一種壓電換能器頻率跟蹤方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種壓電換能器頻率跟蹤系統(tǒng)，用于對(duì)壓電換能器的頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤；所述系統(tǒng)包括雙頻信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、匹配網(wǎng)絡(luò)、電壓傳感器和電流傳感器，其中，雙頻信號(hào)發(fā)生器用于產(chǎn)生1kHz和諧振頻率的信號(hào)，兩種輸出信號(hào)由功率放大器放大后，再經(jīng)由匹配網(wǎng)絡(luò)施加于壓電換能器；電壓傳感器采集施加于壓電換能器的電壓信號(hào)，電流傳感器采集流經(jīng)壓電換能器的電流信號(hào)，前述電壓信號(hào)及電流信號(hào)均送入雙頻信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行處理。此種頻率跟蹤系統(tǒng)可在線跟蹤壓電換能器的諧振頻率。本發(fā)明還公開一種基于前述壓電換能器頻率跟蹤系統(tǒng)的頻率跟蹤方法。
【專利說(shuō)明】-種壓電換能器頻率跟蹤方法及系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于壓電換能器驅(qū)動(dòng)控制領(lǐng)域，特別涉及一種壓電換能器的頻率跟蹤方法 及頻率跟蹤系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 壓電換能器是一種利用壓電元件實(shí)現(xiàn)電能到聲能轉(zhuǎn)化的器件，它在超聲清洗、超 聲焊接、超聲加工、石油化工等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。在壓電換能器的研究與應(yīng)用中，頻率 跟蹤技術(shù)是一個(gè)重要的課題。壓電超聲換能器一般工作在機(jī)械共振頻率附近。在該頻率附 近，從其電學(xué)阻抗特性角度可W定義為6個(gè)特征頻率，分別是最大導(dǎo)納頻率fm，串聯(lián)諧振頻 率片，共振頻率fr，反共振頻率f。，并聯(lián)諧振頻率fp和最小導(dǎo)納頻率f。，每個(gè)特征頻率都有 其各自的特點(diǎn)。最新研究表明，壓電換能器在并聯(lián)諧振頻率附近的一些特性對(duì)實(shí)際的應(yīng)用 非常有意義（如自動(dòng)功率調(diào)節(jié)特性等）。但是換能器的并聯(lián)諧振頻率是時(shí)變的，它會(huì)隨著環(huán) 境溫度、工作電壓W及負(fù)載等變化而變化，因此為了保證換能器一直工作在其并聯(lián)諧振頻 率點(diǎn)上，必須對(duì)其進(jìn)行頻率跟蹤。
[0003] 到目前為止，頻率跟蹤方法種類繁多，按照獲得反饋信號(hào)的方法大體上可分為聲 反饋系統(tǒng)和電反饋系統(tǒng)。在聲反饋系統(tǒng)中，是通過(guò)直接獲取換能器振動(dòng)系統(tǒng)輸出的機(jī)械振 動(dòng)信號(hào)，來(lái)組成頻率跟蹤系統(tǒng)的。在電反饋系統(tǒng)中，利用輸入換能器的電信號(hào)與換能器的振 動(dòng)速度或位移相關(guān)的原理，通過(guò)拾取此電信號(hào)，組成自動(dòng)頻率跟蹤系統(tǒng)。
[0004] 在電反饋系統(tǒng)中，從換能器的電端可W對(duì)其兩端的電壓和流過(guò)的電流分別采樣， 采樣信號(hào)中既含有電壓和電流的幅度信息，也含有相位信息。利用該些信息，可W構(gòu)成多種 頻率跟蹤方案，為換能器設(shè)定不同的工作狀態(tài)。常用的方案有；(a)電流方案。該種方案采 用電流信號(hào)，將換能器設(shè)定在電流特定區(qū)域（如最大值）的工作狀態(tài)?；┕β史桨?。該種 方案同時(shí)采用電流信號(hào)和電壓信號(hào)，將二者相乘得到換能器的電功率信號(hào)，換能器被設(shè)定 在電功率最大的工作狀態(tài)。（C)阻抗或?qū)Ъ{方案。根據(jù)換能器導(dǎo)納變化的特點(diǎn)，設(shè)定某種工 作狀態(tài)。（d)相位方案。此方案也是同時(shí)采用電流信號(hào)和電壓信號(hào)，不過(guò)是利用二者的相位 信息來(lái)設(shè)定換能器的工作狀態(tài)。
[0005] 前H種方案中，跟蹤的實(shí)際上是最大（小）導(dǎo)納頻率，它與并聯(lián)諧振頻率是有所差 別的。同時(shí)，由于并聯(lián)諧振頻率時(shí)的阻抗是變化的，導(dǎo)致電流峰值跟蹤、阻抗大小跟蹤W及 功率峰值跟蹤都比較困難。第四種方案是目前應(yīng)用較多的方案。通過(guò)串聯(lián)一個(gè)電感來(lái)補(bǔ)償 壓電換能器的夾持電容，當(dāng)壓電換能器工作于并聯(lián)諧振頻率時(shí)，系統(tǒng)對(duì)外呈現(xiàn)阻性，通過(guò)跟 蹤此相位差來(lái)跟蹤并聯(lián)諧振頻率。但由于壓電換能器的夾持電容是時(shí)變的，它會(huì)隨著溫度、 工作電壓和負(fù)載的變化而變化，使用固定電感無(wú)法做到對(duì)該電容的實(shí)時(shí)補(bǔ)償，因此跟蹤到 的系統(tǒng)阻抗為阻性的頻率，而并不是壓電換能器的并聯(lián)諧振頻率。
