CN103567134B - 超声电源的匹配装置及其匹配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声电源的匹配装置及其匹配方法，超声电源的匹配装置包括超声信号发生器、驱动隔离电路、超声功率放大电路、匹配变压器、调谐电感、超声波换能器、电压采样电路、电流采样电路、滤波整形电路、鉴相器、A/D转换器、单片机和步进电机；其中，匹配变压器的输出端与调谐电感相连接；调谐电感的输出端与超声波换能器相连接；电压采样电路用于采集由调谐电感和超声波换能器组成的单元两端的实时工作电压信号，并将其传递至鉴相器。本发明具有静态阻抗匹配和动态调谐匹配，能够通过超声波换能器的工作电压和工作电流的相位差来追踪调整匹配电感值，保证超声波换能器始终工作在谐振点，实现超声波换能器的最大有用功率输出，并且其调整反应速度快，精度高。

Description

超声电源的匹配装置及其匹配方法

技术领域

本发明涉及一种超声电源的匹配装置及其匹配方法，属于功率超声系统技术领域。

背景技术

目前，由于发热、老化、负载变化等因素影响，换能器的谐振频率会偏离固有频率，致使功放的输出功率不能全部送到换能器上，信号会产生失真，甚至也会造成电路元器件损坏。传统的静态匹配具有不能随时保持串联支路谐振和手动方式调整频率效率低下等问题。

由于匹配电路是许多功率超声系统运用中用来解决上述问题的重要一环，功率超声系统与它们的驱动电源之间的匹配包括两个方面：一是阻抗变换，一般由变压器实现；二是调谐滤波，一般由L、C电路实现。目前，实现调谐滤波的匹配方法主要包括静态匹配和动态匹配两种，静态匹配是在驱动电源输出频率与功率超声系统静态谐振频率相同的条件下，驱动电源输出阻抗与功率超声系统输入阻抗的匹配，它适用于要求功率超声系统的工作频率固定的应用场合，但功率超声系统在长时间工作后，可能由于温度升高等条件变化会引起其输入阻抗及谐振频率的变化，这样会引起静态匹配效果会变差，导致调谐滤波匹配效果不佳；动态匹配一般使用频率跟踪技术，实时跟踪系统谐振频率的变化，保证电路匹配，提高系统的效率，但输出频率不固定，可以克服静态匹配中由于温度升高等条件变化造成的影响，但是目前的动态匹配技术存在以下缺点：在动态匹配现有技术中，用于超声波电源中电压、电流信号的采样主要是采用电流互感器通过导线依次连接通带滤波电路、比较整形电路；光耦电压取样电路通过导线依次连接带通滤波电路、比较整形电路，该种电路结构复杂，电路成本较高，不易于投入商业化生产，并且在面对大功率超声系统时会对其可靠性和安全性带来一定的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种超声电源的匹配装置，它具有静态阻抗匹配和动态调谐匹配，能够通过超声波换能器的工作电压和工作电流的相位差来追踪调整匹配电感值，保证超声波换能器始终工作在谐振点，实现超声波换能器的最大有用功率输出，并且其调整反应速度快，精度高。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种超声电源的匹配装置，它包括超声信号发生器、驱动隔离电路、超声功率放大电路、匹配变压器、调谐电感、超声波换能器、电压采样电路、电流采样电路、滤波整形电路、鉴相器、A/D转换器、单片机和步进电机；其中，

超声信号发生器，其输出端与驱动隔离电路相连接，用于产生超声驱动信号；

驱动隔离电路，其输出端与超声功率放大电路相连接，用于接收超声驱动信号并驱动超声功率放大电路正常工作；

超声功率放大电路，其输出端与匹配变压器相连接；

匹配变压器，其输出端与调谐电感相连接，用于变换超声波换能器的阻抗，使其与信源阻抗相匹配；

调谐电感，其输出端与超声波换能器相连接，用于对超声波换能器的调谐匹配；

电压采样电路，用于采集由调谐电感和超声波换能器组成的单元两端的实时工作电压信号，并将其传递至鉴相器；

电流采样电路，用于采集由调谐电感和超声波换能器组成的单元两端的实时工作电流信号，并将其传递至滤波整形电路；

滤波整形电路，其与电流采样电路的输出端相连接，用于将接收到的实时工作电流信号滤波处理后转化为实时工作电流脉冲信号并分成两路，一路输出至鉴相器，另一路经过A/D转换器转换后输出至单片机；

