專(zhuān)利名稱(chēng)：壓電式超聲換能器驅(qū)動(dòng)電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種壓電式超聲換能器驅(qū)動(dòng)電源。
背景技術(shù)：
壓電式超聲換能器及其驅(qū)動(dòng)電源是熱超聲鍵合設(shè)備的核心部件。壓電式超聲換能 器包括壓電換能器、變幅桿以及鍵合工具等。其中，壓電換能器通過(guò)電致伸縮效應(yīng)將超 聲頻率電信號(hào)轉(zhuǎn)換為同頻率的機(jī)械振動(dòng)，機(jī)械振動(dòng)通過(guò)變幅桿傳遞到鍵合工具上，使鍵 合工具產(chǎn)生一定振幅的振動(dòng)。超聲頻率的振動(dòng)促使兩金屬之間形成潔凈面并且相互擴(kuò)散 而焊接在一起。
在熱超聲鍵合設(shè)備中，壓電式超聲換能器振幅輸出直接影響著焊線(xiàn)質(zhì)量，要保證 壓電式超聲換能器正常工作就必須使其工作在諧振狀態(tài)，即激勵(lì)電信號(hào)的頻率與壓電式 超聲換能器固有頻率相同，但在焊接過(guò)程中，由于鍵合界面狀態(tài)的改變、界面連接阻尼 和剛度的改變、擾動(dòng)、磨損、老化等各種原因，壓電式超聲換能器的諧振頻率是不斷變 化的，如果超聲電源的動(dòng)態(tài)特性差，激勵(lì)頻率不能及時(shí)準(zhǔn)確隨之改變，壓電式超聲換能 器將工作在失諧狀態(tài)而使輸出振幅降低，從而降低鍵合效率和鍵合質(zhì)量。因此需要提高 現(xiàn)有超聲電源的動(dòng)態(tài)特性，實(shí)現(xiàn)超聲頻率在大范圍內(nèi)的實(shí)時(shí)跟蹤，以提高熱超聲鍵合的 質(zhì)量，提高鍵合可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種壓電式超聲換能器驅(qū)動(dòng)電源，可在負(fù)載 與環(huán)境因素變化的情況下迅速使驅(qū)動(dòng)電源的輸出頻率實(shí)時(shí)跟蹤變化中的壓電式超聲換 能器的固有頻率，確保壓電式超聲換能器始終工作在諧振狀態(tài)下，并具有最大的輸出振 幅，以提高焊線(xiàn)效率，保證焊線(xiàn)質(zhì)量。
本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是
一種壓電式超聲換能器驅(qū)動(dòng)電源，其特征在于，包括主控制器、采樣電路、調(diào)整電 路和驅(qū)動(dòng)電路；所述的采樣電路和調(diào)整電路從壓電式超聲換能器獲取信號(hào)，所述的采樣
電路和調(diào)整電路的輸出端接所述的主控制器；所述的主控制器接收外部控制發(fā)來(lái)的信 號(hào)，所述的主控制器通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路連接壓電式超聲換能器；
所述的主控制器包括鑒相單元、控制單元、直接數(shù)字式頻率合成器、調(diào)幅限幅單 元；所述的鑒相單元接所述采樣電路的輸出信號(hào)；所述的鑒相單元、控制單元、直接數(shù) 字式頻率合成器和調(diào)幅限幅單元依次串聯(lián)后輸出信號(hào)給所述的驅(qū)動(dòng)電路。
所述的主控制器還包括開(kāi)機(jī)鎖定并延時(shí)單元，該開(kāi)機(jī)鎖定并延時(shí)單元接收來(lái)自外部 控制的控制信號(hào)和主控制器內(nèi)部的時(shí)鐘信號(hào)，并輸出控制信號(hào)到所述控制單元和直接數(shù) 字式頻率合成器的控制端。
所述的驅(qū)動(dòng)電路包括D/A轉(zhuǎn)換器、低通濾波器和功放電路；所述的D/A轉(zhuǎn)換器、低 通濾波器和功放電路依次串接。
所述的主控制器采用FPGA實(shí)現(xiàn)。
所述的控制器為采用PD和PID混合控制算法的控制器。
所述的PD和PID混合控制算法為當(dāng)電流和電壓的相位差大于30個(gè)計(jì)數(shù)脈沖時(shí)采 用PD控制；當(dāng)電流和電壓的相位差小于30個(gè)脈沖時(shí)采用PID控制。
