恒波牌超声波发生器自动频率跟踪原理

                                                                                                                                                                                                                            恒波超声波科研团队

随着现代科学技术飞速发展 功率超声技术凭其独特的优点在国民经济中得到日益广泛应用。超声技术在超声波清洗、超声波加工、超声波焊接以及超声波电机等方面能充分发挥其优势。功率超声系统主要由高频超声波发生器和超声换能器两部分组成超声波发生器是超声设备的重要组成部分，担负着向超声换能器提供超声频电能的任务。为了使换能器高效率地工作不但要求发生器提供的电能有足够的功率，而且要求其频率与换能器的谐振频率一致。而换能器谐振频率会由于温度、湿度以及换能器自身的磨损等原因发生改变，若超声电源发出的频率不能随之变化，保持与之一致的状态，会导致工作效率降低， 再继续发展的话可能造成换能器本身的破坏。因此找出可以完成超声电源对换能器频率的自动跟踪的自动控制系统，能够快速、准确地寻找新的谐振频率实现频率自动跟踪就变得尤为必要。

一、频率自动跟踪原理

在实际超声加工中 随着外界温度、材料刚度、负载等工况的变化会引起系统参数的变化，使得最大效率输出的超声系统的谐振频率发生漂移，从而导致换能器的谐振频率发生变化。这种变化可能会使换能器工作面的振动幅度减小，加工效率下降所以必须实时地对换能器的谐振频率进行跟踪。若用手工方式调整频率效率低下，并不适应目前自动化生产的需要因此 就需要发生器具有自动调节频率的性能，即通常所说的频率自动跟踪。频率跟踪技术其实就是利用反馈原理及技术，自动调节发生器的振荡频率 ,使其随着换能器谐振频率的变化而改变， 以保持换能器能始终工作在某种设定状态下。

频率自动跟踪实现方式主要有声反馈和电反馈两大类声反馈是从换能器上采集谐振频率的电讯号， 然后反馈至前级放大器形成自激振荡器，主要应用于超声电机的频率跟踪上需要在负载端进行机械连接将换能器的机械振动转换为电信号后送到发生器的输入端，这种反馈电路虽简单，但要进行负载端的机械连接较费事，效果也不够理想， 故应用较少。目前随着元器件及控制技术的发展，电反馈方式已经占据主导地位，包括以差动变量桥式电路为代表的自激振荡方式， 以及电流反馈式跟踪、功率反馈式跟踪及锁相式跟踪电路等它激式自激振荡方式不同的频率跟踪方案所设定的换能器的工作状态是不同的，究竟采用哪一种方案需根据实际情况来确定。

二、实现频率自动跟踪所选取的方案

在电反馈系统中，根据对换能器两端的电压和电流采样信号中所包含幅度和相位信息的不同，可以构成多种频率跟踪方案，常用的有以下几种：

1、电流方案

根据换能器谐振时谐振阻抗最小，回路电流最大的原理，改变超声电源的频率将换能器设定在电流最大时的工作状态。

2、功率方案

根据换能器谐振时电功率最大，反射功率最小的原理，将换能器两端采样得到的电压和电流信号相乘，得到最大功率信号，搜索出最大功率点，即为谐振频率点

    3、相位方案。

利用锁相环技术 将换能器两端采样得到电压和电流信号，送入到鉴相器，使其输出信号控制压控振荡器的振动频率，使换能器工作于电压与电流同相状态。

三、典型的频率跟踪电路

以下是几种常见的频率跟踪电路：

1、差动变量桥式电路

差动变量器桥式自动频率跟踪电路是依靠电桥的平衡机理来对换能器电学臂的无功和有功分量进行弥补；利用从换能器提取的电压和换能器的振动电流成比例的原理，再使换能器能够在共振频率上工作。在这里换能器既是自振系统的负载，又是振荡器的选频元件。

差动变量桥式电路对压电换能器电学臂进行补偿，使电反馈信号取决于机械臂， 从而能够在机械谐振频率上始终保持自激振荡，达到频率的自动跟踪， 工作原理如图1所示。

图1 差动变量桥式电路

图中虚线框中的C0、R1、C1、L1是换能器的等效参数，C1、L1、R1所在支路即为串联谐振支路。U0 是激励信号，U1是提取的电信号，TF是电流互感器（实际上是一次侧具有两个对称线圈的互感器），W1和W2是两个对称线圈C是补偿电容。当C、W1、W2、C0组成的桥式电路平衡时C：W1=C0：W2   , 即电容C上流过的电流I0和电容C0上流过的电流I0,在TF中的磁通将相互抵消，只有C1上流过的电流I1,才会在W1中激发出感应电流。通过线圈时产生的磁通将激励产生电压U1并反馈回发生器输入端即U1只与机械臂电路有关。当串联支路谐振时I1最大，U1 才最大,并且满足相位条件能够与激励电源构成回路产生自激振荡。

