自動追頻超聲波發(fā)生器電路原理

                                             恒波牌超聲波發(fā)生器自動頻率跟蹤原理

                                                                                                                                                                                                                            恒波超聲波科研團隊

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展 功率超聲技術(shù)憑其獨特的優(yōu)點在國民經(jīng)濟中得到日益廣泛應(yīng)用。超聲技術(shù)在超聲波清洗、超聲波加工、超聲波焊接以及超聲波電機等方面能充分發(fā)揮其優(yōu)勢。功率超聲系統(tǒng)主要由高頻超聲波發(fā)生器和超聲換能器兩部分組成超聲波發(fā)生器是超聲設(shè)備的重要組成部分，擔負著向超聲換能器提供超聲頻電能的任務(wù)。為了使換能器高效率地工作不但要求發(fā)生器提供的電能有足夠的功率，而且要求其頻率與換能器的諧振頻率一致。而換能器諧振頻率會由于溫度、濕度以及換能器自身的磨損等原因發(fā)生改變，若超聲電源發(fā)出的頻率不能隨之變化，保持與之一致的狀態(tài)，會導(dǎo)致工作效率降低， 再繼續(xù)發(fā)展的話可能造成換能器本身的破壞。因此找出可以完成超聲電源對換能器頻率的自動跟蹤的自動控制系統(tǒng)，能夠快速、準確地尋找新的諧振頻率實現(xiàn)頻率自動跟蹤就變得尤為必要。

一、頻率自動跟蹤原理

在實際超聲加工中 隨著外界溫度、材料剛度、負載等工況的變化會引起系統(tǒng)參數(shù)的變化，使得最大效率輸出的超聲系統(tǒng)的諧振頻率發(fā)生漂移，從而導(dǎo)致?lián)Q能器的諧振頻率發(fā)生變化。這種變化可能會使換能器工作面的振動幅度減小，加工效率下降所以必須實時地對換能器的諧振頻率進行跟蹤。若用手工方式調(diào)整頻率效率低下，并不適應(yīng)目前自動化生產(chǎn)的需要因此 就需要發(fā)生器具有自動調(diào)節(jié)頻率的性能，即通常所說的頻率自動跟蹤。頻率跟蹤技術(shù)其實就是利用反饋原理及技術(shù)，自動調(diào)節(jié)發(fā)生器的振蕩頻率 ,使其隨著換能器諧振頻率的變化而改變， 以保持換能器能始終工作在某種設(shè)定狀態(tài)下。

頻率自動跟蹤實現(xiàn)方式主要有聲反饋和電反饋兩大類聲反饋是從換能器上采集諧振頻率的電訊號， 然后反饋至前級放大器形成自激振蕩器，主要應(yīng)用于超聲電機的頻率跟蹤上需要在負載端進行機械連接將換能器的機械振動轉(zhuǎn)換為電信號后送到發(fā)生器的輸入端，這種反饋電路雖簡單，但要進行負載端的機械連接較費事，效果也不夠理想， 故應(yīng)用較少。目前隨著元器件及控制技術(shù)的發(fā)展，電反饋方式已經(jīng)占據(jù)主導(dǎo)地位，包括以差動變量橋式電路為代表的自激振蕩方式， 以及電流反饋式跟蹤、功率反饋式跟蹤及鎖相式跟蹤電路等它激式自激振蕩方式不同的頻率跟蹤方案所設(shè)定的換能器的工作狀態(tài)是不同的，究竟采用哪一種方案需根據(jù)實際情況來確定。