鉴相器，用于将接收到的实时工作电压信号的相位和实时工作电流脉冲信号的相位进行相位比较并产生相位差信号经过A/D转换器转换后输出至单片机；

单片机，用于根据接收到的实时工作电流脉冲信号的幅度值产生激励脉冲信号输出至超声信号发生器使其调整超声驱动信号的频率；还用于根据接收到的相位差信号产生电感值调节控制信号传递给步进电机使其对调谐电感的电感值进行调节。

进一步为了提高超声信号发生器的带载能力，使其输出稳定，使本装置控制方便，所述的超声信号发生器具有SG3525集成PWM控制芯片，并且该SG3525集成PWM控制芯片内置推挽式输出电路，其根据单片机输出的相应频率的激励脉冲信号控制推挽式输出电路输出相应频率的超声驱动信号。

进一步为了提高信号的驱动能力，利于驱动后续的超声功率放大电路，所述的驱动隔离电路包括全桥逆变电路和隔离变压器，隔离变压器具有一个输入端和两个输出端，并且两个输出端的线圈缠绕方向反相，全桥逆变电路的输入端与超声信号发生器的输出端相连接，隔离变压器的输入端与全桥逆变电路的输出端相连接，隔离变压器的两个输出端分别与超声功率放大电路相连接。

进一步，所述的超声功率放大电路为半桥型D类功率放大电路。

进一步为了使反应容器内的超声波有较好的声场分布情况，使超声空化反应顺利进行，所述的超声波换能器为压电陶瓷换能器，并且贴于反应容器的底部。

更进一步为了能够尽量滤除采样信号的杂波并同时对采样信号进行波形变换，所述的滤波整形电路包括滤波单元和波形变换单元，滤波单元的输出端与波形变换单元的输入端相连接，波形变换单元的输出端与单片机相连接。

本发明还提供了一种超声电源的匹配装置的匹配方法，该方法的步骤如下：

a）先通过匹配变压器对由调谐电感和超声波换能器组成的单元与超声功率放大电路进行静态的阻抗匹配调试，使超声波换能器输出最大的有用功率；

b）当超声波换能器工作一定时间谐振点产生偏移时，则自动进行动态的调谐匹配调试，动态调谐匹配的方法如下：

b1）单片机内设定有一个实时工作电流脉冲信号的参考幅度范围，通过单片机判断实时工作电流脉冲信号是否在参考幅度范围内：当单片机接收到的实时工作电流脉冲信号在该参考幅度范围内时，则保持单片机输出的激励脉冲信号的频率不变；当单片机接收到的实时工作电流脉冲信号不在该参考幅度范围内时，单片机则以一定的步长Δf调整激励脉冲信号的频率，并同时判断实时工作电流脉冲信号的变化：当接收到的工作电流脉冲信号显示实时工作电流增大时，则继续以该步长Δf调整激励脉冲信号的频率；当接收到的工作电流脉冲信号显示实时工作电流减小时，单片机则向相反方向调整激励脉冲信号的频率，直到实时工作电流脉冲信号在设定的参考幅度范围内；

b2）当实时工作电流脉冲信号在设定的参考幅度范围以后，电压采样电路和电流采样电路同时采样，通过鉴相器的相位比较并快速测量相时延和判断由调谐电感和超声波换能器组成的单元的阻抗特性；

b3）当相位差为正时，则通过单片机控制步进电机减小调谐电感的匹配电感值；当相位差为负时，则通过单片机控制步进电机增加调谐电感的的匹配电感值；

b4）重复步骤b3）直至鉴相器测量的相时延稳定在其设定的正常工作范围内；

c）重复步骤b），进行动态的调谐匹配调试，保证超声换能器工作在谐振点，输出最大的有用功率。

采用了上述技术方案后，本发明通过采样超声波换能器的实时工作电流并根据其幅度值来调整超声驱动信号频率，并通过采样超声波换能器的实时工作电压和实时工作电流的相位差来调整调谐电感的匹配电感值，以实现超声波换能器的最大的功率利用，保证超声波换能器始终工作在谐振点，输出最大的有用功率，实时反应快、精度较高的特点，电路简单，实现成本较低，易于实现，具有较广的应用前景。

