[发明专利]自动跟踪换能器串联谐振频率的超声驱动电源

说明书

本发明涉及超声、电源技术领域，为提出具有双路电流采样、精确频率控制的驱动电源，以及换能器的串联谐振频率实时跟踪方法，从而实现自动跟踪换能器串联谐振频率的超声驱动电源，本发明，自动跟踪换能器串联谐振频率的超声驱动电源，包括下列四部分；第一部分是驱动电路；第二部分是采样匹配电路；第三部分是信号调理电路；第四部分是微控制模块，由微处理器构成。本发明主要应用于频控电源的设计制造场合。

技术领域

本发明涉及超声、电源技术领域，具体讲,涉及自动跟踪换能器串联谐振频率的超声驱动电源。

背景技术

功率超声在超声加工、超声铸造、超声焊接、超声清洗等领域都有着重要应用。超声换能器驱动电源是功率超声系统的重要组成部分，其关键技术是对换能器进行频率跟踪。典型的频率跟踪系统采用锁相的方式实现，然而由于以下原因，换能器的频率追踪问题一直没有良好的解决方案。

(1)压电超声换能器本身存在多个特征频率，有谐振频率、反谐振频率、串联谐振频率、并联谐振频率等，串联谐振频率是换能器的机械谐振频率，具有最大的功率输出，是最佳工作频率。由于谐振频率和串联谐振频率较近且容易追踪，因此许多研究者以谐振频率代替串联谐振频率进行驱动，但其并不是最佳工作频率，超声换能器大都有较高的品质因数，微量的频率误差便会大幅降低换能器输出功率。

(2)由于生产、加工以及材料的不确定性，不同换能器的谐振频率不同，并且温度、刚度、负载等因素也会引起压电换能器的频率特性改变，实时跟踪其串联谐振频率才能保证超声系统的工作性能。

(3)采用匹配网络对换能器进行调谐是一种常见的方法，以使换能器的谐振频率和串联谐振频率一致，匹配方式分为动态匹配和静态匹配，动态匹配有系统复杂、操作困难、自动化程度低等缺点，而静态匹配的参数由换能器参数计算而来，受动态电阻影响巨大，当负载变化较大时，静态匹配将失效。

(4)锁相的频率跟踪方法需要检测电压电流的相位，由于大功率信号干扰、传感器的误差、方波驱动信号中的高次谐波等因素，采样信号误差较大，为了提高采样信号的精度，往往加入低通或带通滤波电路，而在扫频过程中，采样信号频率变化高达几百到几千赫兹，中心频率固定的滤波器无法满足使用要求，进而影响频率跟踪精度。

发明内容

为克服现有技术的不足，针对压电式超声换能器的特点，本发明旨在提出具有双路电流采样、精确频率控制的驱动电源，以及换能器的串联谐振频率实时跟踪方法，从而实现自动跟踪换能器串联谐振频率的超声驱动电源。为此，本发明采用的技术方案是，自动跟踪换能器串联谐振频率的超声驱动电源，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，传至所述微处理的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，传至所述微处理器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；