证频率往下追，工作在谐振点和反谐振点的频率区间(即工作带宽)之内；通过阻抗分析仪获得负载时候的最低和最高阻抗，目标阻抗则是在最低和最高阻抗之间设置，至于具体要多少才能焊得好，是可以调节的，设置越高越接近反谐振点，越低越接近谐振点。

②次级电流电压相位差＝0或阻抗＜目标阻抗*3时，追目标阻抗频率。当前阻抗<目标阻抗时，加频率；当前阻抗＞目标阻抗时，减频率；直到焊接完成，始终保持当前阻抗在目标阻抗附近。

每次频率的变化值：设置pid系数，根据pid算法得出变化值；算法为在主芯片提供的封装函数，供使用者直接调用；

计算出需要追频的相位，之后通过PWM驱动信号电路发射四个PWM信号,PWM信号传输给四个驱动芯片，用于控制四个驱动芯片调整全桥逆变电路的脉冲发射相位，起到实时追频的效果，确保换能器的输入频率始终处于正常区间内。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。