當(dāng)壓電式超聲換能器工作在諧振狀態(tài)時(shí)，電壓和電流的相位差為零，圖1為壓電 式超聲換能器的相頻關(guān)系曲線(xiàn)，曲線(xiàn)在X軸上有兩個(gè)過(guò)零點(diǎn)，第一個(gè)過(guò)零點(diǎn)即為諧振點(diǎn)， 此時(shí)電壓和電流的相位差為零；第二個(gè)過(guò)零點(diǎn)為反諧振點(diǎn)。本發(fā)明主要依據(jù)這種特征實(shí) 現(xiàn)頻率跟蹤。采用FPGA控制的目的就是使電壓和電流的相位差保持為零，換能器工作 在諧振點(diǎn)處，同時(shí)在特殊工作條件下實(shí)現(xiàn)恒功率驅(qū)動(dòng)和恒電流驅(qū)動(dòng)，以及通過(guò)FPGA內(nèi) 部的ROM存儲(chǔ)器存儲(chǔ)一系列的二進(jìn)制數(shù)，通過(guò)査表的方式從存儲(chǔ)器中取出二進(jìn)制數(shù)，再 和經(jīng)過(guò)調(diào)整后的電壓信號(hào)一起輸入乘法器，調(diào)整電壓信號(hào)的幅值從而實(shí)現(xiàn)輸出功率隨時(shí) 間任意連續(xù)變化；通過(guò)同樣的方式輸出經(jīng)過(guò)削峰的波形，削峰的幅度也可實(shí)現(xiàn)隨時(shí)間任 意連續(xù)變化?；贔PGA的智能壓電式超聲驅(qū)動(dòng)電源可以應(yīng)用于不同頻率和不同工作條 件下的超聲波換能器上，使超聲波換能器保持在良好的狀態(tài)下工作，可廣泛應(yīng)用于各種 熱超聲鍵合設(shè)備中。
本發(fā)明的有益效果有
超聲波換能器在焊接過(guò)程中，由于焊盤(pán)表面質(zhì)量不同，因此諧振頻率也隨之改變， 在FPGA中使用的混合頻率控制算法既保證了頻率跟蹤的速度，又保證了頻率跟蹤的準(zhǔn)
確性，可以實(shí)時(shí)跟蹤到換能器在各種擾動(dòng)情況下的諧振頻率變化，而且速度快(啟動(dòng)到 穩(wěn)定跟蹤小于lms)，精度高(誤差小于lHz)，跟蹤范圍寬(大于10KHz)，穩(wěn)定性好； 同時(shí)，本發(fā)明可用于各種頻率小于200KHz的換能器，因此適應(yīng)性好。
本發(fā)明使用的FPGA有很高的時(shí)鐘頻率，可保證高速鑒相和高效頻率反饋。 與基于DSP和其他控制器的超聲電源相比，本發(fā)明具有鎖相速度快(小于lms)、 精度高(誤差小于lHz)、輸出功率可編程調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。
綜上所述，本發(fā)明巧妙地用各種模塊構(gòu)成一個(gè)帶有反饋的自動(dòng)控制系統(tǒng)，可以有 效的跟蹤諧振頻率的變化，輸出精確的控制量給功放電路驅(qū)動(dòng)換能器，也就是說(shuō)，本發(fā) 明充分綜合了 FPGA技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了超聲波換能器的高性能。


圖1為壓電式超聲換能器相頻關(guān)系曲線(xiàn)；
圖2為本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)框圖3為本發(fā)明FPGA模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖4為本發(fā)明的調(diào)整電路的結(jié)構(gòu)框圖5通過(guò)多普勒測(cè)振儀得到的實(shí)測(cè)曲線(xiàn)(a)針對(duì)現(xiàn)有的壓電換能器驅(qū)動(dòng)電源的振 幅隨時(shí)間的變化圖；(b)針對(duì)本發(fā)明的壓電換能器驅(qū)動(dòng)電源的振幅隨時(shí)間的變化圖6為根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的仿真結(jié)果圖。
具體實(shí)施例方式
以下將結(jié)合附圖和具體實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
實(shí)施例h
如圖2 4所示，壓電式超聲換能器驅(qū)動(dòng)電源由采樣電路l、調(diào)整電路2、外部控 制器電路3、基于FPGA的處理器電路4、 D/A轉(zhuǎn)換電路5、低通濾波器6、功率放大電路 7等組成。
外部控制器電路(例如單片機(jī))向FPGA發(fā)出脈沖控制信號(hào)，F(xiàn)PGA接收到脈沖信號(hào) 后開(kāi)始工作；
