[1]Ультразвуковой генератор с фазовой автоподстройкой
[2]Полезная модель относится к приборостроению, в частности, к ультразвуковой технике и может быть исгтолъзована дгог работы в составе ультразвуковых технологических установок различного назначения.
[3]Известен ультразвуковой (УЭ) генератор с автоматической подстройкой частоты, описанный в а. с. СССР№ 1447420 Устройство автоматической настройки ультразвуковых преобразователей по кл. В06В 1/06, 3. 22. 04.86, оп. 30.12.88.
[4]Известное устройство содержит последовательно соедагненные задающий генератор, ультразвуковой преобразователь, датчрпс акустической обратной связи, формирователь синхроимпульсов в виде детектора нуля, сдвиговый четырехразрядный регистр, I ключ и I пиковый детектор, амплитудный селектор, дифференциатор, триггер и интегратор, выходом соединенный со входом задающего генератора; при этом со вторым выходом сдвигового 4-х-разрядного регистра соединен вход II ключа, выход которого подключен ко входу II пикового детектора, вторые входы I и П пиковых детекторов соединены соответственно с III и IV выходами сдвигового регистра, а вторые входы I и II ключей соединены с выходом датчика акустической обратной связи, выход II пикового детектора подЕСлючен ко II входу амплитудного селектора.
[5]В известном устройстве использование акустического датчика, связанного с ультразвуковым преобразователем, усложняет схему УЗ генератора, а также оставляет нерешенными проблемы возбуждения
[8]генератора на побочных резонансах и необходимость согласования частотных характфистик датчика и ггреобразоватеня. Известен УЗ генератор с автоматической настройкой, описанный в а.с. СССР JNb 648284 Устройство длзт автоматической подстройки максимальной амплитуды колебаний пьезокерамического преобразователя вибродвигателя по ют. В06В t/06, з. 10.09.76, оп. 25.02. 79.
[9]Известное устройство содержит последовательно соединенные задающий генератор переменного напряжения, усилитель мощности, пьезокерамический преобразователь, концентратор, упруго сопряженный с ротором вибродвигателя, датчик механических колебаний, усилитель, пиковый формирователь, схему И-НЕ, четырехдиодный ключ, транзисторный усилитель и обмотку управления, причем выход усилителя мощности соединен одновременно со входом компаратора, входом подключенного к выходу четырехдиодного ключа, а выходом соединенного со вторым входом схемы И-НЕ, выход которой подключен к четырехдиодному ключу.
[10]Известный генератор использует для стабилизации напряжение преобразователя. Генератор такого типа стабилизрфует частоту, отслеживая максимальное или минимальное напряжение на нагрузке. Однако известно, что частота электрического резонанса преобразователя не совпадает с частотой его механического резонанса и для выполнения условия работы в режиме максимальной выходной мощности в цепь нагрузки генератора приходится вводить дополнительные силовью реактивные элементы, предназначенные для компенсации этого рассогласования, что усложняет схему. Кроме того, возможно возбуждение генератора на побочных резонансных частотах.
[11]Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является ультразвуковой генератор с фазовой автоиодстройкой частоты, отгсанньгй в з. РФ № 92006484 Ультразвуковой генератор по кл. В23К 20/10, В06В 1/00, з. 16.11. 92, он. 10.03.96. и выбранный в качестве прототипа.
[12]Известный ультразвуковой генератор содержит последовательно соединенные задающий генератор, уошитель мощности и ультразвуковой преобразователь (УЗП), а также звено фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), и последовательно соединенные амплитудный детектор и регулировочный элемент, а также датчик тока, подсоединенный к ультразвуковому преобразователю и пфвому входу звена ФАПЧ, второй вход которого подключен к выходу усилителя мощности и входу амплитудного детектора, а выход - к входу задающего генератора и выходу регулировочного элемента. В известном генераторе происходит изменение частоты задающетх генератора пропорционально напряжению на выходе усилителя мощности, компенсируя уход частоты при изменении мощности.
