CN104252146A - 一种超声换能器的驱动方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声换能器的驱动方法，包括如下步骤：系统初始化；判断是否收到上位机指令，如是，执行下一步骤；对所述上位机指令进行解码，并执行相应处理程序；判断焊线标志位是否为第一设定值，如是，执行下一步骤；否则，将超声输出设置为零并返回；输出超声驱动信号；判断所述超声驱动信号的功率是否大于零，如是，执行下一步骤；否则，返回；对所述超声换能器的谐振点频率进行跟踪，并依据谐振频率点阻抗值调整所述超声驱动信号的电压值。本发明还涉及一种实现上述驱动方法的装置。实施本发明的超声换能器的驱动方法及装置，具有以下有益效果：跟踪速度较快、转换效率较高。

Description

一种超声换能器的驱动方法及装置

技术领域

本发明涉及超声驱动领域，更具体地说，涉及一种超声换能器的驱动方法及装置。

背景技术

随着科技的发展，超声被应用在各种加工行业，如：超声焊线机、超声清洗机、超声洁牙等等。超声是由超声驱动系统产生的电信号通过超声换能器转换得到，因此如何使超声换能器转换效率更高、转换能量更稳定、使用寿命更长成为超声驱动系统发展的必然趋势。

目前，超声驱动系统主要由处理器、信号生成及功率放大、反馈信号采集三部分组成。其中，信号生成及功率放大部分用于生成一定频率的信号、并对该信号进行功率放大；目前基本采用DSP、单片机内部集成的PWM或DAC（Digital to analog converter，数模转换器）产生PWM或正弦波，也有采用PWM集成芯片产生PWM波，然后经过功放电路进行放大，最终输出驱动超声换能器的电信号。反馈信号采集部分用于采集加载在超声换能器上的电压及电流信号，通过这些信号对信号生成的频率及放大倍数进行调整。目前主要采用信号整形滤波的方法将反馈的正弦波或方波转换成直流信号进行采集。存在的问题是，输出超声能量不稳定、能量转换效率低、超声换能器使用寿命低等，这些问题主要是因为超声换能器没有一直处在谐振频率点工作，而谐振频率点是超声换能器阻抗最小机械振动最大的频率点，其工作期间能量转换效率高、阻抗变化小及发热量少。由于超声换能器的谐振频率点会随温度、外界压力等因素变化而变化，因此在工作时其谐振点也在不断变化。目前国内一些超声驱动系统虽然也具有谐振点频率自动跟踪功能但大多是基于电流最大的方法，用扫频的方式得到不同频率点的电流值，并求出其最大电流的频率点作为谐振点，因此跟踪速度慢，无法满足高速度、高稳定性的要求，尤其是应用在高速焊线机中。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述扫频方式跟踪速度慢、转换效率低的缺陷，提供一种跟踪速度较快、转换效率较高的超声换能器的驱动方法及装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种超声换能器的驱动方法，包括如下步骤：

