[发明专利]一种大功率压电换能器建模匹配方法

说明书

本发明公开了一种大功率压电换能器建模匹配方法，该方法包括：通过梅森公式对压电换能器电路的阻抗进行分析，得到分析值；选取匹配拓扑方式，并结合分析值确定压电换能器振子的工作状态；通过超声波电源输出电信号并输入至压电换能器，得到输入值；选取拟合算法，对输入值进行拟合计算，得到拟合值；基于压电换能器振子的工作状态并结合拟合值，构建压电换能器数学模型；基于压电换能器数学模型优化匹配拓扑参数。本发明通过构建压电换能器数学模型，能够实现大功率非线性换能器的非线性进行精确描述，代替小信号下的阻抗特性，可用于精确优化匹配参数。本发明作为一种大功率压电换能器建模匹配方法，可广泛应用于超声加工技术领域。

技术领域

本发明涉及超声加工(如切割、焊接、清洗等)领域，尤其涉及一种大功率压电换能器建模匹配方法。

背景技术

超声换能器是超声波发生系统的核心组成部分，是将驱动信号的能量转化为机械能的转换器，为了提高换能器的功率输出效率，一般需要在超声驱动电源和换能器之间进行匹配，其中包括调谐匹配和阻抗匹配。在大功率工作状态下，压电陶瓷进入非线性工作区域，其非线性特性与换能器的材料、结构、工艺、温度、驱动电源、负载等多种因素有关，加之换能器各零部件之间的接触损耗，导致匹配拓扑的精度与效率难以进一步优化。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种大功率压电换能器建模匹配方法，基于模型提出了匹配参数优化方法，能够在不降低匹配拓扑精度的情况下提高模型的输出效率。

本发明所采用的技术方案是：一种大功率压电换能器建模匹配方法，包括以下步骤：

通过梅森公式对压电换能器电路的阻抗进行分析，得到分析值；

选取匹配拓扑方式，并结合分析值确定压电换能器振子的工作状态；

通过超声波电源输出电信号并输入至压电换能器，得到输入值；

选取拟合算法，对输入值进行拟合计算，得到拟合值；

基于压电换能器振子的工作状态，根据拟合值构建压电换能器数学模型；

基于压电换能器数学模型优化匹配拓扑参数。

进一步，所述通过梅森公式对压电换能器电路的阻抗进行分析，得到分析值这一步骤，其具体包括：

通过梅森公式对压电换能器电路的真实电参数和等效机械参数进行计算，得到压电换能器振子的等效阻抗值；

基于在不同特征频率下对压电换能器振子的等效阻抗值进行分析，得到分析值。

进一步，所述选取对应的匹配拓扑方式并结合分析值，确定压电换能器振子的工作状态这一步骤，其具体包括：

所述匹配拓扑方式包括单电感匹配、电感电容L型匹配、电感电容T型匹配和电感电容π型匹配；

选取对应的匹配拓扑方式并结合分析值，确定压电换能器振子的工作状态。

进一步，所述通过超声波电源输出电信号并输入至压电换能器，得到输入值这一步骤，其具体包括：

超声波电源输出电信号，并将电信号输入至压电换能器；

所述电信号包括匹配拓扑输入电压、匹配输出电压和换能器输入电流；

基于奈奎斯特采样定理，确定超声振动系统电信号的采样频率，对电信号进行采样，得到采样值；

基于采样值进行数学运算，得到输入值。

进一步，所述选取对应的拟合算法，对输入值进行拟合计算，得到拟合值这一步骤，其具体包括：

以拟合优度值不小于预设阈值为选取条件，选取对应的拟合算法，所述拟合算法包括最小残差算法和平方加权算法；