[13]Названный генератор предназначен для ультразвуковой сварки элементов интегральных микросхем в микроэлектронике и имеет небольшую мощность, поэтому небольшой уход частоты легко компенсируется; для более мощной нагрузки его использование затруднительно.
[14]Целью заявляемого технического решения является расширение эксплуатационных возможностей генератора за счет исключения вероятности частотных резонансов на побочных частотах. Поставленная цель достигается тем, что в ультразвуковом генераторе с фазовой автоподстройкой частоты, содержащем последовательно соединенные задающий генератор и усилитель мощности, связанный с ультразвуковым преобразователем, соединенным с выходом датчика
[15]тока, a также звено фазовой автоподстройки частоты, связанное с регулировочным элементом, а выходом соединенное со входам задающего генератора, СОГЛАСНО ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ, усилитель мощности связан с ультразвуковым преобразователем через последовательно соединенные согласующий трансформатор, фильтр верхних частот и датчик тока, звено фазовой автоггодстройки: частоты включает в себя последовательно соединенные регулировочный элемент и фазовый дегектор, при этом регулировочный элемент подключен к выходу ультразвукового преобразователя, выход фазового детектора - к входу задающего генератора, в цепи питания преобразователя включен переключатель для подключения нагрузки.
[16]При этом фазовый дегевггор может бьпъ вьшолнен из последовательно соединенных компаратора, триггера и интегрирующего звена.
[17]Включение между задающим генератором и ультразвуковым преобразователем цепочки из последовательно соединенных согласующего трансформатора, фильтра вьгсовсих частот и датчика тока позволяет подавить гармоники тока нагрузки; установка переключателя для подключения нагрузки в цепи питания ультразвзлкового преобразователя позволяег производить включениевьпслючение нагрузки без отключения генератора и цепи обратной связи по частоте. После фильтра напряжение и ток нагрузки имеют форму, близкого к синусоидальной сигналы напряжения с нагрузки и с датчика тока несут информацию о фазовом соотношении между напряжением и током нагрузки. Фазовый детектор преобразует разность фаз входных сигналов в величину постоянного напряжения, поступающего далее на вход задающего генератора и изменяющего его частоту при изменении условий работы.
[18]Заявляемый ультразвуковой генератор с фазовой автоподстройкой частоты обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от
[19]него такими существенными признаками как связь задающего генератора с УЗ преобразователем через цепочку из последовательно соединенных согласующего трансформатора, фильтра верхних частот и датчика тока, наличие переключателя: в цепи питания УЗП и выполнение звена фазовой коррекции из последовательно соединенных регулировочного элемента и фазового детектора, соединенных соответственно первый с выходом с УЗ преобразователя, а второй - со входом задающего генератора, обеспечиваюпщми в совокупности достижение заданного результата. Заявляемый генератор с ФАПЧ может найти широкое применение в ультразвуковой технике для работы в составе ультразвуковых: технологических установок различного назначения, поэтому он соответствует критерию промьппленная применимость.
[20]Заявляемая полезная модель иллюстрирутется чергежами, где представлены на:
[21]-фиг. Ь функциональная схема УЗ генератора с ФАПЧ;
[22]-фиг.2 - функциональная схема фазового детектора.
[23]Заявляемый ультразвуковой генфатор с фазовой автоподстройкой частоты содержит последовательно соединенные задающий генератор 1, усилитель мощности 2, согласующий трансформатор 3, фильтр 4 высокой частоты, датчик 5 тока, переключатель 6, ультразвуковой преобразователь 7, звено 8 фазовой автоподстройки частоты из последовательно соединенных регулировочного элемента 9 и фазового детектора 10. При этом регулировочный элемент 9 подключен к выходу ультразвукового преобразователя 7, а выход фазового детектора 10 - к входу задающего генфатора 1.
[24]Фазовый детектор 10 может быть выполнен, в частности, из последовательно соединенных компаратора Н, триггфа 12 и интегрирующего звена 13.
[25]Назначение и выполнение узлов и элементов схемы следующее.