A）系统初始化；

B）判断是否收到上位机指令，如是，执行步骤C）；否则，执行步骤D）；

C）对所述上位机指令进行解码，并执行相应处理程序；

D）判断焊线标志位是否为第一设定值，如是，执行步骤E）；否则，将超声输出设置为零并返回步骤B）；

E）输出超声驱动信号；

F）判断所述超声驱动信号的功率是否大于零，如是，执行步骤G）；否则，返回步骤B）；

G）对所述超声换能器的谐振点频率进行跟踪，并依据谐振频率点阻抗值调整所述超声驱动信号的电压值。 

在本发明所述的超声换能器的驱动方法中，所述步骤C）进一步包括：

C1）对所述上位机指令进行解码；

C2）判断解码后的指令码是否为系统设置指令程序，如是，设置额定功率及失线检测灵敏度并执行步骤D）；否则，执行下一步骤。 

在本发明所述的超声换能器的驱动方法中，所述步骤C）还包括：

C3）判断解码后的指令码是否为校验指令程序，如是，通过扫频找出所述超声波换能器的谐振频率及阻抗并执行步骤D）；否则，执行下一步骤。 

在本发明所述的超声换能器的驱动方法中，所述步骤C）还包括：

C4）判断解码后的指令码是否为启用或停用失线检测指令程序，如是，开始启用或停用失线检测功能并执行步骤D）；否则，执行下一步骤。

在本发明所述的超声换能器的驱动方法中，所述步骤C）还包括：

C5）判断解码后的指令码是否为焊线开始指令程序，如是，将所述焊线标志位置为所述第一设定值并执行步骤D）；否则，执行下一步骤。

在本发明所述的超声换能器的驱动方法中，所述步骤C）还包括：

C6）判断解码后的指令码是否为焊线停止指令程序，如是，将所述焊线标志位置为所述第二设定值并执行步骤D）；否则，执行步骤D）。

在本发明所述的超声换能器的驱动方法中，所述步骤G）进一步包括：

G1）采集所述超声波换能器的电流及电压信号；

G2）对所述电流及电压信号进行处理得到相位差方向信号；

G3）依据所述相位差方向信号调整所述超声驱动信号的输出频率；

G4）对所述电流及电压信号进行处理并得到谐振点阻抗；

G5）依据所述谐振点阻抗调整所述电压。

本发明还涉及一种实现上述超声换能器的驱动方法的装置，包括：

初始化模块：用于使系统初始化；

指令判断模块：用于判断是否收到上位机指令；

指令解码及处理模块：用于对所述上位机指令进行解码，并执行相应处理程序；

标志位判断模块：用于判断焊线标志位是否为第一设定值，如不是，将超声输出设置为零；

驱动信号输出模块：用于输出超声驱动信号；

功率判断模块：用于判断所述超声驱动信号的功率是否大于零；

频率跟踪及电压调整模块：用于对所述超声换能器的谐振点频率进行跟踪，并依据谐振频率点阻抗值调整所述超声驱动信号的电压值。

在本发明所述的实现上述超声换能器的驱动方法的装置中，所述指令解码及处理模块进一步包括：

解码单元：用于对所述上位机指令进行解码；

系统设置判断单元：用于判断解码后的指令码是否为系统设置指令程序，如是，设置额定功率及失线检测灵敏度；

校验判断单元：用于判断解码后的指令码是否为校验指令程序，如是，通过扫频找出所述超声波换能器的谐振频率及阻抗；

失线检测判断单元：用于判断解码后的指令码是否为启用或停用失线检测指令程序，如是，开始启用或停用失线检测功能；

焊线开始判断单元：用于判断解码后的指令码是否为焊线开始指令程序，如是，将所述焊线标志位置为所述第一设定值；

焊线停止判断单元：用于判断解码后的指令码是否为焊线停止指令程序，如是，将所述焊线标志位置为所述第二设定值。 

在本发明所述的实现上述超声换能器的驱动方法的装置中，所述频率跟踪及电压调整模块进一步包括：

信号采集单元：用于采集所述超声波换能器的电流及电压信号；

相位差信号取得单元：用于对所述电流及电压信号进行处理得到相位差方向信号；

功率调整单元：用于依据所述相位差方向信号调整所述超声驱动信号的输出频率；

阻抗取得单元：用于对所述电流及电压信号进行处理并得到谐振点阻抗；

电压调整单元：用于依据所述谐振点阻抗调整所述电压。 

实施本发明的超声换能器的驱动方法及装置，具有以下有益效果: 由于在超声驱动信号的功率大于零时，即超声波换能器被驱动工作时，对超声换能器的谐振点频率进行跟踪，并依据谐振频率点阻抗值实时调整驱动信号的电压值，所以其跟踪速度较快、转换效率较高。

