（电力电子与电力传动专业论文）超声波发生器的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a e t a b s t r a c t s i n c et h ei n v e n t i o no ft h eu l t r a s o n i ct e c h n o l o g y , i th a sb e e nd e v e l o p e dq u i c k l y , c h a n g i n gw i t he a c hp a s s i n gd a y , a n di t h a sb e e nr a p i d l ya p p l i e dt oe v e r ya r e ao f n a t i o n a lp r o d u c t i o n ，a c h i e v e dag o o ds o c i a la n de c o n o m i cb e n e f i t s b u tu l t r a s o n i c s t u d ya n da p p l i c a t i o ns t a r t e dl a t ea sah i g h l yc o m p r e h e n s i v es u b j e c t ，i t st e c h n i c a l c o n d i t i o ni sf a rf r o ms a r i s f y i n gc h i n a se c o n o m i cu n d e r t a k i n g si nv a r i o u sf i e l d s d e m a n d b r o a dm a r k e tp r o s p e c t sp r o m p t e di n c r e a s e dr e s e a r c h t h i sp a p e rp r e s e n t st h ee l e m e n t sa n dt h ed e v e l o p m e n to fu l t r a s o n i ct e c h n o l o g y t h e n ，t h ep e r f o r m a n c e ，t h ek e yt e c h n i q u ea n dt h ed i f f i c u l t i e so fu l t r a s o n i ce q u i p m e n t a g ea n a l y z e d u l t r a s o n i cg e n e r a t o ri sd e s i g na n dp r o d u c e dw i t ht h r e ed i f f e r e n tc o n t r o l p r o g r a m ，w h i c hc a nb eu s e di nu l t r a s o n i cc l e a n i n gm a c h i n ea n dw e l d i n gm a c h i n e t h eh a l f - b r i d g ei n v e r t e rc i r c u i ti su s e di g b ta ss w i t c hw i t ht h ea d v a n t a g e so f m o s f e ta n dg t r t h em a t c h i n gc i r c u i ti sd e s i g n e db ya n a l y z i n gt h ei m p e d a n c e c h a r a c t e r i s t i c ，c o m p a r i n g t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g eo fw o r k i n gi nt h e s e r i e s - r e s o n a n tf r e q u e n c ya n dp a r a l l e lr e s o n a n tf r e q u e n c y t h ep h a s e - l o c k e dl o o p ，p f mc o n t r o lm e t h o da n df u z z ya u t o - a d a p t i v ec o n t r o l m e t h o dw e r eu s e df o rt h es e l f - a d j u s t m e n to fu l t r a s o n i cf r e q u e n c y t h eg e n e r a t o ri s d e s i g n e dw i t ht h ef u n c t i o n so f s o f t s t a r t i n g ，d e a dt i m ec o n t r o l ，t h ep r o t e c t i o no f c u r r e n t l i m i t ，o v e r f l o w i n g ，d r i