二、實現(xiàn)頻率自動跟蹤所選取的方案

在電反饋系統(tǒng)中，根據(jù)對換能器兩端的電壓和電流采樣信號中所包含幅度和相位信息的不同，可以構(gòu)成多種頻率跟蹤方案，常用的有以下幾種：

1、電流方案

根據(jù)換能器諧振時諧振阻抗最小，回路電流最大的原理，改變超聲電源的頻率將換能器設(shè)定在電流最大時的工作狀態(tài)。

2、功率方案

根據(jù)換能器諧振時電功率最大，反射功率最小的原理，將換能器兩端采樣得到的電壓和電流信號相乘，得到最大功率信號，搜索出最大功率點，即為諧振頻率點

    3、相位方案。

利用鎖相環(huán)技術(shù) 將換能器兩端采樣得到電壓和電流信號，送入到鑒相器，使其輸出信號控制壓控振蕩器的振動頻率，使換能器工作于電壓與電流同相狀態(tài)。

三、典型的頻率跟蹤電路

以下是幾種常見的頻率跟蹤電路：

1、差動變量橋式電路

差動變量器橋式自動頻率跟蹤電路是依靠電橋的平衡機理來對換能器電學(xué)臂的無功和有功分量進行彌補；利用從換能器提取的電壓和換能器的振動電流成比例的原理，再使換能器能夠在共振頻率上工作。在這里換能器既是自振系統(tǒng)的負載，又是振蕩器的選頻元件。

差動變量橋式電路對壓電換能器電學(xué)臂進行補償，使電反饋信號取決于機械臂， 從而能夠在機械諧振頻率上始終保持自激振蕩，達到頻率的自動跟蹤， 工作原理如圖1所示。

圖1 差動變量橋式電路

圖中虛線框中的C0、R1、C1、L1是換能器的等效參數(shù)，C1、L1、R1所在支路即為串聯(lián)諧振支路。U0 是激勵信號，U1是提取的電信號，TF是電流互感器（實際上是一次側(cè)具有兩個對稱線圈的互感器），W1和W2是兩個對稱線圈C是補償電容。當C、W1、W2、C0組成的橋式電路平衡時C：W1=C0：W2   , 即電容C上流過的電流I0和電容C0上流過的電流I0,在TF中的磁通將相互抵消，只有C1上流過的電流I1,才會在W1中激發(fā)出感應(yīng)電流。通過線圈時產(chǎn)生的磁通將激勵產(chǎn)生電壓U1并反饋回發(fā)生器輸入端即U1只與機械臂電路有關(guān)。當串聯(lián)支路諧振時I1最大，U1 才最大,并且滿足相位條件能夠與激勵電源構(gòu)成回路產(chǎn)生自激振蕩。

根據(jù)上述原理我們也可以用運算放大器的差動放大電路來完成TF的耦合作用 將輸入部分以差值形式顯示出來，以達到補償?shù)哪康?。當U0等于串聯(lián)諧振頻率時電流I1最大 此時反饋信號最強，且于U0 同相位 滿足振蕩條件構(gòu)建成一個自激振蕩回路，自激振蕩頻率隨機械諧振點同步變化, 實現(xiàn)頻率自動跟蹤。

2、電流反饋頻率跟蹤電路

超聲發(fā)生器驅(qū)動電流大小及變化趨勢，與振動系統(tǒng)工作狀態(tài)密切相關(guān)。諧振狀態(tài)下 換能器阻抗最小回路電流最大振幅大小近似正比于電流大小。因此搜索到電流最大值，便可使換能器工作在最佳狀態(tài)達到頻率跟蹤的目的。

電流反饋頻率跟蹤系統(tǒng)的核心是檢測控制換能器電流大小 主要是根據(jù)具體情況通過單片機來改變發(fā)生器的工作頻率控制換能器電流處于最大值工作原理如圖2所示。

圖2 電流反饋頻率跟蹤電路

安裝于主電路的電流傳感器檢測超聲換能器的工作電流，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換輸入給單片機。單片機將瞬時電流值與上次檢測的電流值比較、判斷后改變PWM輸出的占空比從而改變脈沖發(fā)生器的輸出頻率，通過驅(qū)動電路傳給橋式逆變電路，實現(xiàn)換能器工作頻率的調(diào)整。