附图说明

图1为本发明的超声波换能器在其机械谐振频率附近的等效电路图；

图2为本发明的超声电源的匹配装置的原理框图；

图3为本发明的超声波换能器的阻抗特性判断示意图；

图4为本发明的超声电源的动态匹配装置的工作流程图。

具体实施方式

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

如图2~4所示，一种超声电源的匹配装置，它包括超声信号发生器、驱动隔离电路、超声功率放大电路、匹配变压器、调谐电感、超声波换能器、电压采样电路、电流采样电路、滤波整形电路、鉴相器、A/D转换器、单片机和步进电机；其中，

超声信号发生器，其输出端与驱动隔离电路相连接，用于产生超声驱动信号；

驱动隔离电路，其输出端与超声功率放大电路相连接，用于接收超声驱动信号并驱动超声功率放大电路正常工作；

超声功率放大电路，其输出端与匹配变压器相连接；

匹配变压器，其输出端与调谐电感相连接，用于变换超声波换能器的阻抗，使其与信源阻抗相匹配；

调谐电感，其输出端与超声波换能器相连接，用于对超声波换能器的调谐匹配；

电压采样电路，用于采集由调谐电感和超声波换能器组成的单元两端的实时工作电压信号，并将其传递至鉴相器；电压采样电路是在由调谐电感和超声波换能器组成的单元的两端取样；电压采样电路主要对实时工作电压的相位信息进行采样；

电流采样电路，用于采集由调谐电感和超声波换能器组成的单元两端的实时工作电流信号，并将其传递至滤波整形电路；电流采样电路是与由调谐电感和超声波换能器组成的单元串联一已知阻值的高精度功率电阻，其阻值较小（其分压作用忽略不计），由此高精度功率电阻的两端电压，即得到超声波换能器的工作电流，由电流的幅度信息动态地调节超声信号发生器的振荡频率，保证超声波换能器始终工作在谐振点；电流采样电路既要对实时工作电流的相位信息进行采样，也要对实时工作电流的幅值信息进行采样。

滤波整形电路，其与电流采样电路的输出端相连接，用于将接收到的实时工作电流信号滤波处理后转化为实时工作电流脉冲信号并分成两路，一路输出至鉴相器，另一路经过A/D转换器转换后输出至单片机；

鉴相器，用于将接收到的实时工作电压信号的相位和实时工作电流脉冲信号的相位进行相位比较并产生相位差信号经过A/D转换器转换后输出至单片机；

单片机，用于根据接收到的实时工作电流脉冲信号的幅度值产生激励脉冲信号输出至超声信号发生器使其调整超声驱动信号的频率；还用于根据接收到的相位差信号产生电感值调节控制信号传递给步进电机使其对调谐电感的电感值进行调节。

超声信号发生器具有SG3525集成PWM控制芯片，SG3525集成PWM控制芯片由基准稳压源、振荡器、误差放大器、PWM比较器、锁存器、分相器、或非门电路和推挽式输出电路等几大部分组成，SG3525集成PWM控制芯片根据单片机输出的相应频率的激励脉冲信号控制推挽式输出电路输出相应频率的超声驱动信号，它内置基准电压源，输出精度可达(5.1±l％)V，并设有温度补偿、软启动控制、限制最大输出占空比和过流保护功能，SG3525集成PWM控制芯片的振荡器可以根据单片机输入的激励脉冲信号产生振荡，经误差放大器、PWM比较器和非门电路处理后输出两路同频反相的PWM信号至推挽式输出电路，推挽式输出电路的拉电流和灌电流峰值可达200mA，本发明的超声信号产生器能够产生频率在100Hz~500kHz的驱动信号，带载能力强，控制方便，输出稳定；