v i n gs e l f - p r o t e c t i o na n do v e r h e a t ，w h i c he n s u r et h es t a b i l i t ya n d r e l i a b i l i t yo f t h es y s t e m t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g no ft h ep r o g r a mr e l i a b l e ，m r o n g a d a p t a b i l i t y p r o t o t y p eh a s t h ef r e q u e n c y a u t o a d a p t i v e f u n c t i o na n dt h ep o w e r a u t o - a d a p t i v ef u n c t i o n ，w i t ht h ep r o m o t i o no fg o o ds e n s e k e y w o r d s ：u l t r a s o n i cg e n e r a t o r , i m p e d a n c ec h a r a c t e r i s t i c ，m a t c h i n gc i r c u i t ， p h a s e l o c k e dl o o p ，p f mc o n t r o l ，f u z z ya u t o - a d a p t i v ec o n t r o l 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 引言 超声技术与众多学科交叉，互相促进，共同发展。自从人们了解超声的物理 特性之后，便开始开发各种探头材料，发明各种超声激发和接收装置和换能器， 研制出各种仪器与装备，极大的推动了超声技术在各领域的开拓发展与应用。 本章首先回顾了超声科技在国外、国内的发展历程，介绍了功率超声的的一 些应用领域，说明了超声清洗和超声焊接的基本原理和优势所在，接下来讲述了 超声波发生器的发展阶段，分析了其现状和不足。随后，介绍了超声波发生器的 发展趋势，说明本论文选题的意义，最后明确了课题的主要工作。 1 1 超声技术的发展史 超声技术是一门综合性极强，涉及电子、声学、材料、机械、医疗等众多学 科，通过超声波产生、传播及接收的物理过程来实现的通用技术。随着社会的飞 速发展，由于超声技术能够有效的提高生产效率，保障生产安全，降低生产成本， 其应用日益广泛。 所谓超声波是指频率在2 0 k h z 以上，人耳听不到的声波。一百多年来，超声技 术的发展十分迅猛。f s a v r t 于1 8 3 0 年用齿轮产生了2 4 k h z 的超声；1 8 7 6 年f g a l t o n 用气哨产生了3 0 k h z 的超声；1 9 1 6 年p l a n g e v i n 利用水下超声作为侦察手段标志着 现代超声学的开始，为检测超声奠定了基础；而r w w o o d 和a e l o o m i s 于1 9 2 7 年 对超声能量作用的实验报告则为功率超声开辟了道路。 我国亦于1 9 5 6 年将超声学研究列入了1 2 年科学规划，由此超声研究与应用开 始广泛的开展，1 9 6 5 年开始研究了表面波换能器，而随着超声清洗、超声焊接、 超声a n t 、超声医疗、超声乳化等逐渐投入应用，标志着我国超声学面向实际应 用的成熟。作为- - i 交叉学科，电力电子技术的飞速发展、电力电子器件的不断 更新换代也大大促进了超声技术的发展。目前，我国的超声学研究取得了巨大的 发展，有些方面已接近或达到国际先进水平。超声技术的发展与应用为我们提供 了一个充分认识客观事物的有利工具，呈现给我们一个更加多元化、精彩纷呈的 世界。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 功率超声技术的原理与应用 超声技术的应用大致可以分为两类：其中需要较大功率或相当大功率的超声 波，利用超声波反射、折射、聚束及定向等特性实现物体或物性变化的功率应用 称为功率超声；另一类利用它采集信息，获得通信应用，称为检测超声。 功率超声的应用十分广泛，从超声清洗、超声焊接到超声加工、超声医疗等， 取得了良好的社会效益和经济效益。以下主要介绍本课题研究的超声清洗和超声 焊接的应用。 1 2 1 超声清洗的原理及优点 超声清洗是利用超声波在清洗液中的空化作用、加速度作用及直进流作用， 由此产生的冲击将浸没在清洗液中的工件内外表面的污物震落剥离下来。目前常 用的超声波清洗机中，空化作用和直进流作用更大；而随着现代化工业的发展， 对某些材料、零部件如超大规模集成电路的清洁度要求极高，必须大幅度提高超 声频率，这时冲击力大为减弱而逐渐由加速度起作用。 1 空化作用：空化作用就是以极高的频率振动产生的减压力和压缩力相互作 用，减压力作用时产生气泡，压缩力作用时压碎气泡，在周围产生强大的机械冲 击力，达到去除清洗件表面的污垢和油腻，精密洗净的目的。若清洗过程中产生 了可见的空气气泡将对空化作用产生抑制效果而降低清洗效率。