[发明专利]自动跟踪换能器串联谐振频率的超声驱动电源

权利要求书

1.一种自动跟踪换能器串联谐振频率的超声驱动电源，其特征是，包括下列四部分；

第一部分是驱动电路，包括PWM(Pulse Width Modulation)波发生单元和半桥逆变电路，PWM波发生单元由DDS((Direct Digital Synthesizer)芯片、集成PWM波控制芯片组成，PWM波发生单元产生控制信号，经半桥逆变电路放大，向换能器两端施加驱动电压；

第二部分是采样匹配电路，采用电容电感LC匹配网络进行匹配，以对换能器调谐和阻抗匹配，使用两个相同的电流传感器进行电流采样，其中一个电流传感器接在换能器所在支路，另一个电流传感器接匹配电感C所在支路，两个电流传感器采得信号接信号调理电路，相同的电流传感器用于保证两路电流采样相位延迟一致；

第三部分是信号调理电路，两路电流采样信号经过信号放大电路进行信号放大，再经过开关电容滤波电路滤除噪声和谐波分量，得到单一频率的两路电流信号，两路电流信号一路接峰值检测电路、一路接鉴相电路，峰值检测电路检测出两路电流的峰值，传至微处理器的AD(Analog to Digital Convert)端口进行检测；鉴相电路检测两路电流的相位角，输出包含相位角信息的相位脉冲，传至微处理器I/O口进行相位角检测，上述开关电容滤波电路由集成开关电容滤波芯片组成，构成两路完全相同的带通滤波电路，其中心频率由微处理器实时控制，其中心频率和驱动换能器的PWM波频率完全一致，保证了滤波后电流峰值增益一致；

第四部分是微控制模块，由微处理器、显示屏、用户按键组成；编程控制微处理器输出两路DA(Digital to Analog Convert)信号控制集成PWM波控制芯片振荡器震荡频率和占空比，微处理器通控制DDS芯片输出任意频率的方波，输出至集成PWM波控制芯片同步端，控制其输出PWM波的频率；微处理器控制DDS芯片输出频率方波信号控制开关电容滤波器中心频率，从而实现采样信号的跟踪滤波；微处理器利用内部AD检测两路电流峰值；微处理器利用脉冲捕捉和计数器检测相位方波中的相位角信息；微处理器内设程序控制模块，依据两路电流采样信号对换能器进行频率扫描与跟踪，获取换能器谐振频率，并调节PWM波控制信号的频率，使其接近换能器的串联谐振频率；

编程控制微处理器输出直流电压至PWM波控制集成芯片，使其振荡器频率为f₁，同时控制DDS芯片输出频率为f的脉冲方波至PWM波控制集成芯片的同步端，使其输出频率为f的PWM驱动方波，取f＝1.02f₁，驱动方波经半桥逆变电路，再经变压器变压后加到匹配电路和换能器两端，驱动换能器17工作；

换能器包括串联支路、并联支路，串联支路包括依次串接的动态电感L₁、动态电容C₁、动态电阻R₁，并联支路包括静态电容C₀；采样匹配电路中的LC网络包括串接的匹配电容C₂、匹配电感L₂；LC网络中的匹配电容C₂、并联支路分别与串联支路并连，I₁为串联支路电流，I₀为并联支路电流，I_L为换能器两端电流，I₂为流过C₂电流，I为流过换能器和C₂总电流，U为换能器两端电压，U₂为驱动电压；

电流传感器采集到两路电流信号，先经过放大电路进行放大、再经过滤波电路滤除噪声和谐波，得到两路电流经峰值检测电路得到的峰值I_L、I₂，I_L、I₂被微处理器采样得到，同时，经鉴相电路转化为包含相位差信息的方波，输送至微处理器的I/O管脚，微处理解调出方波的占空比，从而得到的相角θ，符号上方的点表示该量为带方向的矢量；

串联支路2的电流为：

当串联支路谐振时，串联支路为纯阻态，和同相，相角为0，即虚部为0，即：

编程控制微处理器调节驱动频率，在一定频率范围内按基于二分法的扫频算法进行扫频，当满足式：

扫频结束，以此时的频率为电源系统的工作频率，式中Δ为允许的误差。

2.如权利要求1所述的自动跟踪换能器串联谐振频率的超声驱动电源，其特征是，基于二分法的频率跟踪算法流程如下：

a)设定初始扫频范围为(f_d,f_u)，令k＝1；

b)控制驱动电路以驱动换能器；

c)采样电路采集两路电流，经信号调理电路后，被微处理接收，解调出I_L、I₂和θ；计算判别数M：

d)若Δ-MΔ，跳至步骤e；

否则，若MΔ，则令f_u＝f_k，k＝k+1，跳至步骤b)；

否则，令f_d＝f_k，k＝k+1，跳至步骤b)；

e)以此时的驱动频率f_k为工作频率，跳至步骤b)；

经过上述步骤，系统将快速的工作在换能器的串联谐振频率附近。