附图说明

图1是本发明超声换能器的驱动方法及装置实施例中方法的流程图；

图2是所述实施例中对上位机指令进行解码，并执行相应处理程序的具体流程图；

图3是所述实施例中对超声换能器的谐振点频率进行跟踪，并依据谐振频率点阻抗值调整超声驱动信号的电压值的具体流程图；

图4是所述实施例中装置的结构示意图。

具体实施方式

为了便于本领域的普通技术人员能够理解并实施本发明，下面将结合附图对本发明实施例作进一步说明。

在本发明超声换能器的驱动方法及装置实施例中，其驱动方法的流程图如图1所示。图1中，该超声换能器的驱动方法包括如下步骤：

步骤S1系统初始化：本步骤中，系统进行初始化，这里的初始化包括处理器内部的ADC、内部的DAC、串口通信及系统时钟的初始化等，一切准备就绪。本实施例中，该驱动方法应用在高速焊线机中。当然，在其他实施例中，该驱动方法也可以应用在其他超声加工行业中。

步骤S2判断是否收到上位机指令：本步骤中，判断是否收到上位机指令，本实施例中，系统共有五个指令码，其分别是系统设置、校验、启用或停用失线检测、焊线开始和焊线停止指令码；本步骤中，如果判断的结果为是，则执行步骤S3；如果判断的结果为否，则执行步骤S4。

步骤S3对上位机指令进行解码，并执行相应处理程序：如果上述步骤S2的判断结果为是，则执行本步骤。本步骤中，对上位机指令进行解码，并根据解码后的内容执行相应处理程序。执行完本步骤，执行步骤S4。

步骤S4判断焊线标志位是否为第一设定值：如果上述步骤S2的判断结果为否，即未收到上位机指令，则执行本步骤。本步骤中，判断焊线标志位是否为第一设定值，本实施例中，第一设定值为1，本步骤中，也即判断焊线标志位是否为1，如果判断的结果为是，即焊线标志位为1，则执行步骤S5；如果判断的结果为否，即焊线标志位不为1，则执行步骤S6。当然，在本实施例的另外一些情况下，也可以将第一设定值设置为其他值，例如设置为0。

步骤S5 输出超声驱动信号：如果上述步骤S4的判断结果为是，则执行本步骤。本步骤中，输出超声驱动信号，该驱动信号的功率为P*IO_value/255，其中，P为焊线额定功率，IO_value为8位数据输入口构成的二进制值，当然，在本实施例的另外一些情况下，数据输入口的位数也可以为其他值，当数据输入口为n位时，这时驱动信号的功率为P*IO_nvalue/（2ⁿ-1），IO_nvalue为n位数据输入口构成的二进制值，n可以为12或16等等。执行完本步骤，执行步骤S7。

步骤S6 将超声输出设置为零：如果上述步骤S4的判断结果为否，则执行本步骤，本步骤中，将超声输出设置为零，也即超声驱动信号的功率为零，这时超声换能器未被驱动。执行完本步骤，返回步骤S2。

步骤S7 判断超声驱动信号的功率是否大于零：本步骤中，判断超声驱动信号的功率是否大于零，如果判断的结果为是，则执行步骤S8；否则，返回步骤S2。

步骤S8对超声换能器的谐振点频率进行跟踪，并依据谐振频率点阻抗值调整超声驱动信号的电压值:如果上述步骤S17的判断结果为是，则执行本步骤。本步骤中，关于如何具体对超声换能器的谐振点频率进行跟踪，并依据谐振频率点阻抗值实时调整超声驱动信号的电压值，具体来讲，调整的是超声驱动信号的电压有效值。执行完本步骤，返回步骤S2。

对于本实施例而言，上述步骤S3还可进一步细化，其细化后的具体流程图如图2所示，图2中，步骤S3进一步包括：

步骤S301对上位机指令进行解码：本步骤中，对收到的上位机指令进行解码。

步骤S302判断解码后的指令码是否为系统设置指令程序：本步骤中，判断上述解码后的指令码是否为系统设置指令程序，如果判断的结果为是，即解码后的指令码是系统设置指令程序，则执行步骤S303；如果判断的结果为否，则执行步骤S304。