所以通常使用没 有杂质和气泡的蒸馏水作为清洗液，能达到较好的清洗效果。 2 直进流作用：直进流就是超声波的能量沿声波的传播方向而流动的，使清 洗件表面的清洗液产生对流，搅拌细微污垢和油腻，从而加速溶解，去除油腻。 3 加速度：超声波的能量推动液体粒子而产生的加速度。在进行超精密清洗 时，频率很高( 8 0 0 k i l z - - 1 m h z ) ，前两个作用十分微弱，靠液体粒子撞击清除微 粒或细菌，甚至杂质分子。 超声清洗较其他清洗方式的优势： 1 高精度：超声波的能量通过液体粒子传播，能渗透到缝隙和小孔中去，因 此能完成手工或其他方式所不能完成精密部件、细微部分的清洗。要求越精密细 致，对应的清洗频率就要越高： 2 高效率：超声清洗的清洗速度非常迅速，而且不用拆卸便能清洗装配件。 超声清洗可节省劳动力，降低清洗成本； 3 一致：超声清洗的清洗效果十分均匀、一致，不受清洗件的影响。 2 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 2 超声焊接的原理及优点 超声焊接是利用超声波的机械振动，使焊件粘合面振动摩擦产生热能，使表 面温度迅速升高，表面物质熔化填充接口间的缝隙后振动停止，并在一定的压力 下，通过原子键的联合实现连接定形。整个过程可以不到一秒钟便能完成，而且 焊接效果十分牢固，焊接强度能接近于原材料强度。超声焊接产生的微熔化能在 金属之间、塑料之间实现焊接。 超声波焊接的质量取决于换能器焊头的振i 幅u - 、所加的压力p 及焊接时间t 这 三个要素。振幅u 由换能器和变幅杆决定，而焊接压力p 及焊接时间t 可以人为调 节。压力p 不可过大，最佳压力是焊接部分的边长与边缘每i m m 的最佳压力之积。 焊接能量e 为： e = u m p l 焊接能量e 也不能超过适宜值，否则焊接物溶解过度，容易导致变形。 超声焊接优点众多： 1 不需要添加任何溶剂、粘结剂或其它辅助品，节约了成本。 2 焊接速度快，极大的提高生产率，无污染，无变形，表面无痕迹，提高产 品质量和安全生产。 3 操作简便，尺寸小，保养工作量少，适应性强，易于实现自动化。 1 3 超声发生器的发展及趋势 1 3 1 超声发生器的发展 超声波发生器( 或称功率源) 是一种用于产生并向超声换能器提供超声能量 使之工作于谐振频率的装置，根据其激励方式可分为两种：一种是他激式，一种 是自激式。他激式超声发生器主要包括两个部分：前级是信号发生器，后级是功 率放大器，一般通过输出变压器耦合，将超声能量加到换能器上。自激式超声发 生器则将信号发生器、功率放大器、输出变压器及换能器连成一个整体，构成一 个闭环回路，使整个发生器通过幅度、相位反馈，产生足够的功率，使换能器自 动保持谐振在机械共振频率上。 随着科技的日新月异，电力电子器件的发展非常迅速，迄今为止，已经发展 出很多不同原理、不同特性的电力电子器件。一代器件决定一代电力电子技术， 超声波发生器的发展同样离不开电力电子器件的发展“h ”，并在一定程度上是随 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 着其发展而发展的。依据超声波发生器末级功放管所采用的器件类型，可看出其 发展所经历的几个阶段： l 、早期的产品是采用电子管，然后发展到可控硅逆变式超声发生器，它们缺 点很多，都已经被淘汰。 2 、晶体管式超声发牛器。各种o c l 及o t l 功放级电路均适用于发生器，其线路 成熟，成本较低，但体积大，质量重，很难调整到超声换能器最佳频率谐振点上， 输出功率受功率管限制，不能达到理想的效果。不易于采用现代的数字方式来处 理，仅仅在小功率( 2 0 0 w 以下) 应用。 3 、功率模块超声发生器。通过调节开关管的占空比来控制输出的功率，具有 功耗低，效率高，体积小，重量轻，可靠性好，易于采用数字方式控制。根据功 率模块所采用的开关管类型主要有以下两种： ( a ) 使用功率m o s 管作为开关器件，根据其自身开关特性，具有以下优点： 开关频率高( 1 0 0 k h z - - i m h z ) ，抗击穿特性好( 没有雪崩效应) ，驱动电路简单， 缺点是导通电阻大，受电流容量的限制，没有做到满功率输出，输出功率也就不 尽人意，清洗效率也无明显提高，应用行业面不宽。特别是每一个跳频周期清洗 缸内总有周期性的响声。通常应用于l o o k h z 以上，功率较小的超声波发生器中。 ( b ) 使用i g b t 作为开关器件，它应用于开关频率在2 0 一5 0 k h z ，功率较大 ( 1 5 0 0 w 以上) 的超声波发生器中。 表l 一1 三种发生器主要性能特点 类型电子管式发生器晶体管式发生器 功率模块发生器 性能特聂 线路方式简单 简单比较简单 体积大中 小 重量重 由 轻 效率低( 4 0 )中( 6 0 一7 0 )高( 8 0 - - 9 0 ) 功率 由 小 大 功耗大 由 小 成本低低高 自动化程度低中高 保护电路简单中 复杂 4 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 2 控制方案现状 超声设备是个谐振系统，要求发生器的输出信号频率能对在工作中变化的 换能器谐振频率进行跟踪，目前常用的频率跟踪控制方案有以下几种： l 、声跟踪：以声耦合方式，从换能器上采集谐振频率的电信号，反馈形成自 激振荡器。 