根据上述原理我们也可以用运算放大器的差动放大电路来完成TF的耦合作用 将输入部分以差值形式显示出来，以达到补偿的目的。当U0等于串联谐振频率时电流I1最大 此时反馈信号最强，且于U0 同相位 满足振荡条件构建成一个自激振荡回路，自激振荡频率随机械谐振点同步变化, 实现频率自动跟踪。

2、电流反馈频率跟踪电路

超声发生器驱动电流大小及变化趋势，与振动系统工作状态密切相关。谐振状态下 换能器阻抗最小回路电流最大振幅大小近似正比于电流大小。因此搜索到电流最大值，便可使换能器工作在最佳状态达到频率跟踪的目的。

电流反馈频率跟踪系统的核心是检测控制换能器电流大小 主要是根据具体情况通过单片机来改变发生器的工作频率控制换能器电流处于最大值工作原理如图2所示。

图2 电流反馈频率跟踪电路

安装于主电路的电流传感器检测超声换能器的工作电流，经A/D转换输入给单片机。单片机将瞬时电流值与上次检测的电流值比较、判断后改变PWM输出的占空比从而改变脉冲发生器的输出频率，通过驱动电路传给桥式逆变电路，实现换能器工作频率的调整。

在采用电流反馈式频率跟踪电路时要注意存在如何正确搜索谐振频率的问题因为匹配网络采用串联方式 故在串联谐振频率的低频点和高频点处可能会出现两个电流峰值，可能导致误跟踪到高频点。另外还需重视搜索电流最大值的方法和算法问题 要求脉冲发生器能快速、准确地跟踪系统固有频率的缓慢漂移和瞬时变化因此需要充分考虑如改变步长等算法搜索电流最大值 加快频率跟踪速度。

3、最大功率检测法频率跟踪电路

超声换能器处于谐振状态时，输出的声功率最大，此时加在振动系统上的电功率也是最大。而当振动系统的激励信号的频率偏离振动系统的谐振频率时，即失谐时输出功率明显地减小，此时若能检测出加在振动系统上的电功率，并以此来控制振荡器频率，使它始终维持在最大输出功率状态，这样就可以实现频率跟踪原理框图如图3所示。

图3 最大功率检测頻率跟踪电路

4、锁相环频率跟踪电路

当压电换能器处于谐振状态时 加在其两端的电信号与流过其中的电压信号是同相的，而当换能器工作于失谐状态 激励信号的频率偏离换能器的谐振频率时其两端的电信号与流过的电流信号不再同相位。这时将换能器两端采样得到电压和电流信号，送入到鉴相器，由鉴相器比较输入信号与输出信号之间的相位差，产生误差信号，经低通滤波器形成控制信号，朝着减小相位差的方向改变压控振荡器的频率，使之与输入信号频率相同，让换能器工作于电压与电流同相状态，这就是锁相环频率跟踪电路工作的理论依据其电路原理图如图4所示。

图4 锁相环频率自动跟踪电路

锁相环频率自动跟踪电路有以下几个优点：

1、换能器不直接包括在反馈网络之内 避免了因换能器不对称造成电路中各元件参数的严格选择和复杂调试。

2、频率自动跟踪系统的控制信号与换能器振动系统的电压、电流波形的好坏关系不大。这样就能保证这种系统能够应用于大功率超声设备实现大功率超声设备的自动跟踪。

3、输出功率相对较稳定 不会因负载的变化而产生显著的变化。

随着电子元器件技术的发展，锁相环功能的电路已经集成化 其典型产品有通用性较强的NE565,低功耗COMS型4046等所以锁相式频率自动跟踪电路的设计会更方便、可靠。

在实际应用中发现 随着负载突然变化或换能器的温度缓慢变化 换能器的谐振频率变化也呈瞬时或缓慢的形式故对于不同的变化形式，可以采用不同的频率跟踪方法。如对于瞬时频率跟踪采用锁相跟踪方式效果较好，而对于换能器因温度及性能一致性差等原因引起的的谐振频率漂移用电流反馈来跟踪则更合适如果采用两者相结合的办法可以解决锁相跟踪易失锁和电流反馈式响应速度慢的缺点。由此可见复合式跟踪法综合了各种频率跟踪方法的优点且弥补了各自的缺点，使得频率跟踪更加可靠。