CN101372066A - 压电式超声换能器驱动电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电式超声换能器驱动电源，包括主控制器、采样电路、调整电路和驱动电路；所述的采样电路和调整电路从压电式超声换能器获取信号，其输出端接所述的主控制器；所述的主控制器接收外部控制发来的信号，并通过驱动电路连接压电式超声换能器；所述的主控制器包括鉴相单元、控制单元、直接数字式频率合成器、调幅限幅单元；所述的鉴相单元接所述采样电路的输出信号；所述的鉴相单元、控制单元、直接数字式率频合成器和调幅限幅单元依次串联后输出信号给所述的驱动电路。与基于DSP和其他控制器的超声电源相比，本发明具有锁相速度快、精度高、输出功率可编程调节等优点。

Description

压电式超声换能器驱动电源

技术领域

本发明属于电子技术领域，涉及一种压电式超声换能器驱动电源。

背景技术

压电式超声换能器及其驱动电源是热超声键合设备的核心部件。压电式超声换能器包括压电换能器、变幅杆以及键合工具等。其中，压电换能器通过电致伸缩效应将超声频率电信号转换为同频率的机械振动，机械振动通过变幅杆传递到键合工具上，使键合工具产生一定振幅的振动。超声频率的振动促使两金属之间形成洁净面并且相互扩散而焊接在一起。

在热超声键合设备中，压电式超声换能器振幅输出直接影响着焊线质量，要保证压电式超声换能器正常工作就必须使其工作在谐振状态，即激励电信号的频率与压电式超声换能器固有频率相同，但在焊接过程中，由于键合界面状态的改变、界面连接阻尼和刚度的改变、扰动、磨损、老化等各种原因，压电式超声换能器的谐振频率是不断变化的，如果超声电源的动态特性差，激励频率不能及时准确随之改变，压电式超声换能器将工作在失谐状态而使输出振幅降低，从而降低键合效率和键合质量。因此需要提高现有超声电源的动态特性，实现超声频率在大范围内的实时跟踪，以提高热超声键合的质量，提高键合可靠性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种压电式超声换能器驱动电源，可在负载与环境因素变化的情况下迅速使驱动电源的输出频率实时跟踪变化中的压电式超声换能器的固有频率，确保压电式超声换能器始终工作在谐振状态下，并具有最大的输出振幅，以提高焊线效率，保证焊线质量。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种压电式超声换能器驱动电源，其特征在于，包括主控制器、采样电路、调整电路和驱动电路；所述的采样电路和调整电路从压电式超声换能器获取信号，所述的采样电路和调整电路的输出端接所述的主控制器；所述的主控制器接收外部控制发来的信号，所述的主控制器通过驱动电路连接压电式超声换能器；

所述的主控制器包括鉴相单元、控制单元、直接数字式频率合成器、调幅限幅单元；所述的鉴相单元接所述采样电路的输出信号；所述的鉴相单元、控制单元、直接数字式频率合成器和调幅限幅单元依次串联后输出信号给所述的驱动电路。

所述的主控制器还包括开机锁定并延时单元，该开机锁定并延时单元接收来自外部控制的控制信号和主控制器内部的时钟信号，并输出控制信号到所述控制单元和直接数字式频率合成器的控制端。

所述的驱动电路包括D/A转换器、低通滤波器和功放电路；所述的D/A转换器、低通滤波器和功放电路依次串接。

所述的主控制器采用FPGA实现。

所述的控制器为采用PD和PID混合控制算法的控制器。

所述的PD和PID混合控制算法为：当电流和电压的相位差大于30个计数脉冲时采用PD控制；当电流和电压的相位差小于30个脉冲时采用PID控制。

当压电式超声换能器工作在谐振状态时，电压和电流的相位差为零，图1为压电式超声换能器的相频关系曲线，曲线在X轴上有两个过零点，第一个过零点即为谐振点，此时电压和电流的相位差为零；第二个过零点为反谐振点。本发明主要依据这种特征实现频率跟踪。采用FPGA控制的目的就是使电压和电流的相位差保持为零，换能器工作在谐振点处，同时在特殊工作条件下实现恒功率驱动和恒电流驱动，以及通过FPGA内部的ROM存储器存储一系列的二进制数，通过查表的方式从存储器中取出二进制数，再和经过调整后的电压信号一起输入乘法器，调整电压信号的幅值从而实现输出功率随时间任意连续变化；通过同样的方式输出经过削峰的波形，削峰的幅度也可实现随时间任意连续变化。基于FPGA的智能压电式超声驱动电源可以应用于不同频率和不同工作条件下的超声波换能器上，使超声波换能器保持在良好的状态下工作，可广泛应用于各种热超声键合设备中。