如圖3所示，F(xiàn)PGA集成有鑒相、鎖相、DDS功能和PID頻率跟蹤算法(實(shí)現(xiàn)該算 法的單元為圖3中的控制單元)，DDS即直接數(shù)字式頻率合成器，首先裝載并寄存輸入的 頻率控制字；通過(guò)內(nèi)部相位累加器將頻率控制字在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)進(jìn)行相位累加，得到
一個(gè)相位值；最后對(duì)該相位值計(jì)算數(shù)字化正弦波幅度。對(duì)輸入的相差信號(hào)、驅(qū)動(dòng)電壓/ 電流/功率/阻抗信號(hào)，并跟蹤換能器固有頻率的變化，輸出與之一致的簡(jiǎn)諧振蕩信號(hào)驅(qū) 動(dòng)換能器。整個(gè)過(guò)程的啟停由外部控制器控制.
從DDS模塊直接輸出的驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)可以驅(qū)動(dòng)超聲換能器，在特殊要求情況下驅(qū) 動(dòng)電壓信號(hào)的幅值需要調(diào)整，因此從DDS輸出的電壓信號(hào)要先經(jīng)過(guò)調(diào)幅限幅模塊再輸 出到超聲換能器。
D/A轉(zhuǎn)換電路(高速D/A轉(zhuǎn)換電路)，將FPGA輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)； 低通濾波器，對(duì)其D/A轉(zhuǎn)換電路輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行濾波平滑；
功率放大電路，對(duì)經(jīng)濾波后的模擬信號(hào)進(jìn)行功率放大，并輸出到壓電式超聲換能 器，驅(qū)動(dòng)壓電式超聲換能器工作；
混合頻率控制算法，在FPGA中根據(jù)輸入的調(diào)整電路信號(hào)通過(guò)混合頻率控制算法確 定輸出信號(hào)的頻率，使輸出的驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)頻率和壓電式超聲換能器的諧振頻率一致。
基于FPGA的智能超聲電源應(yīng)用方法，其特征在于由調(diào)整電路實(shí)時(shí)檢測(cè)超聲波換 能器的電壓和電流信號(hào)，轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)，并將其輸入到FPGA中，目的是鑒相；同時(shí) 采樣電路采集到的電壓和電流信號(hào)直接輸入到FPGA中，目的是實(shí)現(xiàn)恒功率驅(qū)動(dòng)。FPGA 是一種高速的處理器芯片，內(nèi)部通過(guò)軟件控制各種邏輯單元形成所需要的各種功能模 塊，上電時(shí)各種模塊并行工作?？梢酝ㄟ^(guò)改變FPGA內(nèi)部的邏輯電路實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)功率隨時(shí) 間任意連續(xù)變化，輸出削峰波形，削峰幅度隨時(shí)間可任意連續(xù)變化。FPGA中由硬件實(shí)現(xiàn) 的混合頻率控制算法對(duì)驅(qū)動(dòng)壓電式超聲換能器的電壓信號(hào)頻率和幅值進(jìn)行實(shí)時(shí)修正和 補(bǔ)償，輸出與壓電式超聲換能器固有頻率一致的數(shù)字離散簡(jiǎn)諧波形信號(hào)給D/A轉(zhuǎn)換器， 經(jīng)低通濾波器、功率放大器后驅(qū)動(dòng)壓電式超聲換能器，可大幅度提高壓電式超聲換能器 的工作性能。
本發(fā)明的工作流程為
上電后，首先調(diào)整電路2對(duì)壓電式超聲換能器8的驅(qū)動(dòng)電壓和電流進(jìn)行一次檢測(cè)， 把檢測(cè)到的電壓和電流信號(hào)通過(guò)比較器轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)，輸入到FPGA4中，F(xiàn)PGA4據(jù)此 自動(dòng)檢測(cè)壓電式超聲換能器8的固有頻率。(相差和頻率的關(guān)系可從圖1的相頻曲線(xiàn)上 看出)即在開(kāi)機(jī)時(shí)，F(xiàn)PGA4工作一次，使輸出的驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)頻率落在壓電式超聲換能 器8的諧振頻率附近，減少工作時(shí)的跟蹤時(shí)間。