2 、电跟踪：电跟踪又称反馈自激式振荡器，随着器件及控制理论的发展，电 跟踪方式由于其简单便利的特点逐渐成为主流的控制方案，其主要形式“1 有：阻 抗电桥形式的动态反馈系统、负载分压方式的反馈系统和锁相式频率自动跟踪。 阻抗电桥形式的动态反馈系统是借助差动变量器提取与换能器振荡电流成正 比的反馈电压，利用电桥平衡原理补偿换能器电学臂的无功和有功分量，形成闭 环系统。 负载分压式反馈系统是通过将可调移相器调整到相位满足自激条件，使系统 自激于换能器的谐振频率上。 锁相式跟踪系统具有比以上两种系统更好的频率跟踪性能，后面将详细介绍 并对该方案进行了实验。 3 、数字控制方式：随着现代控制理论的发展，- 利用数字电路实现频率跟踪是 一个很好的发展方向。通过对系统工作电流或者换能器振幅进行在线测量，辨识， 利用单片机或者d s p 等控制芯片计算控制量，改变工作频率至最佳值。为了改善控 制系统的稳定性和快速性，在控制系统中应用自适应控制方式、模糊控制方式或 者混合型控制方式( 即将p i 控制和自适应控制结合起来) 均能取得良好的效果。 1 3 3 超声发生器的趋势 功率超声技术经过几十年的理论探讨和应用研究，设备和工艺上都取得了较 大的进展。超声换能器对于发生器而言，可以等效为阻容感变量负载，随着工作 的进行、负载的变化或工作环境的改变，其等效的阻容感都会跟着外界条件的变 化而改变，使超声设备获得最大功率输出的机械谐振频率发生相应的变化，因此 作为超声设备的“大脑”，超声发生器必须具备性能优良的控制系统，才能最大 程度的保障换能器进行高效率的工作。根据超声换能器的特性和超声设备的工作 特点，换能器应该具有如下功能： l 、良好的匹配电路，能保证发生器提供给换能器足够的电功率，并使电功率 最有效率的转换为声能。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 2 、频率自适应功能。因为换能器自身的机械谐振频率对负载改变、发热以及 其它外界影响较为敏感，它们的变化会引起换能器谐振频率变化，导致系统的振 动失谐、振幅降低。 3 、功率自适应功能。在工作过程中，隶望输出功率能自动随着负载的变化而 变化，比较理想的状态是发生器的输出电压一定，输出功率在空载时最小，当负 载增加时输出功率也随之增加，这样有利于超声设备的工作，这可以通过分析超 声换能器的负载特性，选择合适的谐振频率点来实现；另外也可以采用斩波电路， 通过改变开关管的占空比来控制输入到逆变电路的电压，使占空比随着负载变大 而变大，输出功率便能保持恒定，当发生故障时还可将开关管关闭。 超声发生器的发展有如下趋势： 1 、深化对超声清洗及焊接等加工对象数学模型的研究，为闭环控制方案的设 计提供有利的理论依据。 2 、加强对频率自动跟踪的闭环控制研究，结合现代的控制理论，使用自适应 模糊控制、自寻最优控制等方案，实现更便捷，更有效的控制方式，提高发生器 稳定性、可靠性和自动化程度。 3 、利用现代的工具手段，开发以单片机、d s p 等为控制核心的频率自动跟踪 系统。 本文就将从以上几个方面着手研究。 1 4 论文的选题意义及主要工作 i 4 i 选题的背景意义 随着社会的飞速发展，超声技术的应用越来越广，已从冶金、机械、医疗等 扩大n - 十多个工业部门，但是由于我国超声学研究和电力电子技术起步较晚， 超声发生器的研究也落后国外很多，其技术状况已远远不能满足我国经济事业多 领域的需求。但是市场前景十分广阔，所以研制功率超声技术的人员逐渐增加， 国内目前离国外先进技术还有相当大的差距。 超声波清洗、焊接机生产现状的特点”卜删是： 1 ，技术陈旧落后，互相仿制，缺乏自主研制和技术创新的能力，导致市场上 往往以低价相互竞争，给整个行业的发展带来了消极的负面影响。 2 、多采用他激式电路，使用可调电阻来调节振荡频率，没有频率自动跟踪功 能，导致清洗效率不理想，故障率高。 6 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 这些缺点已成为制约它们进一步扩大应用范围的瓶颈。因此，必须甩掉陈旧 落后的机型，研发新的功能完备的机型。 1 4 2 课题主要工作 本文研究对象为i g b t 恒功率超声波发生器。它使用了目前最为流行的i g b t 作 为开关器件，i g b t 兼具m o s 管和双极管的优点，可应用于开关频率在2 0 5 0 k h z ， 功率较大( 1 5 0 0 w 以上) 的超声波发生器中。 该机具有三个显著的特点： l 、恒功率输出。清洗的时候清洗槽中液面高度的变化或被清洗物件的变化都 是难以避免的，当这些外在条件改变的时候，仍然能保持清洗机的清洗效率不变， 即输出功率不变，实现恒功率输出。 想要实现恒功率输出，既可以采用模拟的方法，也可以使用数字的方式。这 将在后面进行方案介绍。 2 、具有频率自适应功能，能随着换能器自身机械谐振频率的变化自动调整输 出频率，保证了换能器的工作效率。 3 、工艺简单，适应性强。用较少的部件，就能适应各种不同的超声波振头， 有利于降低成本，实现批量生产。 