[26]Задающий генератор 1 служит для формирования частоты управляющего напряжения и может быть выполнен, в частости, на микросхеме 1156ЕУ2.
[27]Усилитель 2 предназначен для усиления мщкости задающего генератора 1 и выполнен по известной полумостовой схеме на полевых транзисторах, работающих в ключевом режиме.
[28]Согласующий трансформатор 3 служит для согласования з илителя 2 мощности и фильтра 4 верхних частот.
[29]Фильтр 4 верхних частот служит для подавления высших гармоник тока нагрузки.
[30]Датчик 5 тоБса представляет собой резистор и несет информацию о фазовом соотнощении между напряжением и током нагрузки.
[31]Перключатель 6 служит для коммутации включения-выключения нагрузки.
[32]Ультразвуковой преобразователь 7 предназначен для создания ултразвуковых колебаний и представляет собой пьезоэлектрический преобразователь.
[33]Звено 8 ФАПЧ служит для фазовой автоподстройки частоты задающего генератора 1.
[34]Регулировочный элемент 9 являегся регулируемым звеном фазовой коррекции и представляет собой цепочку RC.
[35]Фазовый детектор 10 преобразует разность фаз входных сигналов в величину постоянного напряжения, подаваемого далее на управляющий вход задающего генератора L Он состоит из последовательно соединенных компаратора 11, триггера 12 и интегрирующего звена 13; компаратор 11 соединен с регулировочным элементом 8, а выход интегрирующего звена 13 подключен ко входу задающего генератора 1. Компаратор 11 может быть выполнен нв
[36]микросхеме 1401C A3, а триггер 12 - на микросхеме 561ТМ2. Полностью этот узел имеется в составе микросхемы 561ГГ1,
[37]Предваряя описание работы заявляемого генератора, стоит отметить следующее.
[38]Заявляемый ультразвуковой генератор и входящий в него узел ФАПЧ имеют ряд особенностей, отличающих их от устройств подобного назначения. Нормальный режим работы преобразователя обеспечивается на частоте, самой низшей из резонансных частот. Следствием высокой добротности и особенностей конструкции преобразователя является наличие большого количества 5фко выраженных резонансов, имеющих частоты, выше рабочей. Система с ФАПЧ способна остановиться на любой из них, оказавшейся в полосе частоты захвата. В процессе работы инструмента (нагрузки) происходит разогрев преобразователя и смещение резонансов в область низких частот. Даже если ограничить полосу захвата сверху частотой основного резонанса при нормальной температуре, с разогревом преобразователя в этой полосе, помимо основного, оказываются и вышестоящие резонансные частоты, работа на которых недопустима. Задача стабилизации на частоте основного резонанса решена следующим образом. Включение-вьпслючение инструмента (нагр5 кж) производится коммутацией цепи питания преобразователя без отключения генератора и цепи обратной связи по частоте. Входные цепи узла ФАПЧ выполнены таким образом, что при отключении нагрузки и пропадании сигнала с датчика тока токовый компаратор 11 формирует на выходе постоянный сигнал логического нуля. Сигнал с выхода усилителя 2 мощности, поступающий на второй вход узла ФАПЧ, продолжает формировать импульсы записи в триггер 12. В результате выходное напряжение ФАПЧ принимает минимальное значение, а частота генератора 1 устанавливается на нижней границе
[39]полосы захвата. При последующем включении нагрузки все резонансные частоты оказываются выше частоты генератора 1, а ближайшей из них - частота рабочего резонанса. Напряжение на выходе узла ФАПЧ начинает расти, а частота задающего генератора 5 еличивается до тех пор, пока не достигнет частоты рабочего резонанса.