驱动隔离电路，用于隔离超声信号发生器和超声功率放大电路，包括全桥逆变电路和隔离变压器，其中，全桥逆变电路的每一半桥的上管为NPN达林顿功率晶体管TIP122，下管为PNP达林顿功率晶体管TIP127，增加超声信号的功率，提高信号的驱动能力，利于驱动后续的超声功放电路；隔离变压器采用PQ-26型骨架，E-E型磁芯，高频纱包线绕制而成，原副线圈匝数比为1:1，隔离变压器具有一个输入端和两个输出端，并且两个输出端的线圈缠绕方向反相，全桥逆变电路的输入端与超声信号发生器的输出端相连接，隔离变压器的输入端与全桥逆变电路的输出端相连接，隔离变压器的两个输出端分别与超声功率放大电路相连接。

超声功率放大电路为半桥型D类功率放大电路，其以IRFP460作为核心芯片，用于功率放大超声驱动信号，由若干电阻电容组成的RC吸收电路和由IRFP460功率开关管组成的桥臂构成，隔离变压器的两个输出端分别产生两个同频反相的信号使半桥型D类功率放大电路的上、下功率开关管交替导通工作；

匹配变压器，用于超声波换能器与超声功率源阻抗匹配，保证超声波换能器获得最大的电功率，采用PQ-28型骨架，E-E型铁氧体，由高频纱包线绕制的变压器构成，它利用阻抗变换使由调谐电感和超声波换能器组成的单元与超声功率放大电路的阻抗匹配，保证超声换能器的输出有用功率最大。

调谐电感，用于使超声波换能器的电路为纯电阻状态，以PQ-28型骨架，E-E型铁氧体，采用高频纱包线绕制，用于调节超声波换能器两端的电压电流相位至基本同相，使其工作在谐振点，输出最大的有用功率，通过单片机控制步进电机改变磁芯位置方法来调整电感值，以实现在不同频率下与超声波换能器的动态匹配。

超声波换能器为压电陶瓷换能器，并且贴于反应容器的底部，用于驱动反应容器内液体发生空化效应，可以使反应容器中的超声波有较好的声场分布情况，可使超声空化反应顺利进行。

为了能够尽量滤除采样信号的杂波并同时对采样信号进行波形变换，所述的滤波整形电路包括滤波单元和波形变换单元，滤波单元的输出端与波形变换单元的输入端相连接，波形变换单元的输出端与单片机相连接，波形变换单元将采样的正弦波电流信号转化成方波脉冲信号。

步进电机，用于对调谐电感的磁芯进行上下调节，其在非超载的情况下，步进电机的转速、停止的位置只取决于单片机的电感值调节控制信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。

单片机采用单片机MSP430F149，其拥有与外界通信的串行接口。

如图4所示，本发明还提供了一种超声电源的匹配装置的匹配方法，该方法的步骤如下：

a）先通过匹配变压器对由调谐电感和超声波换能器组成的单元与超声功率放大电路进行静态的阻抗匹配调试，使超声波换能器输出最大的有用功率；

b）当超声波换能器工作一定时间谐振点产生偏移时，则自动进行动态的调谐匹配调试，动态调谐匹配的方法如下：

b1）单片机内设定有一个实时工作电流脉冲信号的参考幅度范围[0.9I_max，1.1I_max]，通过单片机判断实时工作电流脉冲信号是否在参考幅度范围内：当单片机接收到的实时工作电流脉冲信号在该参考幅度范围内时，则保持单片机输出的激励脉冲信号的频率不变；当单片机接收到的实时工作电流脉冲信号不在该参考幅度范围内时，单片机则以一定的步长Δf调整激励脉冲信号的频率，并同时判断实时工作电流脉冲信号的变化：当接收到的工作电流脉冲信号显示实时工作电流增大时，则继续以该步长Δf调整激励脉冲信号的频率；当接收到的工作电流脉冲信号显示实时工作电流减小时，单片机则向相反方向调整激励脉冲信号的频率，直到实时工作电流脉冲信号在设定的参考幅度范围内；

b2）当实时工作电流脉冲信号在设定的参考幅度范围以后，电压采样电路和电流采样电路同时采样，通过鉴相器的相位比较并快速测量相时延和判断由调谐电感和超声波换能器组成的单元的阻抗特性；