步骤S303 设置额定功率及失线检测灵敏度：如果上述步骤S302的判断结果为是，则执行本步骤。本步骤中，对焊线额定功率及失线检测灵敏度进行设置。执行完本步骤，执行步骤S4。

步骤S304判断解码后的指令码是否为校验指令程序：如果上述步骤S302的判断结果为否，则执行本步骤。本步骤中，判断解码后的指令码是否为校验指令程序，如果判断的结果为是，则执行步骤S305；如果判断的结果为否，则执行步骤S306。

步骤S305 通过扫频找出超声波换能器的谐振频率及阻抗：本步骤中，通过扫频找出超声波换能器的谐振频率及谐振阻抗，具体来讲，通过用扫频的方式得到不同频率点的电流值，并求出其最大电流所对应的频率点，将该频率点作为谐振点。执行完本步骤，执行步骤S4。

步骤S306判断解码后的指令码是否为启用或停用失线检测指令程序：如果上述步骤S304的判断结果为否，则执行本步骤。本步骤中，判断解码后的指令码是否为启用或停用失线检测指令程序，这里，失线指的是超声换能器上的导线掉线。本步骤中，如果判断的结果为是，则执行步骤S307；如果判断的结果为否，则执行步骤S308。

步骤S307 开始启用或停用失线检测功能：如果上述步骤S306的判断结果为是，则执行本步骤。本步骤中，开始启用或停用失线检测功能，也即开始启用或停用检测超声换能器的导线是否掉线的功能。执行完本步骤，执行步骤S4。

步骤S308判断解码后的指令码是否为焊线开始指令程序：如果上述步骤S306的判断结果为否，则执行本步骤。本步骤中，判断解码后的指令码是否为焊线开始指令程序，如果判断的结果为是，即解码后的指令码为焊线开始指令程序，则执行步骤S309；如果判断的结果为否，则执行步骤S310。

步骤S309 将焊线标志位置为第一设定值：如果上述步骤S308的判断结果为是，则执行本步骤。本步骤中，将焊线标志位置为第一设定值，也即将焊线标志位置为1。执行完本步骤，执行步骤S4。

步骤S310判断解码后的指令码是否为焊线停止指令程序：如果上述步骤S308的判断结果为否，则执行步骤。本步骤中，判断解码后的指令码是否为焊线停止指令程序，如果判断的结果为是，则执行步骤S311；如果判断的结果为否，执行步骤S4。

步骤S311 将焊线标志位置为第二设定值：如果上述步骤S310的判断结果为是，则执行本步骤。本实施例中，第二设定值为0，当然，在本实施例的另外一些情况下，也可以将第二设定值设置为其他值，例如：设置为1。本步骤中，也即将焊线标志位置为0。执行完本步骤，执行步骤S4。

对于本实施例而言，上述步骤S8还可以进一步细化，其细化后的具体流程图如图3所示。图3中，步骤S8进一步包括如下步骤：

步骤S81 采集超声波换能器的电流及电压信号：本步骤中，采集超声波换能器的电流及电压信号，即采集流过超声波换能器的电流及超声波换能器两端的电压信号。

步骤S82 对电流及电压信号进行处理得到相位差方向信号：本步骤中，对电流及电压信号进行处理得到相位差方向信号，具体来讲，将电流及电压信号经过滤波、放大及整形后得到相应的两路方波信号（电流方波信号和电压方波信号），两路方波经过D触发器得出两路信号的相位差方向信号。