[40]Под действием факторов внешней среды и нагрузвси ультразвуковой преобразователь изменяет свои резонансные характеристики, поэтому обеспечить устойчивую работу ультразвуковой ЗХггановки при фиксрфованной частоте генератора не удается, т. к. в этом случае с изменением резонансной частоты преобразователя изменяется мощность на выходе. Для обеспечения стабильной работы установки требуется система, автоматически подстраивающая частоту генератора к изменяющейся резонансной частоте преобразователя. Работа генератора основана на фазовой автоподстройке частоты задаюп 5его генератора по сигналу обратной связи, выделяемому из разности фаз тока и напряжения электроакустического преобразователя. Ультразвуковой генератор с ФАПЧ работает следующим образом.
[41]Выпрямленное и сглаженное сетевое напряжение от промышленной сети (220 в, 50 Гц) или специального источника питания (на чертеже не показан) поступает на задающий генератор 1, генерирующий напряжение, частота которого определяется величиной постоянного напряжения на его управляющем входе и может принимать значения в интервале {fmin, f max}. Зависимость частоты от управляющего напряжения - гладкая монотонно возрастающая функгщя. Ключи усилителя 2 мощности управляются от задающего генератора h Пьезоэлектрический преобразователь 7 подключен к выходу усилителя 2 через согласующий трансформатор 3, фильтр 4 верхних частот, подавляющий высшие гармоники тока нагрузки, датчик 5 тока и
[42]преключатель 6. После фильтра 4 напряжение и ток нагрз зки имеют форму, близкую к синусоидальной. Резистор 5, включенный последовательно с нагрузкой, выполняет роль датчика 5 тока сигнал напряжения с него и сигншг напряжения с нагрузки несут информацию о фазовом соотношении между напряжением и током нагрз ки. Эти српиалы поступают на вход фазового детектора 10, причем сигнал
[43]датчика 5 тока проходит через регулирочный элемент 8 - цепочку БЬсСк, вьптолняющей функцию регулируемого звена фазовой коррекции. Фазовый детектор 10 преобразует разность фаз входных сигналов в величину постоянного напряжения, подаваемого далее через интегрирующее звено 13 на управляющий вход задающего генератора 1. В момент перехода напряжения на входе U схемы через ноль (из отрицательного в положительное) компаратор И формирует на стробирующем С-входе триггера 12 положительный перепад напряжения. При этом в триггер 12 заносится логическое значение, присутствующее на его D-входе в этот момент и соответствующее по знаку сигналу на входе I схемы. Если ток отстает от напряжения по фазе, в триггер 12 заносится логический ноль, если ток опережает напряжение - то логическая единица. Запись в триггер 12 производится в каждом периоде входного сигнала; импульсный сигнал на выходе триггера 12 сглаживается интегрирующим звеном 13 и далее подается на управляющий вход задающего генератора 1.
[44]Коэффициент передачи в контуре регулирования определяется как произведение коэффициентов передачи входящих последовательных звеньев:
[46]К1 - крутизна характеристики задающего генератора 1 по управляющему входу:
[47]К1 дРзг / dUynp. ( Рзг, Uynp. - частота задающего генератора 1 я
[48]напряжение на его у1Гравл5пощем входе)г
[49]К2 - наклон фазовой характеристики нагрузки с фильтром вблизи
[50]частоты установившегося режима; разность фаз тока и напряжения
[52]К2 дф / дРзг; (ф - разность фаз тока и напряжения);
[53]КЗ - коэффициент передачи фазового детектора Ш с интегрирующим
[55]К3 {1 / (1 +р КиСи)} (dUynp. / дф)
[56]Устойчивость в контуре регулирования обеспечивается надлежащим
[57]выбором частоты среза интегрирующего звена КиСи.
[58]Выбор границы полосы захвата - рабочего диапазона задающего генератора по частоте - в общем случае определяется значениями частот смежных резонансов преобразователя 7. При этом учрпъюаются условия эксплуатации - изменения температуры, нагрузки, износ инструмента и элементов конструкции преобразователя 7. Схема отрабатывает все эти изменения, изменяя сигнал обратной связи и стабилизируя частоту задающего генератора 1.
[59]Б сравнении с прототипом заявляемый ультразвуковой генератор с ФАПЧ имеет более щирокие эксплз атационные возможности.
[60]Автор / - Кислов А.С.
