超声波发生器频率跟踪电路的几个典型应用

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超声波跟踪电路鲍善惠王敏慧 , (陕西师范大学应用声学研究所,西安,7()2 1X ) 6

,前言 .

也会传至换能器;而清洗槽中液面高度的变化或被清洗

所超声波发生器是超声设备的重要组成部分,负着物件的变化是难以避免的 .有这些因素都会引起换能担

向超声换能器提供超声频电能的任务 .了使换能器高器谐振频率的漂移 .如不及时调整发生器的振荡频率,为重效率地工作 .不但要求发生器提供的电能有足够的功率,换能器的工作状态就会变化 .轻则效率下降 .则停止 用即人工 )方式调整频率不但效率低下 .而而且要求其频率与换能器的谐振频率一致 .常,换能振动 .手动 (通需要发生器具有自 器的谐振频率会由于发热,负载变化,化等原因发生且不适应自动化生产的要求 .因此,老改变 .对于超声波清洗设备来说,这种现象尤为显著 .动调节频率的性能,即通常称作自动频率跟踪或简称频 因为除了换能器自身的损耗引起发热外,清洗液的温度率跟踪 .

.

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圈2.率跟踪的原理频( )位方案 .方案也是同时采用电流信号 V和 3相此 .,不 . 简言之 .频率跟踪就是利用反馈技术,自动调节电压信号 V,过是通过鉴相得到两者的相位差信号 . 发生器的振荡频率 .其随着换能器谐振频率的变化而换能器工作于电流和电压同相的状态 .使改变,以保持换能器始终工作在某种设定状态下 .反馈

从上述可知 .不同的频率跟踪方案所设定的换能器

究竟采用哪一种方案,除了取决于的方式通常有声反馈和电反馈两种 .这两种反馈的原理工作状态是不同的 .实际问题的需要外,在一定程度上取决于设计者对换还图分别示于图 1a图 1 .声反馈是拾取换能器的机械 和 b 振动 .转变为电信号后送到发生器的输入端 .这种反馈能器工作状态的理解和把握 .的电路简单 .但需要在负载端进行机械连接 .比较费事 .有的情况下还无法实现,故使用较少 .目前主要应用在超声电机的频率跟踪上 .电反馈是对换能器的电下面介绍几种用于压电换能器的典型跟踪电路 .对流

和电压采样,再对采样信号进行一定处理 .然后送于磁致伸缩换能器 .电路会稍有不同,但原理都是适

回到发生器去控制振荡频率 .这种反馈完全借助电子元用的 . 器件实现 .制作方便 .而且方案灵活,实现的具体方式也非常多样 .因此应用较广 .超声清洗和超声加工设备基本上都是这种反馈 .本文也只讨论电反馈方式 .

( )动变量器桥式电路 1差 u这是电流方案的一个例子 .它利用串联谐振时换能

器的串联支路电流最大的特点,将换能器的工作点设定在串联谐振频率 f上 .此电路的原理示于图 2 .图中的

虚线框内是压电换能器 (D)的等效电路,c,c L T .和 R分别为静态电容,态电容, .动 _动态电感和动态电阻 .C,.

能器

L和 R· .,所在的支路即串联支路 .T为电流变量器 . F

C为补偿电容 .T D,C和 1的两个初级线圈 w, 1=,w.构成电桥的四个臂 .发生器的输出信号 V加在电桥的一 图 1声反馈框图 8

条对角线上 .果调节 C和 W W,下式满足:C:如,使 W=

C: .则流经 C的电流 I C的电流 l T . W和 n在 F中产

生的磁通大小相等而方向相反 .两者恰好抵消 .只有流能器

经串联支路的电流 I,才会在次级线圈 w中激发感应电

流 .并反馈回发生器的输入端 . V的频率 f于串联当 等谐振频率 f时 .串联支路谐振 .I ,最大 .此时反馈信号

最强且与 v同相位 .因此振荡条件满足 .产生此频率 n的振荡信号 .如果 f变为:反馈信号的相位将随之 而变 .结果振荡频率也变为 f .从而达到频率跟踪的

3.率跟踪的方案频从换能器的电端可以对其两端的电压和流过的电流分别采样 .采样信号中既含有电压和电流的幅度信息 . 也含有相位信息 .用这些信息 .可以构成多种频率跟利踪方案 .为换能器设定不同的工作状态 .常用的方案有: ( )电流方案 .这种方案采用电流信号 V.换能 1 .将

目的 .

() 2电流搜索式电 2】 如图 3i示 . f-这种电路用单片机搜索工作电流的最~大值 .最终将换能器的工作点设定电流最大处 .其依据

器设定在电流最大的工作状态 . ( )率方案 .种方案同时采用电流信号 V和电 2功这 .

压信号V .将两者相乘得到换能器的电功率信号V.换 v p能器被设定在电功率最大的工作状态 .匦互豳 _ _ _ _图 2差动变量器桥式电路

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圈

毯

是谐振

状态下换能器阻抗最小,回路电流最大 .果换如能器的谐振频率发生漂移 .电流将因系统失谐而减小 . 因此搜索到电流的最大值便可使换能器处于最佳工作状

态 .工作时,单片机发出指令 .以一定的步长△f变改发生器的振荡频率 .同时检测电流的变化 .频率改变如后电流增大,则继续按照此方向改变频率如果频率改图 5单片机搜索最大功率原理图

变后电流减小,单片机会使频率朝相反方向改变 .直到最大电流值出现 .这个电路实际上检测的是功放级的直频率即可 .由图 4见 .此电路的关键在于对 V的采可 .流电流 .也可以检测流过换能器的超声频电流【 3 1 .样处理 .工作时 .需要将前一时刻的 V保持下来 .用 .