[0006] 壓電換能器的串聯(lián)諧振頻率跟蹤也存在著類似的問(wèn)題，在此不再費(fèi)述。
[0007] 對(duì)于具有高品質(zhì)因數(shù)的壓電換能器而言，工作頻率即使偏離其并聯(lián)諧振頻率/串 聯(lián)諧振頻率稍許，換能器的工作效果也會(huì)大打折扣。
[0008] 根據(jù)W上分析，現(xiàn)有的頻率跟蹤技術(shù)存在著種種不足，有待改進(jìn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的，在于提供一種壓電換能器頻率跟蹤方法及系統(tǒng)，其可在線跟蹤壓 電換能器的諧振頻率。
[0010] 為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明的解決方案是：
[0011] 一種壓電換能器頻率跟蹤系統(tǒng)，用于對(duì)壓電換能器的頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤；所述系 統(tǒng)包括雙頻信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、匹配網(wǎng)絡(luò)、電壓傳感器和電流傳感器，其中，雙頻信號(hào) 發(fā)生器用于產(chǎn)生1曲Z和諧振頻率的信號(hào)，兩種輸出信號(hào)由功率放大器放大后，再經(jīng)由匹配 網(wǎng)絡(luò)施加于壓電換能器；電壓傳感器采集施加于壓電換能器的電壓信號(hào)，電流傳感器采集 流經(jīng)壓電換能器的電流信號(hào)，前述電壓信號(hào)及電流信號(hào)均送入雙頻信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行處理。
[0012] 上述雙頻信號(hào)發(fā)生器包括兩個(gè)PWM模塊、一個(gè)與口和一個(gè)非口，兩個(gè)PWM模塊分別 用于產(chǎn)生IkHz和諧振頻率的方波信號(hào)，其輸出端分別連接與口的兩個(gè)輸入端，與口的輸出 端作為雙頻信號(hào)發(fā)生器的一個(gè)輸出端，同時(shí)與口的輸出端連接非口的輸入端，而非口的輸 出端作為雙頻信號(hào)發(fā)生器的另一個(gè)輸出端。
[0013] 上述功率放大器采用變壓器功率放大電路、放大器功率放大電路或橋式電路。
[0014] 上述電壓傳感器采用霍爾電壓傳感器。
[0015] 上述電流傳感器采用霍爾電流傳感器。
[0016] 一種基于前述壓電換能器頻率跟蹤系統(tǒng)的頻率跟蹤方法，包括如下步驟：
[0017] (1)雙頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率為1曲Z的信號(hào)，測(cè)量壓電換能器的夾持電容；
[0018] (2)雙頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生工作頻率的信號(hào)，測(cè)量施加于壓電換能器的電壓和流經(jīng) 壓電換能器的電流，計(jì)算得到該壓電換能器的等效電路的支路阻抗，調(diào)整工作頻率使該支 路阻抗虛部為零，此時(shí)的工作頻率即為該壓電換能器的諧振頻率。
[0019] 上述步驟（1)中，壓電換能器的夾持電容的測(cè)量方法是；對(duì)壓電換能器施加頻率 為IkHz的信號(hào)，測(cè)量壓電換能器上施加的電壓和流經(jīng)壓電換能器的電流，并根據(jù)W下公式 計(jì)算得到夾持電容C。：

【權(quán)利要求】
1. 一種壓電換能器頻率跟蹤系統(tǒng)，用于對(duì)壓電換能器的頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤；其特征在 于：所述系統(tǒng)包括雙頻信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、匹配網(wǎng)絡(luò)、電壓傳感器和電流傳感器，其 中，雙頻信號(hào)發(fā)生器用于產(chǎn)生IkHz和諧振頻率的信號(hào)，兩種輸出信號(hào)由功率放大器放大 后，再經(jīng)由匹配網(wǎng)絡(luò)施加于壓電換能器；電壓傳感器采集施加于壓電換能器的電壓信號(hào)，電 流傳感器采集流經(jīng)壓電換能器的電流信號(hào)，前述電壓信號(hào)及電流信號(hào)均送入雙頻信號(hào)發(fā)生 器進(jìn)行處理。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種壓電換能器頻率跟蹤系統(tǒng)，其特征在于：所述雙頻信號(hào)發(fā) 生器包括兩個(gè)PWM模塊、一個(gè)與口和一個(gè)非口，兩個(gè)PWM模塊分別用于產(chǎn)生1曲Z和諧振頻 率的方波信號(hào)，其輸出端分別連接與口的兩個(gè)輸入端，與口的輸出端作為雙頻信號(hào)發(fā)生器 的一個(gè)輸出端，同時(shí)與口的輸出端連接非口的輸入端，而非口的輸出端作為雙頻信號(hào)發(fā)生 器的另一個(gè)輸出端。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種壓電換能器頻率跟蹤系統(tǒng)，其特征在于：所述功率放大器 采用變壓器功率放大電路、放大器功率放大電路或橋式電路。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種壓電換能器頻率跟蹤系統(tǒng)，其特征在于：所述電壓傳感器 采用霍爾電壓傳感器。