本发明的有益效果有：

超声波换能器在焊接过程中，由于焊盘表面质量不同，因此谐振频率也随之改变，在FPGA中使用的混合频率控制算法既保证了频率跟踪的速度，又保证了频率跟踪的准确性，可以实时跟踪到换能器在各种扰动情况下的谐振频率变化，而且速度快(启动到稳定跟踪小于1ms)，精度高(误差小于1Hz)，跟踪范围宽(大于10KHz)，稳定性好；同时，本发明可用于各种频率小于200KHz的换能器，因此适应性好。

本发明使用的FPGA有很高的时钟频率，可保证高速鉴相和高效频率反馈。

与基于DSP和其他控制器的超声电源相比，本发明具有锁相速度快(小于1ms)、精度高(误差小于1Hz)、输出功率可编程调节等优点。

综上所述，本发明巧妙地用各种模块构成一个带有反馈的自动控制系统，可以有效的跟踪谐振频率的变化，输出精确的控制量给功放电路驱动换能器，也就是说，本发明充分综合了FPGA技术和自动控制技术，从而实现了超声波换能器的高性能。

附图说明

图1为压电式超声换能器相频关系曲线；

图2为本发明总体结构框图；

图3为本发明FPGA模块的内部结构框图；

图4为本发明的调整电路的结构框图；

图5通过多普勒测振仪得到的实测曲线(a)针对现有的压电换能器驱动电源的振幅随时间的变化图；(b)针对本发明的压电换能器驱动电源的振幅随时间的变化图；

图6为根据实测数据的仿真结果图。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例作进一步详细说明。

实施例1：

如图2～4所示，压电式超声换能器驱动电源由采样电路1、调整电路2、外部控制器电路3、基于FPGA的处理器电路4、D/A转换电路5、低通滤波器6、功率放大电路7等组成。

外部控制器电路(例如单片机)向FPGA发出脉冲控制信号，FPGA接收到脉冲信号后开始工作；

如图3所示，FPGA集成有鉴相、锁相、DDS功能和PID频率跟踪算法(实现该算法的单元为图3中的控制单元)，DDS即直接数字式频率合成器，首先装载并寄存输入的频率控制字；通过内部相位累加器将频率控制字在每个时钟周期内进行相位累加，得到一个相位值；最后对该相位值计算数字化正弦波幅度。对输入的相差信号、驱动电压/电流/功率/阻抗信号，并跟踪换能器固有频率的变化，输出与之一致的简谐振荡信号驱动换能器。整个过程的启停由外部控制器控制.

从DDS模块直接输出的驱动电压信号可以驱动超声换能器，在特殊要求情况下驱动电压信号的幅值需要调整，因此从DDS输出的电压信号要先经过调幅限幅模块再输出到超声换能器。

D/A转换电路(高速D/A转换电路)，将FPGA输出的数字信号转换为模拟信号；

低通滤波器，对其D/A转换电路输出的模拟信号进行滤波平滑；

功率放大电路，对经滤波后的模拟信号进行功率放大，并输出到压电式超声换能器，驱动压电式超声换能器工作；

混合频率控制算法，在FPGA中根据输入的调整电路信号通过混合频率控制算法确定输出信号的频率，使输出的驱动电压信号频率和压电式超声换能器的谐振频率一致。

基于FPGA的智能超声电源应用方法，其特征在于：由调整电路实时检测超声波换能器的电压和电流信号，转换为方波信号，并将其输入到FPGA中，目的是鉴相；同时采样电路采集到的电压和电流信号直接输入到FPGA中，目的是实现恒功率驱动。FPGA是一种高速的处理器芯片，内部通过软件控制各种逻辑单元形成所需要的各种功能模块，上电时各种模块并行工作。可以通过改变FPGA内部的逻辑电路实现驱动功率随时间任意连续变化，输出削峰波形，削峰幅度随时间可任意连续变化。FPGA中由硬件实现的混合频率控制算法对驱动压电式超声换能器的电压信号频率和幅值进行实时修正和补偿，输出与压电式超声换能器固有频率一致的数字离散简谐波形信号给D/A转换器，经低通滤波器、功率放大器后驱动压电式超声换能器，可大幅度提高压电式超声换能器的工作性能。

本发明的工作流程为：

上电后，首先调整电路2对压电式超声换能器8的驱动电压和电流进行一次检测，把检测到的电压和电流信号通过比较器转换为方波信号，输入到FPGA4中，FPGA4据此自动检测压电式超声换能器8的固有频率。(相差和频率的关系可从图1的相频曲线上看出)即在开机时，FPGA4工作一次，使输出的驱动电压信号频率落在压电式超声换能器8的谐振频率附近，减少工作时的跟踪时间。