于和后一时刻的 V作比较 .比较的结果以误差电压的 .形式送给压控振荡器 ( C,调整其振荡频率 .最后 . V O)频率会在功率最大点附近来回摆动 . 如果用软件取代图4中的硬件,可以改成单片机编

程搜索 .图 5是其方框图 3电流搜索式电路

.其原理与电流搜索相似 .

因此不再重复 .

( )相环 (L ) 4锁 PL跟踪电路{. 1() 3功率搜索式电路 这种电路从电压采样 V,电流采样 V检测出它们,和 .这个电路用电压采样 V和电流采样 V相乘得到功的相位差△ .再将△转变成误差信号去控~ V O的 ,C J

率信号 V .再用 V控制振荡频率 .使换能器工作在功振荡频率,最终使换能器保持在△=的工作状态上 . O率最大的状态,其原理图示于图 4 .图 6 PL踪电路的原理图 .它的跟踪原理可简述如是 L跟下:在调好匹配之后,换能器 T D与匹配电感 L成的组

系统在谐振频率上呈纯阻性 .换能器两端电压 V流经和其电流 I同相 .一旦频率发生漂移 .系统会出现电抗成

分,V和 I间即有了相位差 .调节频率可以使 V和 I之恢复同相,让系统重新回到纯阻状态 .图 4功率搜索式电路

图 6中的虚线框里是 P L电路,它由鉴相器 (D) L P . 低通滤波器 ( F) VCO组成 .集成的 P L电路 ( L和 L如

此电路的设计依据是换能器谐振时输出的声功率最 C 4 4 ) D 0 6中一般含有 P D和 V O.只有 L需要外接 .工 C F

大 .失谐时声功率会减小 .若换能器的电声效率为一常作时.将整形后采样信号 V和 V送A P,两者的相位 . E )数 .则其吸收的电功率与输出的声功率成 . L .需搜差△被检出 .并经过滤波成为直

流电压,用作 V O T-只 L t _ C索出换能器电功率的最大点 .将工作频率设定为该点的的控制信号 .设开始时 V O的输入电压为 V,振荡频 C

能器

图 6 P L跟踪电路方框图 L

九

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挚

率恰好等于换能器的谐振频率 f此时 V与 I 同相 .当 将推动大功率超声设备的应用和发展 . 换能器的谐振频率由于某种原因变成 f时,V和 I间 ,之产生相位差 A,A形成的误差电压返回NV O,使 C其输入电E Rv变为V .振荡频率则相应地变为f于 是系统又回到了 V和 I同相的状态 . 如在 V O之后加一个分频电路 .使发生器的工作 C

参考文献【】镜澄 .差动变量器桥式自动频率跟踪电路 . 1长弓应用声学 .1 8 .7 ( ) 8 9 4 .-

【】惠娟,张广玉,董玮等 .压电超声换能器电 2董

频率远低于 V O的振荡频率,则可防止因频率频繁改端匹配下的电流反馈式频率跟踪 .哈尔滨工业大学学 C变而产生的抖动 .报 .2∞0.3 ( ) 23 .

【]l通 . 3~殿 J于思远 .刘金华等 .控超声加工电源的程

5结语 .由于频率跟踪技术在超声设备中的重要性 .对它的

频率跟踪和恒幅控制 .电加工与模具, 0 0 2 .,2 0 ( )

【】涛 .超声波发生器电源技术的发展 ( ) 4徐中 .洗

03 7 . 研究探讨一直在进行当中 .新颖的设想和技术不断出 净技术 .2 0 ( )【】 5王东坡 .立兴 .国余等 .改善焊接接头疲劳强霍蔡现 .除了现已比较流行的单片机技术外 .还有如: 0 0 2 ( )粗精频率跟踪相结合的方式 .即粗跟踪由软件实度的超声冲击装置 .焊接学报,20 . 1 2 .【鲍善惠 .用锁相环电路跟踪压电换能器的并联谐 6】现 .采用变频搜索法,精跟踪由硬件实现 .采用锁相振频率区 .应用声学 .20 .2 ( ) 01 0 3. 环电路实现【. 模糊控制 .这种控制方式不要求掌握被控对象的精

【】向国 .傅水根 .王先逵 .旋转超声/ T机床 7戴] I]

03 44 .确数学模型 .而是根据人工控制规则组织控制决策 .它的研究 .中国机械工程 .2 0,1 ( )【曹群 . 8】周兆英 .罗晓宁等 .基于自寻最优模糊控制能对复杂系统进行较好的控制【. 8 1 0 3 21 . 动态跟踪 .即频率漂移时 .在调节频率的同时 .调的自动频率跟踪 .应用声学 .2 0 .2 ( )【】 9李旭 .刘震 .超声加工中振幅衰减的原因分析 . 节匹配电感值【 9 1 . 01 1. 9 这些尝试,都有益于频率跟踪技术的不断完善,并中国民航

学院学报 2 0,1 ( )

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