然后進(jìn)入待工作狀態(tài)，等待外部控制器(例如單片機(jī))3發(fā)送脈沖信號(hào)，觸發(fā)FPGA4 工作。外部控制器3沒(méi)有發(fā)出脈沖控制信號(hào)時(shí)，整個(gè)電路都處于待工作狀態(tài)。FPGA4未 接收到外部控制器3的觸發(fā)信號(hào)時(shí)，沒(méi)有輸出。外部的D/A轉(zhuǎn)換電路5也不工作，壓電 式超聲換能器8處在待工作狀態(tài)。
當(dāng)外部控制器3發(fā)出脈沖信號(hào)時(shí)，采樣電路1立即將采集的電壓和電流信號(hào)輸入 到FPGA4中；同時(shí)調(diào)整電路2立即將方波信號(hào)輸入到FPGA4中。
采樣電路采集到的電壓和電流信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字化后輸入到FPGA中，用以實(shí)現(xiàn)特殊情 況下恒功率或者恒電流驅(qū)動(dòng)要求；調(diào)整電路將電壓和電流信號(hào)調(diào)整為方波信號(hào)，輸入到 FPGA中的為調(diào)整后的方波信號(hào)，用以實(shí)現(xiàn)鑒相。在FPGA4中通過(guò)PID混合頻率控制算跟 蹤輸出驅(qū)動(dòng)壓電式超聲換能器8的電壓頻率，然后由DDS對(duì)其進(jìn)行調(diào)整后輸出直到輸出 電壓的頻率和壓電式超聲換能器8的諧振頻率一致為止。PID混合頻率控制算法是由增 量式PID控制和積分分離式PID控制結(jié)合使用的控制算法。開(kāi)機(jī)時(shí)刻或者有較大的外界 干擾時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓的頻率可能會(huì)偏離壓電換能器振動(dòng)系統(tǒng)的諧振頻率較遠(yuǎn)，為了使激勵(lì) 電壓的頻率盡快的接近諧振頻率，故在增量式PID控制的基礎(chǔ)上采用積分分離式PID控 制算法，加快跟蹤速度。具體做法是當(dāng)相位差大于30個(gè)計(jì)數(shù)脈沖時(shí)采用PD控制，使 系統(tǒng)有較快的響應(yīng)；相位差小于30個(gè)脈沖時(shí)采用PID控制，可保證系統(tǒng)的精度。
從FPGA4中輸出的數(shù)字信號(hào)到達(dá)D/A轉(zhuǎn)換電路5，轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)，再通過(guò)低通 濾波器電路6濾波，功率放大電路7放大，輸出并驅(qū)動(dòng)壓電式超聲換能器8工作。
在焊接過(guò)程中不斷循環(huán)上述控制過(guò)程，在外部控制器發(fā)出脈沖信號(hào)后lms內(nèi)可以 鎖定超聲波換能器的諧振頻率，使驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率與的壓電式超聲換能器諧振頻率一 致，保持超聲波換能器在焊接過(guò)程中始終工作在諧振狀態(tài)，直到焊接結(jié)束，再次進(jìn)入待 工作狀態(tài)。
圖5a是通過(guò)多普勒測(cè)振儀測(cè)得的現(xiàn)有壓電換能器驅(qū)動(dòng)電源的振幅隨時(shí)間的變化 圖，圖5b是多普勒測(cè)振儀測(cè)得的本發(fā)明的振幅隨時(shí)間變化圖。從圖5中可以看出，本 發(fā)明基于FPGA的智能壓電式超聲換能器驅(qū)動(dòng)電源驅(qū)動(dòng)的壓電換能器振幅響應(yīng)明顯較快， 能有效提高焊接效果。并將多普勒測(cè)振儀多次采集到的數(shù)據(jù)用MATLAB仿真，得到的結(jié) 果如圖6所示。曲線(xiàn)l組為本發(fā)明的仿真結(jié)果，曲線(xiàn)2組是現(xiàn)有壓電換能器驅(qū)動(dòng)電源的 仿真結(jié)果。曲線(xiàn)1組的位移響應(yīng)速度快(小于lms)，穩(wěn)定后能到達(dá)的最大位移值較現(xiàn)有 驅(qū)動(dòng)電源的最大值大，而且多次測(cè)量的結(jié)果曲線(xiàn)比較接近，即離散程度小，說(shuō)明本發(fā)明 的驅(qū)動(dòng)電源穩(wěn)定性好。