5. 如權(quán)利要求1所述的一種壓電換能器頻率跟蹤系統(tǒng)，其特征在于：所述電流傳感器 采用霍爾電流傳感器。
6. 基于如權(quán)利要求1所述一種壓電換能器頻率跟蹤系統(tǒng)的頻率跟蹤方法，其特征在于 包括如下步驟： (1) 雙頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率為IkHz的信號(hào)，測(cè)量壓電換能器的夾持電容； (2) 雙頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生工作頻率的信號(hào)，測(cè)量施加于壓電換能器的電壓和流經(jīng)壓電 換能器的電流，計(jì)算得到該壓電換能器的等效電路的支路阻抗，調(diào)整工作頻率使該支路阻 抗虛部為零，此時(shí)的工作頻率即為該壓電換能器的諧振頻率。
7. 如權(quán)利要求6所述的一種壓電換能器頻率跟蹤方法，其特征在于：所述步驟（1)中， 壓電換能器的夾持電容的測(cè)量方法是；對(duì)壓電換能器施加頻率為1曲Z的信號(hào)，測(cè)量壓電換 能器上施加的電壓和流經(jīng)壓電換能器的電流，并根據(jù)W下公式計(jì)算得到夾持電容C。： C - J。 O 2000成'" 其中，U。表示壓電換能器上施加的電壓有效值，I。表示流經(jīng)壓電換能器的電流有效值。
8. 如權(quán)利要求6或7所述的一種壓電換能器頻率跟蹤方法，其特征在于：所述步驟（2) 中，測(cè)量壓電換能器的并聯(lián)諧振頻率的具體內(nèi)容是： (21a)獲取該壓電換能器的并聯(lián)等效電路圖，包括夾持電容、并聯(lián)等效電容、并聯(lián)等效 電感和并聯(lián)等效電阻，所述并聯(lián)等效電容、并聯(lián)等效電感和并聯(lián)等效電阻相互并聯(lián)后，再與 夾持電容串聯(lián)； (22a)雙頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生工作頻率為的高壓信號(hào)，該信號(hào)施加于壓電換能器，測(cè) 量此時(shí)壓電換能器上施加的電壓和流經(jīng)壓電換能器的電流，通過(guò)下式計(jì)算得到總阻抗Z : Z牛ZA 其中，u#表示工作頻率為CO #時(shí)壓電換能器上施加的電壓有效值，I#表示工作頻率為 時(shí)流經(jīng)壓電換能器的電流有效值，4 #表示此時(shí)電壓和電流之間的相位差； 并計(jì)算支路阻抗; ./Wii L 0 (23a)調(diào)整步驟（22a)中的工作頻率《#，直至計(jì)算得到的支路阻抗虛部為零，此時(shí)的 工作頻率即確定為該壓電換能器的并聯(lián)諧振頻率。
9.如權(quán)利要求6或7所述的一種壓電換能器頻率跟蹤方法，其特征在于：所述步驟（2) 中，測(cè)量壓電換能器的串聯(lián)諧振頻率的具體內(nèi)容是： (21b)獲取該壓電換能器的串聯(lián)等效電路圖，包括夾持電容、串聯(lián)等效電容、串聯(lián)等效 電感和串聯(lián)等效電阻，所述串聯(lián)等效電容、串聯(lián)等效電感和串聯(lián)等效電阻相互串聯(lián)后，再與 夾持電容并聯(lián)； (22b)雙頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生工作頻率為《 ^的高壓信號(hào)，該信號(hào)施加于壓電換能器，測(cè) 量此時(shí)施加的電壓和流經(jīng)壓電換能器的電流，通過(guò)下式計(jì)算得到總導(dǎo)納Y : 其中，U￠表示工作頻率為《 ^時(shí)壓電換能器上施加的電壓有效值，I ^表示工作頻率為 時(shí)流經(jīng)壓電換能器的電流有效值，4 $表示此時(shí)電壓和電流之間的相位差； 并計(jì)算支路阻抗^胃; (23b)調(diào)整步驟（2化）中的工作頻率《 g，直至計(jì)算得到的支路阻抗虛部為零，此時(shí)的 工作頻率即確定為該壓電換能器的串聯(lián)諧振頻率。
【文檔編號(hào)】B06B1/06GK104259081SQ201410370693
【公開日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年7月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月30日
【發(fā)明者】李華峰, 范偉 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)