b3）当相位差为正时，说明电压超前电流，调谐电感与超声波换能器整体呈感性，则通过单片机控制步进电机减小调谐电感的匹配电感值；当相位差为负时，说明电流超前于电压，调谐电感与换能器整体呈容性，则通过单片机控制步进电机增加调谐电感的的匹配电感值；具体的判断情况，如图3所示，以电压信号U为参考，此时鉴相器已判断出此时测得的相时延不在设定的正常工作范围，当电压信号U达到上升沿，变为高电平时，若此时电流信号I为低电平，则超声波换能器呈电感性，若此时电流信号I为高电平，则此时超声波换能器呈电容性；

b4）重复步骤b3）直至鉴相器测量的相时延稳定在其设定的正常工作范围内；

c）重复步骤b），进行动态的调谐匹配调试，保证超声换能器工作在谐振点，输出最大的有用功率。

本发明减少了硬件的使用数量，在保证测量较高精度的条件下不会使硬件时钟频率过高，提高了系统的稳定性和可靠性，电路结构简单，精度较高，成本低，易于市场的推广，具有良好的应用前景。

本发明的工作原理如下：

由于匹配电路是许多功率超声系统运用中用来解决上述问题的重要一环，换能器的工作点不是限定在某个特定频率，而是一个动态范围，即当换能器的频率发生漂移时，只要信号源的频率跟踪在某个工作区间内，振动系统就会有较好的输出效果，这为固定匹配下的动态匹配提供了依据。

匹配主要包括阻抗匹配和调谐匹配，阻抗匹配是为了保证能量传输损耗最小，匹配就是上一级电路的内电阻要等于下一级电路的输入电阻；调谐匹配电路可以改善电源与换能器之间的耦合过程，使超声波电源输出的功率高效地传送至超声波换能器。本匹配装置中动态的调谐匹配采样串联电感匹配方法，其能在降低有功电阻的同时，有效滤除超声波电源输出方波中的高次谐波分量。

图1为超声波换能器在其机械谐振频率附近的等效电路图。C0为静态电容，是电学臂元件；L1为动态电感，C1为动态电容，R1为动态电阻，三者构成等效电路的机械臂。u(t)为换能器的外部电压，也是机械臂电压，使用锁相式动态调频率需要准确测量u(t)和i1(t)的相差ψd，u(t)可测量，但i1(t)不可独立测量，只能测量i(t)，将调谐电感L和超声波换能器看做整体，我们测量a，b之间的电压和电流，通过两者的相位差来动态调节电感，因为根据LCR串联谐振性质，相差为正，说明电压超前电流，调谐电感与超声波换能器整体呈感性，通过调整电感值使超声波换能器工作在谐振状态下。

对任何一个功率超声系统来说，它的等效阻抗都可以用来表示，于是功率超声系统的总功率为，其中为有用功，为无用功，无用功是功率超声系统损耗掉的能量，是在功率超声系统设计中要尽可能避免的，本发明方法在超声波换能器频率突然漂移的情况下，通过本发明装置能迅速有效的进行动态匹配，使功率超声系统的等效阻抗虚部为零或接近于零，减少了功率超声系统中的无用功，使换能器始终工作在最佳状态。该装置在水声通信、超声清洗等领域将有很好的应用前景。

以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种超声电源的匹配装置的匹配方法，其特征在于，该超声电源的匹配装置包括超声信号发生器、驱动隔离电路、超声功率放大电路、匹配变压器、调谐电感、超声波换能器、电压采样电路、电流采样电路、滤波整形电路、鉴相器、A/D转换器、单片机和步进电机；其中，

超声信号发生器，其输出端与驱动隔离电路相连接，用于产生超声驱动信号；

驱动隔离电路，其输出端与超声功率放大电路相连接，用于接收超声驱动信号并驱动超声功率放大电路正常工作；

超声功率放大电路，其输出端与匹配变压器相连接；

匹配变压器，其输出端与调谐电感相连接，用于变换超声波换能器的阻抗，使其与信源阻抗相匹配；

调谐电感，其输出端与超声波换能器相连接，用于对超声波换能器的调谐匹配；

电压采样电路，用于采集由调谐电感和超声波换能器组成的单元两端的实时工作电压信号，并将其传递至鉴相器；

电流采样电路，用于采集由调谐电感和超声波换能器组成的单元两端的实时工作电流信号，并将其传递至滤波整形电路；

滤波整形电路，其与电流采样电路的输出端相连接，用于将接收到的实时工作电流信号滤波处理后转化为实时工作电流脉冲信号并分成两路，一路输出至鉴相器，另一路经过A/D转换器转换后输出至单片机；