具体的工作安排如下： 1 、对超声波换能器特性进行分析，并设计出合适的匹配电路； 2 、设计制作出超声清洗样机及超声焊接样机 3 、使用锁相方式对清洗和焊接机换能器进行频率跟踪 4 、用扫频控制方式实现超声清洗机的最大功率跟踪： 5 、用模糊自适应控制方法，以单片机为控制核心，实现超声焊接机的自动频 率跟踪。 1 。5 本章小结 本章回顾了超声技术的发展史，并且介绍了功率超声技术的应用和发展趋势， 阐述了电力电子器件对功率超声技术的发展起到巨大的推动作用，同时还简单介 绍了超声清洗机、焊接机生产现状的特点，说明了本文的选题意义，并对工作任 务进行了规划介绍。 7 浙江大学硕士学位论文第二章超声换能器特性及匹配电路分析 第二章超声换能器特性及匹配电路分析 引言 本章首先介绍超声波换能器的阻抗特性，通过使用凇t l a b 绘制其幅频特性图 和相频特性图，比较了换能器工作在串、并联谐振频率的优劣，比较了不同匹配 方式的特点，最后分析了不同的电感电容参数产生的不同阻抗特性。 2 。1 换能器阻抗特性理论分析 图2 - - 1 为超声波换能器在谐振频率附近的等效电路。图中c 。为静态电容，它 所在的支路称作并联支路，是在远低于谐振频率的频率上测量出来的换能器电容； l l 、c ，和r 。分别是动态电感、动态电容和动态电阻，它们所在的支路则称作串 联支路，它们仅仅是根据换能器的质量、损耗和机械顺性分别折算过来的等效参 数。 圈z 一1 超芦坡挟能器的等效电路 由等效电路可计算出超声波换能器总阻抗： 獭，2 南志一惦+ 去煮等蒜 汜。， c ：盟 其中： c o + c l 以一实际的超声波焊接机( 2 6 k w 1 5 k h z ) 换能器进行分析，其空载时等效参 数为，图2 - - 2 所示为空载换能器阻抗幅频特性和相频特性： c o = 1 3 5 1 1 4 n f c 1 = o 1 0 7 2 5 2 ，蜀= 4 5 3 3 6 8 q 五= 1 5 0 5 5 4 k h z 厶= 1 0 4 1 9 6 m h 以；1 5 1 1 5 0 k h z 8 浙江大学硕士学位论文第二章超声换能器特性及匹配屯路分析 图2 - - 2 空载换能器阻抗幅频特性和相频特性 从图中可以看出，超声换能器自身具有两个机械谐振频率，分别为串联谐振 频率和并联谐振频率，串联谐振频率是由l 、c 。和r 。构成的串联支路发生谐振时 的工作频率，并联谐振频率是包括c 。在内的并联支路共同发生谐振时的频率。 采取如图2 3 所示的串联电感进行阻抗匹配，它可使换能器工作于串联谐振 频率点或并联谐振频率点，此时，经匹配后的总换能器负载为一纯电阻。 图2 3 串联电感匹配 9 浙江大学硕士学位论文第二章超声换能器特性及匹配电路分析 l 、工作于串联谐振频翠点时： 串联谐振频率为： z 2 稠1 雨 2 2 匹配串联电感为： t = 丽c o 丽r 1 2 = 燕= 2 7 7 f 1 日 眩s ， 匹配后换能器等效电阻为： 墨= 而磊g i 耵= 去州3 3 s s q 汜a ) 3 l + ( q g 墨) 2g 墨 图2 4 所示为换能器工作在串联谐振频率附近区域幅频特性和相频特性： x 1 0 4 图2 4 工作于串联谐振点的幅频特性和相频特性 i o x 1 0 4 浙江大学硕士学位论文 第二章超声换能器特性及匹配电路分析 2 、工作于并联谐振频率点时 并联谐振频率为： 匹配串联电感为： ，一 1 乃一丽 ( 2 5 ) 。去2 厶矗= s 上棚 ( 2 e ) 匹配后换能器等效电阻为： 髟= 鬲l p = 厶熹= 1 3 3 8 6 q ( 2 7 ) 图2 - 5 所示为换能器工作在并联谐振频率附近区域幅频特性和相频特性： 图2 5 工作于并联谐振点的幅频特性和相频特性 浙江大学硕士学位论文第二章超声换能器特性及匹配屯路分析 比较以上两种工作方式可得出结论： 1 、首先由测试可知，超声波换能器的动态电阻r 是随这工作负载的增加而增 加的，匹配于并联谐振工作点时，谐振时总负载的等效电阻r ，随r 。增加而减少，发 生器的输出电压一定，输出功率在空载时最小，其随着负载的增加而增加，有利 于机器的工作；而匹配于串联谐振工作点时，谐振时负载的等效电阻随r 增加而 增加，空载时发生器输出功率最大，带载后输出功率反而减少。因此，换能器工 作于并联谐振频率时，具有功率自动调节性能，更有利于工作。 2 、换能器在并联谐振区间的等效电阻r 非常大，超过一万欧姆，工作时需要 相当高的激励电压，一旦频率调偏，会产生非常大的电流而使发生器或换能器损 坏，对保护电路要求较高；而串联谐振区间的等效电阻r 较小，反馈采样较好，控 制时相对容易。 表2 1 所示为焊接机换能器参数随负载及焊接压力增加而变化的规律( 焊接 材料a b s ，标准焊接工具头1 6 2 6 ) ； 表2 一l 换能器参数随压力变化 参数r 。( q )co ( n f )c 。( n f )品质因f 。( h z )f 。