在采用電流反饋式頻率跟蹤電路時要注意存在如何正確搜索諧振頻率的問題因為匹配網(wǎng)絡(luò)采用串聯(lián)方式 故在串聯(lián)諧振頻率的低頻點和高頻點處可能會出現(xiàn)兩個電流峰值，可能導(dǎo)致誤跟蹤到高頻點。另外還需重視搜索電流最大值的方法和算法問題 要求脈沖發(fā)生器能快速、準確地跟蹤系統(tǒng)固有頻率的緩慢漂移和瞬時變化因此需要充分考慮如改變步長等算法搜索電流最大值 加快頻率跟蹤速度。

3、最大功率檢測法頻率跟蹤電路

超聲換能器處于諧振狀態(tài)時，輸出的聲功率最大，此時加在振動系統(tǒng)上的電功率也是最大。而當振動系統(tǒng)的激勵信號的頻率偏離振動系統(tǒng)的諧振頻率時，即失諧時輸出功率明顯地減小，此時若能檢測出加在振動系統(tǒng)上的電功率，并以此來控制振蕩器頻率，使它始終維持在最大輸出功率狀態(tài)，這樣就可以實現(xiàn)頻率跟蹤原理框圖如圖3所示。

圖3 最大功率檢測頻率跟蹤電路

4、鎖相環(huán)頻率跟蹤電路

當壓電換能器處于諧振狀態(tài)時 加在其兩端的電信號與流過其中的電壓信號是同相的，而當換能器工作于失諧狀態(tài) 激勵信號的頻率偏離換能器的諧振頻率時其兩端的電信號與流過的電流信號不再同相位。這時將換能器兩端采樣得到電壓和電流信號，送入到鑒相器，由鑒相器比較輸入信號與輸出信號之間的相位差，產(chǎn)生誤差信號，經(jīng)低通濾波器形成控制信號，朝著減小相位差的方向改變壓控振蕩器的頻率，使之與輸入信號頻率相同，讓換能器工作于電壓與電流同相狀態(tài)，這就是鎖相環(huán)頻率跟蹤電路工作的理論依據(jù)其電路原理圖如圖4所示。

圖4 鎖相環(huán)頻率自動跟蹤電路

鎖相環(huán)頻率自動跟蹤電路有以下幾個優(yōu)點：

1、換能器不直接包括在反饋網(wǎng)絡(luò)之內(nèi) 避免了因換能器不對稱造成電路中各元件參數(shù)的嚴格選擇和復(fù)雜調(diào)試。

2、頻率自動跟蹤系統(tǒng)的控制信號與換能器振動系統(tǒng)的電壓、電流波形的好壞關(guān)系不大。這樣就能保證這種系統(tǒng)能夠應(yīng)用于大功率超聲設(shè)備實現(xiàn)大功率超聲設(shè)備的自動跟蹤。

3、輸出功率相對較穩(wěn)定 不會因負載的變化而產(chǎn)生顯著的變化。

隨著電子元器件技術(shù)的發(fā)展，鎖相環(huán)功能的電路已經(jīng)集成化 其典型產(chǎn)品有通用性較強的NE565,低功耗COMS型4046等所以鎖相式頻率自動跟蹤電路的設(shè)計會更方便、可靠。

在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn) 隨著負載突然變化或換能器的溫度緩慢變化 換能器的諧振頻率變化也呈瞬時或緩慢的形式故對于不同的變化形式，可以采用不同的頻率跟蹤方法。如對于瞬時頻率跟蹤采用鎖相跟蹤方式效果較好，而對于換能器因溫度及性能一致性差等原因引起的的諧振頻率漂移用電流反饋來跟蹤則更合適如果采用兩者相結(jié)合的辦法可以解決鎖相跟蹤易失鎖和電流反饋式響應(yīng)速度慢的缺點。由此可見復(fù)合式跟蹤法綜合了各種頻率跟蹤方法的優(yōu)點且彌補了各自的缺點，使得頻率跟蹤更加可靠。