超声波埋线器电源的设计与实现

发布时间：2017-10-31 12:05

  本文关键词：超声波埋线器电源的设计与实现

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【摘要】：随着中国人民银行对芯片卡取代磁条卡计划的部署,国内智能卡生产领域掀起了一波新的发展热潮。智能卡生产流程复杂,其中埋线(植入天线)是至关重要的一步,直接关系到智能卡的性能和质量,对埋线系统要求很高。埋线系统最核心的部分是输出焊接能量的超声部分。超声部分又分为超声波电源和振动子,其中超声波电源是超声部分的核心部件,关系到能量输出的效率和稳定性。超声波电源有数字式电源和模拟电源两种。模拟电源发展较早技术比较成熟,国内应用最多。但是模拟电源无法方便且实时调整输出功率,振动子匹配麻烦,不能实现大规模集成控制等缺点已经不能适应现代工业生产对埋线系统的要求。目前国内的数字式超声波电源稳定性还比不上模拟电源。本文对数字式功率超声电源在智能卡埋线领域的应用进行研究,以期实现数字式电源稳定性赶超模拟电源。在硬件电路设计方面本文主要阐述了匹配、反馈、主控三个电路模块。匹配电路部分首先阐述了静态匹配不能满足换能器谐振点实时飘移的特性,在此基础上提出了动态匹配,基于耦合震荡理论将匹配电路和换能器看做一个整体进行分析从而实现了对换能器谐振点的实时跟踪。反馈电路部分,阐述了电流和电压、电流相位差两个主要反馈参量的控制意义及其采集电路的设计。主控电路部分,首先说明了主控目的是控制输出PWM波的频率和占空比。然后通过对比单片机自带的PWM模块调整输出频率的精度不够,提出了引入了波形可编程芯片和脉宽调制芯片控制输出波形的频率和占空比的设计方案。在软件设计方面重点介绍了几个控制算法:搜频算法、跟频算法、恒流算法。搜频算法是电源启动的时候完成对换能器正、反谐振点的搜索,正谐振点作为电源初始输出频率,正、反谐振点将带入算法计算出恒流参考值。跟频算法是实时调整电源的输出频率与换能器谐振频率保持一致,跟频算法中最重要的是简单跟频算法和对换能器是否处于反谐振点的判定方法。恒流算法的核心是对传统PID的改进:在电源启动时为了快速提升电流,只用P调节,工作时为了避免微分控制单元在高频信号的干扰下引起震荡,只用PI调节。本文设计的超声设备在深圳源明杰科技有限公司投入生产,实现720小时稳定工作。对于更长时间的稳定性还有待时间考验。总体来讲,只要不断收集工业现场的使用反馈,不断对细节加以改进,实现稳定性赶超模拟电源指日可待。
【关键词】：埋线器 动态匹配 换能器 频率搜索与跟频
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN409;TN86
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 功率超声概述10-13
• 1.1.1 发展简介10
• 1.1.2 研究现状10-12
• 1.1.3 应用现状12-13
• 1.2 超声波埋线技术简介13-14
• 1.2.1 超声波埋线技术原理13-14
• 1.2.2 超声波埋线器设计要求14
• 1.3 本文的研究背景及意义14-15
• 1.4 论文组织结构15
• 1.5 本章小结15-16
• 第2章 超声波换能器16-26
• 2.1 超声波换能器的简介16-20
• 2.1.1 压电换能器的概念16-17
• 2.1.2 压电换能器的动态特性及其等效电路17-18
• 2.1.3 压电换能器的导纳和阻抗特性18-20
• 2.2 温度对压电换能器的影响20-23
• 2.2.1 换能器温度升高的原因20-21
• 2.2.2 温度对换能器静态电容的影响21-23
• 2.2.3 温度对换能器谐振频率的影响23
• 2.3 大功率下压电换能器特性变化23-25
• 2.3.1 换能器的非线性现象23-24
• 2.3.2 大功率与小信号下换能器的特性比较24-25
• 2.4 本章小结25-26
• 第3章 功率超声电源的硬件设计26-41
• 3.1 电源的组成26-27
• 3.2 电源电路的匹配部分27-31
• 3.2.1 压电换能器匹配的目的27
• 3.2.2 压电换能器静态匹配方法27-28
• 3.2.3 压电换能器动态匹配方法28-31
• 3.3 电源电路的反馈部分31-35
• 3.3.1 压电换能器的频率反馈31-33
• 3.3.2 压电换能器的电流反馈33-35
• 3.4 电源电路的主控部分35-40
• 3.4.1 信号发生电路35-38
• 3.4.2 人机交互电路38-40
• 3.5 本章小结40-41
• 第4章 功率超声电源的软件设计41-51
• 4.1 电源恒流算法的设计41-44
• 4.2 电源输出频率控制算法的设计44-48
• 4.2.1 搜频算法的设计44-46
• 4.2.2 谐振频率跟踪算法的设计46-48
• 4.3 外部通信协议的设计48-49
• 4.4 交互界面的设计49-50
• 4.5 本章小结50-51
• 第5章 超声波埋线器的测试与应用分析51-55
• 5.1 超声波电源测试分析51-53
• 5.1.1 交互界面功能测试51
• 5.1.2 电源启动时间测试51
• 5.1.3 振动子通配性测试51-52
• 5.1.4 水负载老化测试52
• 5.1.5 振动子发热测试52
• 5.1.6 负载急剧变化测试52-53
• 5.2 埋线系统说明53-54
• 5.3 埋线系统应用分析54
• 5.4 本章小结54-55
• 第6章 总结与展望55-57
• 6.1 总结55-56
• 6.2 展望56-57
• 致谢57-58
• 参考文献58-62
• 附录 作者在读期间发表的学术论文及参加的科研项目62

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