負載分壓式大功率超聲波電源頻率跟蹤研究

林 偉，楊 潔，桑穩(wěn)姣，姜嘉賢，楊 杰，徐寅生

(1.武漢理工大學自動化學院，湖北 武漢 430070;2.武漢理工大學土木建筑與工程學院，湖北 武漢 430070;3.湖北瑜暉電子科技有限公司，湖北 襄陽 441003)

目前超聲波功率技術的應用日益廣泛，在通常條件下，換能器工作在負載劇烈變化的場合。即使在負載比較穩(wěn)定的情況下，壓電換能器(以及與它配合的變幅桿、工具頭)的參數(shù)也會因發(fā)熱、老化、磨損等原因而發(fā)生變化，使換能器的諧振頻率發(fā)生漂移，如果超聲波電源的工作頻率不隨之改變，換能器將工作于失諧狀態(tài)，效率明顯降低，甚至停振。大功率超聲波電源的頻率自動跟蹤在應用中十分重要，要求電源的輸出信號頻率能對在工作中漂移的換能器頻率進行跟蹤，使電源振蕩頻率隨著換能器諧振頻率的改變發(fā)生相應改變，從而保證換能器始終工作在諧振狀態(tài)[1－2]。

目前，頻率自動跟蹤大多采用電跟蹤，主要有阻抗電橋式、負載分壓式和鎖相式3種。鎖相式頻率自動跟蹤系統(tǒng)與前兩種跟蹤系統(tǒng)相比，具有較好的頻率自動跟蹤性能，但電路結(jié)構(gòu)較為復雜[3－4]。常規(guī)的負載分壓式由于選頻網(wǎng)絡參數(shù)為定值，在頻帶寬度范圍小的情況下跟蹤效果較好，但在頻率漂移大的場合，容易產(chǎn)生頻率跟蹤失控。筆者通過單片機取樣換能器的電流方式來實時調(diào)節(jié)選頻網(wǎng)絡中的數(shù)字電感值從而相移跟蹤漂移的換能器頻率，具有動態(tài)性能好、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、性價比高等優(yōu)點，可以較好應用在頻率漂移大的場合。

1 換能器頻率跟蹤的工作原理

自激式超聲波發(fā)生器把振蕩環(huán)節(jié)、功放電路、高頻變壓器及換能器集為一體，形成一個閉環(huán)回路。該發(fā)生器在滿足幅度平衡和相位平衡的條件下，組成一個有功率放大電路的自激式超聲波振蕩器，主要由驅(qū)動電路、功率放大電路、高頻變壓器、匹配電路、換能器和帶有選頻移相電路的反饋取樣調(diào)節(jié)單元電路等部分組成。大功率超聲波電源的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，其中反饋電路輸出功率反饋信號和頻率反饋信號[5]。

圖1 大功率超聲波電源的結(jié)構(gòu)框圖

負載分壓式跟蹤的原理是在通電的一瞬間產(chǎn)生一個電脈沖，通過功率放大電路和高頻變壓器后加到壓電換能器兩端，于是換能器受激后振動。壓電換能器兩端的振蕩信號，經(jīng)過電容分壓送到移相電路后，再送到功放電路上。當移相電路參數(shù)滿足相位自激條件時，系統(tǒng)自激于換能器的諧振頻率上。對于壓電換能器諧振頻率的微小變化，電路系統(tǒng)均能及時跟蹤。當壓電換能器工作在串聯(lián)諧振頻率點時，效率最高，系統(tǒng)工作最穩(wěn)定。而壓電換能器諧振頻率點會由于裝配原因和工作老化而改變，這樣會產(chǎn)生頻率漂移，頻率跟蹤信號可以控制超聲波電源，使超聲波電源的頻率在一定范圍內(nèi)跟蹤壓電換能器的諧振頻率點，讓系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)[6]。

根據(jù)壓電換能器的等效參數(shù)進行選頻網(wǎng)絡的設計，采用上串下并的選頻移相網(wǎng)絡。如圖2所示，R1和C1為換能器諧振點的等效參數(shù)，R2和C2為選頻移相的組成部分。U0為網(wǎng)絡輸入電壓，Uf為反饋電壓。通常視壓電換能器為一容性負載，如果視選頻移相網(wǎng)絡為一負載，則其呈現(xiàn)容性特性，自身不滿足自激振蕩的產(chǎn)生條件，因此采用阻抗匹配方法，在選頻移相網(wǎng)絡中串入電感，使選頻移相網(wǎng)絡的等效阻抗呈現(xiàn)阻性特性，使電路實現(xiàn)自激。選頻移相網(wǎng)絡串入電感的等效阻抗為[7]:

當虛部為零時，等效阻抗呈現(xiàn)阻性特性，可得電感的計算公式為:

圖2 選頻網(wǎng)絡電路等效結(jié)構(gòu)圖

當超聲波振動系統(tǒng)諧振時，選頻移相電路呈現(xiàn)阻性，電流達到最大值，即可以通過采樣換能器的電流，設置一個閾值，電流如果大于該閾值，可以認為處于諧振狀態(tài);如果低于該閾值，表明偏離諧振狀態(tài)，需要改變與之匹配的電感值，使超聲波發(fā)生器重新回到串聯(lián)諧振狀態(tài)?；谝陨显恚l率自動跟蹤系統(tǒng)以換能器電流為特征值，根據(jù)電流的大小及變化趨勢來調(diào)節(jié)選頻移相電路的數(shù)字電感值，從而達到相移跟蹤換能器的諧振頻率點[8]。

2 數(shù)字電感調(diào)節(jié)電路的設計

圖3為超聲波數(shù)字電感調(diào)節(jié)電路結(jié)構(gòu)框圖，主要在反饋取樣調(diào)節(jié)單元電路中起作用。該數(shù)字電感調(diào)節(jié)電路結(jié)構(gòu)包括單片機控制單元，以及與所述控制單元連接的輸入按鍵、顯示模塊等。當串聯(lián)諧振頻率為20 kHz左右時，為完成頻率跟蹤、實現(xiàn)動態(tài)匹配，通過單片機取樣換能器的電流來實時調(diào)節(jié)數(shù)字電感值，從而相移跟蹤漂移的換能器頻率，既易于操作，又能穩(wěn)定運行。

圖3 超聲波數(shù)字電感調(diào)節(jié)電路結(jié)構(gòu)框圖

圖4為數(shù)字電感原理圖，根據(jù)壓電換能器的自身特性參數(shù)和超聲波的工作頻率，基于式(2)可計算出移相網(wǎng)絡串入電感的值約為800 μH。根據(jù)需要計算串入的電感量大小，為了保證調(diào)節(jié)的精度，采用手動可調(diào)電感L0與單片機調(diào)節(jié)電感串聯(lián)相結(jié)合的方式，手動可調(diào)電感L0的最大值約為700 μH，而圖4中的數(shù)字電感由7個值分別為2 μH，4 μH，8 μH，16 μH，32 μH，64 μH，128 μH的小電感組成[9]，其中 L1=2 μH，L7=128 μH，調(diào)節(jié)范圍為0 ～254 μH，調(diào)節(jié)步進為2 μH。

圖4 數(shù)字電感原理圖

繼電器通過AVR單片機ATmega16的PD口控制，PD口輸出高電平時，開關斷開，小電感接入;PD口輸出低電平時，開關閉合，小電感從串聯(lián)中短路。PA0是AD采樣口，另外有3個按鍵，KEY1可以手動減少電感值，KEY3可以手動增加電感值，按下KEY2可以進入頻率自動跟蹤程序。具體思路如下:通過霍爾電流傳感器CS050B采樣換能器的電流，得到的交流電壓信號經(jīng)過TRMS/DC轉(zhuǎn)換器AD637后輸出直流電壓，再經(jīng)過電壓跟隨器，最后給單片機的模/數(shù)轉(zhuǎn)換口采樣。單片機根據(jù)采樣的電流值，通過控制程序來改變電感值，使超聲波發(fā)生器的頻率跟蹤換能器的串聯(lián)諧振頻率[10]。

圖5所示為數(shù)字電感自動跟蹤流程圖，采用試探法進行調(diào)整。圖5中Cur為無符號整型變量，代表采樣電流值;Eflag為無符號字符型變量，判斷諧振狀態(tài)標志位;Edir為無符號字符型變量，判斷方向標志位;Max代表閾值;Record為無符號整型變量，代表當前值。

圖5 數(shù)字電感自動跟蹤流程圖

3 實驗結(jié)果及結(jié)論

在實驗中，先手動調(diào)節(jié)電感值接近諧振點，為了獲得較大的動態(tài)調(diào)節(jié)范圍，單片機控制的數(shù)字電感初值盡可能取在可調(diào)電感中間值128 μH附近，液晶顯示模塊LCD1602顯示單片機控制的數(shù)字電感的電感值以及換能器電流值。這樣通過單片機來控制數(shù)字電感，使超聲波電源的頻率跟蹤換能器的頻率，換能器的諧振頻率為19.98 kHz，頻率跟蹤的變化范圍可達數(shù)百赫茲。

筆者利用單片機調(diào)節(jié)數(shù)字電感的方法，解決負載分壓式大功率超聲波電源的頻率跟蹤問題。該方法通過改變電感值實時跟蹤壓電換能器的串聯(lián)諧振頻率，保證大功率超聲波電源處于諧振工作狀態(tài)，在最大功率狀態(tài)下穩(wěn)定地工作。當工作中換能器頻率出現(xiàn)漂移，偏離諧振狀態(tài)時，改變電感值，可對頻率進行有效的跟蹤。實驗結(jié)果表明，這種頻率跟蹤方式具有較高的可靠性和良好的動態(tài)調(diào)節(jié)性能，可用于頻率漂移大的場合，在實踐中已被證明為一種簡單實用的頻率跟蹤方案。

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