權(quán)利要求
1.一種壓電式超聲換能器驅(qū)動(dòng)電源，其特征在于，包括主控制器、采樣電路、調(diào)整電路和驅(qū)動(dòng)電路；所述的采樣電路和調(diào)整電路從壓電式超聲換能器獲取信號(hào)，所述的采樣電路和調(diào)整電路的輸出端接所述的主控制器；所述的主控制器接收外部控制發(fā)來(lái)的信號(hào)，所述的主控制器通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路連接壓電式超聲換能器；所述的主控制器包括鑒相單元、控制單元、直接數(shù)字式頻率合成器、調(diào)幅限幅單元；所述的鑒相單元接所述采樣電路的輸出信號(hào)；所述的鑒相單元、控制單元、直接數(shù)字式頻率合成器和調(diào)幅限幅單元依次串聯(lián)后輸出信號(hào)給所述的驅(qū)動(dòng)電路。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電式超聲換能器驅(qū)動(dòng)電源，其特征在于，所述的主控制 器還包括開(kāi)機(jī)鎖定并延時(shí)單元，該開(kāi)機(jī)鎖定并延時(shí)單元接收來(lái)自外部控制的控制信號(hào)和主 控制器內(nèi)部的時(shí)鐘信號(hào)，并輸出控制信號(hào)到所述控制單元和直接數(shù)字式頻率合成器的控制 端。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電式超聲換能器驅(qū)動(dòng)電源，其特征在于，所述的驅(qū)動(dòng)電 路包括D/A轉(zhuǎn)換器、低通濾波器和功放電路；所述的D/A轉(zhuǎn)換器、低通濾波器和功放電路 依次串接。
4. 根據(jù)權(quán)要求1~3任一項(xiàng)所述的壓電式超聲換能器驅(qū)動(dòng)電源，其特征在于，所述的 主控制器采用FPGA實(shí)現(xiàn)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的壓電式超聲換能器驅(qū)動(dòng)電源，其特征在于，所述的控制器 為采用PD和PID混合控制算法的控制器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的壓電式超聲換能器驅(qū)動(dòng)電源，其特征在于，所述的PD和PID 混合控制算法為當(dāng)電流和電壓的相位差大于30個(gè)計(jì)數(shù)脈沖時(shí)釆用PD控制；當(dāng)電流和電 壓的相位差小于30個(gè)脈沖時(shí)采用PID控制。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種壓電式超聲換能器驅(qū)動(dòng)電源，包括主控制器、采樣電路、調(diào)整電路和驅(qū)動(dòng)電路；所述的采樣電路和調(diào)整電路從壓電式超聲換能器獲取信號(hào)，其輸出端接所述的主控制器；所述的主控制器接收外部控制發(fā)來(lái)的信號(hào)，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路連接壓電式超聲換能器；所述的主控制器包括鑒相單元、控制單元、直接數(shù)字式頻率合成器、調(diào)幅限幅單元；所述的鑒相單元接所述采樣電路的輸出信號(hào)；所述的鑒相單元、控制單元、直接數(shù)字式率頻合成器和調(diào)幅限幅單元依次串聯(lián)后輸出信號(hào)給所述的驅(qū)動(dòng)電路。與基于DSP和其他控制器的超聲電源相比，本發(fā)明具有鎖相速度快、精度高、輸出功率可編程調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)B23K20/10GK101372066SQ20081014332
公開(kāi)日2009年2月25日 申請(qǐng)日期2008年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月15日
發(fā)明者喬家平, 王福亮, 鄒長(zhǎng)輝 申請(qǐng)人:中南大學(xué)