鉴相器，用于将接收到的实时工作电压信号的相位和实时工作电流脉冲信号的相位进行相位比较并产生相位差信号经过A/D转换器转换后输出至单片机；

单片机，用于根据接收到的实时工作电流脉冲信号的幅度值产生激励脉冲信号输出至超声信号发生器使其调整超声驱动信号的频率；还用于根据接收到的相位差信号产生电感值调节控制信号传递给步进电机使其对调谐电感的电感值进行调节；

该方法的步骤如下：

a)先通过匹配变压器对由调谐电感和超声波换能器组成的单元与超声功率放大电路进行静态的阻抗匹配调试，使超声波换能器输出最大的有用功率；

b)当超声波换能器工作一定时间谐振点产生偏移时，则自动进行动态的调谐匹配调试，动态调谐匹配的方法如下：

b1)单片机内设定有一个实时工作电流脉冲信号的参考幅度范围，通过单片机判断实时工作电流脉冲信号是否在参考幅度范围内：当单片机接收到的实时工作电流脉冲信号在该参考幅度范围内时，则保持单片机输出的激励脉冲信号的频率不变；当单片机接收到的实时工作电流脉冲信号不在该参考幅度范围内时，单片机则以一定的步长Δf调整激励脉冲信号的频率，并同时判断实时工作电流脉冲信号的变化：当接收到的工作电流脉冲信号显示实时工作电流增大时，则继续以该步长Δf调整激励脉冲信号的频率；当接收到的工作电流脉冲信号显示实时工作电流减小时，单片机则向相反方向调整激励脉冲信号的频率，直到实时工作电流脉冲信号在设定的参考幅度范围内；

b2)当实时工作电流脉冲信号在设定的参考幅度范围以后，电压采样电路和电流采样电路同时采样，通过鉴相器的相位比较并快速测量相时延和判断由调谐电感和超声波换能器组成的单元的阻抗特性；

b3)当相位差为正时，则通过单片机控制步进电机减小调谐电感的匹配电感值；当相位差为负时，则通过单片机控制步进电机增加调谐电感的的匹配电感值；

b4)重复步骤b3)直至鉴相器测量的相时延稳定在其设定的正常工作范围内；

c)重复步骤b)，进行动态的调谐匹配调试，保证超声换能器工作在谐振点，输出最大的有用功率。

2.根据权利要求1所述的超声电源的匹配装置的匹配方法，其特征在于：所述的超声信号发生器具有SG3525集成PWM控制芯片，并且该SG3525集成PWM控制芯片内置推挽式输出电路，其根据单片机输出的相应频率的激励脉冲信号控制推挽式输出电路输出相应频率的超声驱动信号。

3.根据权利要求1所述的超声电源的匹配装置的匹配方法，其特征在于：所述的驱动隔离电路包括全桥逆变电路和隔离变压器，隔离变压器具有一个输入端和两个输出端，并且两个输出端的线圈缠绕方向反相，全桥逆变电路的输入端与超声信号发生器的输出端相连接，隔离变压器的输入端与全桥逆变电路的输出端相连接，隔离变压器的两个输出端分别与超声功率放大电路相连接。

4.根据权利要求1所述的超声电源的匹配装置的匹配方法，其特征在于：所述的超声功率放大电路为半桥型D类功率放大电路。

5.根据权利要求1所述的超声电源的匹配装置的匹配方法，其特征在于：所述的超声波换能器为压电陶瓷换能器，并且贴于反应容器的底部。

6.根据权利要求1所述的超声电源的匹配装置的匹配方法，其特征在于：所述的滤波整形电路包括滤波单元和波形变换单元，滤波单元的输出端与波形变换单元的输入端相连接，波形变换单元的输出端与单片机相连接。