( h z ) 爪数q 空载4 5 3 3 6 8 l3 5 1 1 4o 1 0 7 2 5 22 1 7 4 13 1 5 0 5 5 415 1 1 0 1 2 k g 5 6 8 0 8 3 1 4 2 9 5 2o 0 3 1 8 1 65 8 3 7 7 31 5 0 8 4 61 5 1 3 0 3 3 k g 5 6 7 8 7 91 3 5 5 7 10 0 3 6 6 7 15 0 6 9 4 61 5 0 8 4 61 5 1 5 0 4 4 k g 6 5 1 9 3 71 5 3 8 8 40 0 2 8 4 3 55 6 8 5 2 71 5 1 0 1 51 5 1 8 3 2 以上分析是针对超声波焊接机的换能器，清洗机换能器的阻抗特性与其相似， 变化规律相同，区别在与等效阻抗与其相比较低，幅频特性没有那么陡，相频特 性中谐振点附近的线性区较宽，利于电流反馈采样和锁相控制。 2 2 阻抗匹配 匹配电路m 吖”1 的作用是保证电信号能高效而安全地传输给换能器，具体分析 有如下三种： ( 1 ) 变阻：将换能器的阻抗变至适当值，才能使得超声波发生器向换能器的输 出达到额定功率，所以为了确保换能器获得足够的功率，必须进行阻抗匹配。并 浙江人学硕士学位论文第二章超声换能器特性及匹配电路分析 且变阻后使得总阻抗交小，将有利于反馈电路进行电流采样。 ( 2 ) 调谐：通过匹配使发生器输出效率最高。换能器在实际运用中，往往是工 作在非纯电阻状态( 容性区域) ，容抗x 产生无功功率，并且分走一部分电压，使 阻抗r 得到的电压减小，获得的有功功率也就减小了，降低了发生器输出效率。因 此在发生器输出端通过匹配相反的感抗，使发生器负载为纯电阻。 ( 3 ) 滤波：主电路的输出信号为一定频率的方波，含有大量的谐波成分，有效 滤出这些谐波将有利于减轻功率放大器的负担，提高设备效率，从这个角度来说 也需要合理的阻抗匹配。 匹配方式又分为静态匹配和动态匹配。 1 静态匹配：电端输出阻抗与换能器静态输入阻抗匹配，使发生器输出频率 与换能器机械谐振频率相同。 但换能器的频率特性容易受外部因素影响：1 ) 温度，温度会改变声波在媒介 中的传播速度而直接影响其谐振频率；2 ) 负载，清洗机中清洗液的量，焊接机的 焊接压力等都会直接影响换能器的动态参数。因此若用固定不变的参数进行匹配， 必然导致工作频率漂移，效率变低，严重的甚至烧坏换能器或信号发生器。 2 动态匹配；不固定输出某一频率，而使用频率跟踪技术，使发生器的输出 频率动态地跟踪换能器谐振频率的变化，确保电路匹配，保证换能器的工作效率。 目前，最常用的匹配电路就是图2 3 所示的串联电感匹配法，另外还有并联 电感、串联电容和并联电容、电感电容匹配、l c c 匹配等匹配方式。 除了前面所说的变阻调谐作用必须完成以外，衡量匹配的效果有一个重要的 标准就是有效机电耦合系数k 。，“”，它指的是电发生器与换能器之间的耦合程度， 以便使发生器输出的功率高效率地传输给换能器( 理想情况下电发生器输出功率 等于换能器的输入电功率) 。其计算公式为： ， ，f ，一 ； = - 二i 一 ( 2 8 ) jp 图2 6 ( a ) 、( b ) 、( c ) 、( d ) 、( e ) 、( f ) 分别为串联电感、并联 电感、串联电容、并联电容匹配方式的电路图： 浙江大学硕士学位论文第二章超声换能器特性及匹配电路分析 图2 6 ( a ) 串联电感匹配图2 6 ( b ) 并联电感匹配 图2 6 ( c ) 串联电容匹配图2 - - 6 ( d ) 并联电容匹配 图2 6 ( e ) 电感电容匹配图2 - - 6 ( f ) l c c 匹配 表2 - - 2 所示为换能器采用以上几种匹配方式的参数： 1 4 浙江人学硕士学位论文第二章超卢换能器特性及匹配电路分析 表2 - - 2 匹配方式比较 参数 f 。( h z ) f 。( 1 - l z ) k 匹配方趴 串联电感降低不变升高 并联电感不变升高 升高 串联电容升高不变降低 并联电容不变降低降低 电感电容降低降低 不定 l c c 匹配 降低降低 不定 通过比较可知： l 、无论是串联还是并联电感，都能使系统的有效机电耦合系数升高；串联电 容或并联电容反而使系统的有效机电耦合系数下降。 2 、电感电容匹配电路能比以上几种更有效的实现变阻的功能，在输入电压不 交的情况下，使输出电流变大，而且具有较好的滤波效果，利于反馈采样。l c c 反馈方式虽然效果更佳，但采用的器件较多，会增加功耗。 综合考虑，本次实验中采用的是电感电容匹配方式，这种方式匹配效果较好， 理论分析简便，与串联电感方式十分相似，进行分析时可将其等效为图2 7 所示： 图2 - 7 电感电容匹配 串( 并) 联谐振频率推导方式不变，可以参考上一节中串联电感匹配的计算 方式。通过进行l c 匹配后阻抗分析和实验经验确定并联电容c ，就能得出串联电感 l 为： 三=而磊co丽rn2=而雨c万ori鬲2co丽 2 9 ) l + 【髓墨( + c ) 】2 l + ( g + c ) 2 蜀2 厶c i 浙江大学硕士学位论文第二章超声换能器特性及匹配电路分析 随着并联电容c 的增大，等效电阻会大幅度减少，有利于采样；但电容不可过 大，否则相频特性会变陡，不利于控制，因此必须对两者折衷考虑。