然后进入待工作状态，等待外部控制器(例如单片机)3发送脉冲信号，触发FPGA4工作。外部控制器3没有发出脉冲控制信号时，整个电路都处于待工作状态。FPGA4未接收到外部控制器3的触发信号时，没有输出。外部的D/A转换电路5也不工作，压电式超声换能器8处在待工作状态。

当外部控制器3发出脉冲信号时，采样电路1立即将采集的电压和电流信号输入到FPGA4中；同时调整电路2立即将方波信号输入到FPGA4中。

采样电路采集到的电压和电流信号经过数字化后输入到FPGA中，用以实现特殊情况下恒功率或者恒电流驱动要求；调整电路将电压和电流信号调整为方波信号，输入到FPGA中的为调整后的方波信号，用以实现鉴相。在FPGA4中通过PID混合频率控制算跟踪输出驱动压电式超声换能器8的电压频率，然后由DDS对其进行调整后输出直到输出电压的频率和压电式超声换能器8的谐振频率一致为止。PID混合频率控制算法是由增量式PID控制和积分分离式PID控制结合使用的控制算法。开机时刻或者有较大的外界干扰时，驱动电压的频率可能会偏离压电换能器振动系统的谐振频率较远，为了使激励电压的频率尽快的接近谐振频率，故在增量式PID控制的基础上采用积分分离式PID控制算法，加快跟踪速度。具体做法是：当相位差大于30个计数脉冲时采用PD控制，使系统有较快的响应；相位差小于30个脉冲时采用PID控制，可保证系统的精度。

从FPGA4中输出的数字信号到达D/A转换电路5，转换为模拟电信号，再通过低通滤波器电路6滤波，功率放大电路7放大，输出并驱动压电式超声换能器8工作。

在焊接过程中不断循环上述控制过程，在外部控制器发出脉冲信号后1ms内可以锁定超声波换能器的谐振频率，使驱动信号的频率与的压电式超声换能器谐振频率一致，保持超声波换能器在焊接过程中始终工作在谐振状态，直到焊接结束，再次进入待工作状态。

图5a是通过多普勒测振仪测得的现有压电换能器驱动电源的振幅随时间的变化图，图5b是多普勒测振仪测得的本发明的振幅随时间变化图。从图5中可以看出，本发明基于FPGA的智能压电式超声换能器驱动电源驱动的压电换能器振幅响应明显较快，能有效提高焊接效果。并将多普勒测振仪多次采集到的数据用MATLAB仿真，得到的结果如图6所示。曲线1组为本发明的仿真结果，曲线2组是现有压电换能器驱动电源的仿真结果。曲线1组的位移响应速度快(小于1ms)，稳定后能到达的最大位移值较现有驱动电源的最大值大，而且多次测量的结果曲线比较接近，即离散程度小，说明本发明的驱动电源稳定性好。

Claims (6)

1.一种压电式超声换能器驱动电源，其特征在于，包括主控制器、采样电路、调整电路和驱动电路；所述的采样电路和调整电路从压电式超声换能器获取信号，所述的采样电路和调整电路的输出端接所述的主控制器；所述的主控制器接收外部控制发来的信号，所述的主控制器通过驱动电路连接压电式超声换能器；

所述的主控制器包括鉴相单元、控制单元、直接数字式频率合成器、调幅限幅单元；所述的鉴相单元接所述采样电路的输出信号；所述的鉴相单元、控制单元、直接数字式频率合成器和调幅限幅单元依次串联后输出信号给所述的驱动电路。

2.根据权利要求1所述的压电式超声换能器驱动电源，其特征在于，所述的主控制器还包括开机锁定并延时单元，该开机锁定并延时单元接收来自外部控制的控制信号和主控制器内部的时钟信号，并输出控制信号到所述控制单元和直接数字式频率合成器的控制端。

3.根据权利要求1所述的压电式超声换能器驱动电源，其特征在于，所述的驱动电路包括D/A转换器、低通滤波器和功放电路；所述的D/A转换器、低通滤波器和功放电路依次串接。

4.根据权要求1～3任一项所述的压电式超声换能器驱动电源，其特征在于，所述的主控制器采用FPGA实现。

5.根据权利要求4所述的压电式超声换能器驱动电源，其特征在于，所述的控制器为采用PD和PID混合控制算法的控制器。

6.根据权利要求5所述的压电式超声换能器驱动电源，其特征在于，所述的PD和PID混合控制算法为：当电流和电压的相位差大于30个计数脉冲时采用PD控制；当电流和电压的相位差小于30个脉冲时采用PID控制。

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