通过大量绘 制不同组l c 匹配后得幅频、相频特性图，总结出不同的l c 参数对应的特性分析， 如表2 3 所示： 电容( n f ) 电感( 日) 等效阻抗最大 颤( h z )奶( h z ) 值( o ) o2 7 71 3 4 3 71 3 1 2 53 7 8 17 1 9 51 3 8 1 04 7 8 44 4 8 01 4 1 3 1 3 55 4 7 63 4 1 11 92 0 2 06 7 4 8 6 2 2 3 0 1 61 8 3 08 6 41 3 4 01 21 4 4 01 0 4 4 98 9 8l l1 3 其中等效阻抗最大值便是并联谐振频率力处的等效阻抗，颈是z 附近相位 由- 6 0 。变为6 0 经历的频率差，可以代表频率跟踪在z 处的可控范围，m 是附 近相位由6 0 。变为_ 6 0 。经历的频率差。 经过以上的分析，可见电感电容匹配方式可以很好的实现变阻作用，将焊接 机换能器等效阻抗大幅度减小，但是频率变化极为剧烈，可控范围过于狭窄，这 正是发生器设计的最大难点。 综合考虑等效阻抗和可控制范围，使用的是c = c o = 1 3 5 ，工= 5 4 7 6 t h ， 其阻抗特性如图2 8 所示： 1 6 浙江大学硕士学位论文第二章超声换能器特性及匹配电路分析 图2 - - 8 电感电容匹配阻抗特性 2 3 本章小节 本章允绍了超声波换能器的幅频特性图和相频特性，比较了串、并联谐振点 的优缺点，分析了换能器参数随负载及焊接压力增加而变化的规律，接着列举了 几种匹配方式的特点，确定了电感电容匹配方式及匹配参数。 1 7 浙江大学硕士学位论文第三章控制方案设计 第三章控制方案设计 引言 超声换能器是将超声波发生器发出的电能转化为机械能的工具，其等效的阻 容感变量负载会随着外界条件的变化而改变，出于要最大程度的保证换能器工作 效率的要求，超声设备的控制系统必须具备频率自适应功能和功率自适应功能。 这一方面要通过研究超声换能器的负载特性，使其工作在合适的谐振频率点，另 一方面要通过优良的控制手段来实现。 3 1 锁相控制方式 3 。1 。1 锁相控制原理 锁相环是一个相位误差控制系统，通过使两个周期信号相位的同步锁定，实 现精确的频率控制，它具有以下基本特征“”1 捌： 1 、锁定状态无剩余平均频差存在； 2 、具有良好的窄带特性，可以有效地将窄带外不需要地信号虑掉。防止系统 误跟踪在干扰信号上； 3 、具有良好的调制跟踪特性； 4 、输出功率相对较稳定，不会因负载地变化而发生显著地变化。 由第二章对压电换能器等效电路在谐振频率附近的阻抗特性分析可以得出， 当压电换能器工作于谐振状态时，加在它两端的电压信号与流过其中的电流信号 是同相位的；当激励信号的频率偏离换能器的谐振频率时，换能器工作于失谐状 态，其两端的电压信号与流过的电流信号不再同相位。根据这一特性便可以通过 取出电压和电流的相位差信号，并将其转化为控制信号发生器所发出的电信号频 率变化的信号。 图3 一l 是p l l 电路跟踪频率的原理图，它由鉴相器( p c ) 、低通滤波器( i f ) 和压 控振荡器( v c o ) 三个基本部件组成。 浙江大学硕十学位论文 第三章控制方案设计 图3 一l 锁相控制原理图 电流采样和电压采样经过波形变换转变为方波后一同送入鉴相器p c 的两个输 入端，由p c 给出它们的相位误差信号，误差信号经低通滤波器l f 滤去高频成分后 作为压控振荡器v c o 的控制电压，这个控制电压决定了v c o 的振荡频率，使电压和 电流同相位，即超声波换能器工作在纯阻抗状态。如果发生频率漂移，采样电流 和电压之间会再次出现相位差，当振荡频率高于谐振频率f 时，v c o 的控制电压应为 低电平，以便把频率拉下来；而当振荡频率低于f 时，控制电压应为高电平，使得 频率能够提上去，这样就使得电流和电压相位重新同步。 图3 2c d 4 0 4 6 内部结构图 1 9 浙江人学硕十学位论文 第三章控制方案设计 图3 2 所示为集成锁相环c d 4 0 4 6 的内部结构图，它是用途最广、效率最高、 成本最低的实用电路之一。其内部包含两个独立的鉴相器p c i 和p c i i 、一个压控振 荡器、输入信号源极跟随器和稳压管，鉴相器有两个共同输入信号端( 3 和1 4 脚) 。 p c i 是异或门签相器，要求输入信号占空比为5 0 ，若采用无源低通滤波器， 信号锁定时输入信号和输出信号之间的相位差将在0 。到1 8 0 。之间变化，无法实 现无相差的频率跟踪。p c i i 是鉴频鉴相器，由受逻辑门控制的四个边沿触发器和 三态输出电路组成，输出为三态结构，不要求输入信号为5 0 占空比，输入信号 与输出信号可保持严格同步，产生0 。相移。 v c o o u t ( 4 脚) 的输出信号的频率受v c o 输入电压控制，并且与6 、7 脚之间的电 容c 1 ，1 1 、1 2 脚所接的电阻r 1 和r 2 有关。输出频率范围允。、丘由c l 、r 1 、r 2 所决定，具体值由v c o 输入电压决定，f - 、厶。的计算方法为： 1 2 厶2 而i u - ( h z ) ( 3 1 ) 。”足( c _ + 3 2 ) 一 1 1 2 厶= 厶n + 丽i i ) - - ( h z ) ( 3 2 ) 其中c 单位为p f ，r 单位为o ，置1 0 k t l ，足1 0 k q ，q 5 0 p f 通过上面的分析可知，p l l 电路不是使换能器工作在某个固有频率，而是一个 频率范围内，使得输出电流与电压相位差总是接近于零。 3 1 2 锁相控制电路 使用集成锁相环c d 4 0 4 6 的p c i i 可以实现无相差的频率跟踪，本方案将逆变 器输出的电流信号采样，将其相位作为p l l 的输入信号，将p l l 的输出经一定处 理后作为逆变器的驱动信号，可以实现逆变器对负载的频率跟踪。在逆变器刚启 动的时候，逆变器没有输出任何功率，所以控制电路无法从负载端取到反馈信号， 使得控制电路无法正常工作，因此需要采取一种他激转自激的控制策略。 逆变器的控制框图如图3 3 所示。逆变器的输出电流信号，经过相位检测产生 两个信号，一个为自激信号，一个与控制给定值比较产生控制信号。当控制信号 为高电平时，电子开关的输出为他激信号，逆变器工作在他激状态，逆变器输出 的电信号频率固定，由他激信号发生器控制而与负载无关；当控制信号为低电平 浙江丈学硕士学位论文第三章控制方案设计 时，电子开关的输出为自激信号，逆变器工作在自激状态，电路工作频率由负载 决定，会随着其变化而变化，自动锁定到电压，电流同相位的状态。在锁相环反 馈电路中进行延时，用来补偿系统的固有延迟，包括驱动部分和低通滤波器的两 处延时。 蓑霉卜 电r 一堡竺! i _ 了 弘 歼 蓑 愿卜 图3 - - 3 逆变器的控制框图 他激转自激的控制策略通常应用在以全控型器件作为开关的逆变器中，即在 开机时或是负载电压低于阂值时采用开环的定频控制，t 作于他激状态；当开始 工作后，输出电压大于阀值时进行自动切换，使逆变器工作于自激状态，通过频 率闭环跟踪负载频率的变化。 但由于他激信号和自激信号不可能总是同步的，导致在他激转自激的切换过 程中经常会产生干扰信号，干扰窄脉冲有可能会造成逆变器的瞬间开路；另外在 超声焊接的现场工作环境较差，这种控制方案容易受到外界因素的干扰，其抗干 扰性能不能满足超声系统的的要求。而锁相跟踪电路本身就是一个良好的带通滤 波器，可以有效地将窄带外不需要地信号虑掉，既能虑除切换过程中的窄脉冲， 又能抑制外界干扰产牛的尖峰，防止系统误跟踪在非谐振频率的信号上。本方案 的具体实现过程如下： 1 、自激信号的产生 如图3 - - 4 所示，反馈电流由电流互感器采样后输入，滤波后由功率电阻转化 为电压信号。采用一组反并联的二极管，与电流取样电阻电容并联。这样做的好 处有两个：一是增加灵敏度，利用二极管的非线性特性，刚开始启动时，虽然负 载上的电流很小，但此时二极管的等效阻抗很大，所以仍可得到较大的电流信号， 因而有较大的逆变引前角，有利于换流，使启动得以成功，随着u 的增大，由于 二极管的非线性特性随着负载电流的变化，二极管的等效阻抗减小，以适应启动 2 1 浙江人学硕士学位论文第三章控制方案设计 过程；二是保护比较器，使得比较器两端的电压差为1 4 v 。经过l m 3 1 9 整流后成 为反映电流相位的方波信号，即自激信号i n t 。 图3 4自激信号的产生 2 、他激信号的产生 如图3 5 所示，使用c d 4 0 4 6 内部的压控振荡器，从v c o u t ( 4 脚) 输出一个方波 信号，即他激信号e x t ，其频率在由厶、允规定的范围内，可以通过调节电位 器w 2 0 2 改变v c i n ( 9 脚) 的输入电压，控f i i l j e x t 的输出频率。 w 2 0 3r 2 1 0l 己2 1 1 ，2 0 4 图3 5 他激信号的产生 3 、控制信号的产生 如图3 - - 6 所示，控制信号与自激信号是同一个输入信号，经过单相半波整流 电路将交流电转换成单相脉动直流电能，通过整形滤波后成为一个正电平，接入 浙江大学硕士学位论文第三章控制方案设计 比较器的负端，与正端的参考电压做比较，得出控制信号c o n 。 图3 - - 6 控制信号的产生 4 、电子开关 如图3 7 所示，电子开关由四个与非门组成，输入信号分别为自激信号i n t 、 他激信号e x t 和控制信号c o n ，输出为a i n ，也就是p l l 的输入信号。其逻辑关系如 下： a n = 面万丽州r 百丽= e x t c o n + 1 n t 虿丽 当c o n = i ，a i n = e x t ； 当c o n = 0 ，a i n = 删r 。 图3 7 电子开关 浙江大学硕士学位论文第三章控制方案设计 5 、频率跟踪电路 本方案使用c d 4 0 4 6 内部的鉴相器p c i i ，不用有源比例积分滤波器，也能够保 证锁相环输入与输出信号相位差为零。p c i i 的输出为三态结构，其输入一输出波 形如图3 8 所示。由图可见，当p i n l 4 的信号超前于p i n 3 对，p i n l 3 输出为高电平； 当p i n 3 的信号超前时输出为低电平；两个信号的相位同步时输出处于高阻状态。 输入l p i n l 4 翰入2 p m3 镳m “nj 3 图3 8p c i i 的输入一输出波形 p c i i 的输出经r c 滤波后成为v c o 的控制信号v c i n 。通过开关$ 2 0 1 、$ 2 0 2 可 以方便的测试v c o 输出的下限频率厶和上限频率厶，当开关$ 2 0 1 接通时v c o 的振荡频率为上限频率，当开关$ 2 0 2 接通时为上限频率。p l l 的输出信号y c o 经 过d 触发器二分频后产生两个相位相反，占空比为5 0 的信号n e t l 和n e t 2 。其 具体