步骤S83 依据相位差方向信号调整超声驱动信号的输出频率：本步骤中，依据相位差方向信号调整超声驱动信号的输出频率，具体就是，依据该相位差方向信号实时调整输出频率即可快速将其电流和电压的相位差锁定为0，保证超声换能器一直工作在谐振频率点，相比目前采用的电流最大法进行的频率跟踪其跟踪速度及转换效率得到了明显提高。

步骤S84 对电流及电压信号进行处理并得到谐振点阻抗：本步骤中，对电流及电压信号进行处理并得到谐振点阻抗，具体来讲，通过对超声换能器两端的电压信号及流过超声换能器两端的电流信号进行滤波、放大及真有效值变化后采集计算得到谐振点阻抗。

步骤S85 依据谐振点阻抗调整电压：本步骤中，依据谐振点阻抗调整电压，具体来讲，在超声换能器工作时，通过采集谐振点阻抗实时调整加载在超声换能器两端的电压实现对超声换能器的恒功率驱动。在高速焊线机中恒功率控制可以很好地保证焊点的一致性。

值得一提的是，根据具体情况，在一些情况下也可以没有上述步骤S304—步骤S305、步骤S306—步骤S307、步骤S308—步骤S309、步骤S310—步骤S311中任意一组或两组或三组或全部，也即在一些情况下可以没有步骤S304和S305，或也可以没有步骤S304、S305、S306和S307，或也可以没有步骤S304、S305、S306、S307、S308和S309；或也可以没有步骤S304、S305、S306、S307、S308、S309、S310和S311。

本实施例还涉及一种实现上述驱动方法的装置，其结构示意图如图4所示。图4中，该装置包括初始化模块1、指令判断模块2、指令解码及处理模块3、标志位判断模块4、驱动信号输出模块5、功率判断模块6和频率跟踪及电压调整模块7；其中，初始化模块1用于使系统初始化；指令判断模块2用于判断是否收到上位机指令；指令解码及处理模块3用于对上位机指令进行解码，并执行相应处理程序；标志位判断模块4用于判断焊线标志位是否为第一设定值，如不是，将超声输出设置为零；驱动信号输出模块5用于输出超声驱动信号；功率判断模块6用于判断超声驱动信号的功率是否大于零；频率跟踪及电压调整模块7用于对超声换能器的谐振点频率进行跟踪，并依据谐振频率点阻抗值调整超声驱动信号的电压值。

本实施例中，指令解码及处理模块3进一步包括解码单元31、系统设置判断单元32、校验判断单元33、失线检测判断单元34、焊线开始判断单元35和焊线停止判断单元36；其中，解码单元31用于对上位机指令进行解码；系统设置判断单元32用于判断解码后的指令码是否为系统设置指令程序，如是，设置额定功率及失线检测灵敏度；校验判断单元33用于判断解码后的指令码是否为校验指令程序，如是，通过扫频找出超声波换能器的谐振频率及阻抗；失线检测判断单元34用于判断解码后的指令码是否为启用或停用失线检测指令程序，如是，开始启用或停用失线检测功能；焊线开始判断单元35用于判断解码后的指令码是否为焊线开始指令程序，如是，将焊线标志位置为第一设定值；焊线停止判断单元36用于判断解码后的指令码是否为焊线停止指令程序，如是，将焊线标志位置为第二设定值。值得一提的是，根据具体情况，在一些情况下也可以没有校验判断单元33、失线检测判断单元34、焊线开始判断单元35和焊线停止判断单元36中的任意一个或几个。

本实施例中，频率跟踪及电压调整模块7进一步包括信号采集单元71、相位差信号取得单元72、功率调整单元73、阻抗取得单元74和电压调整单元75；其中，信号采集单元71用于采集超声波换能器的电流及电压信号；相位差信号取得单元72用于对电流及电压信号进行处理得到相位差方向信号；功率调整单元73用于依据相位差方向信号调整超声驱动信号的输出频率；阻抗取得单元74用于对电流及电压信号进行处理并得到谐振点阻抗；电压调整单元75用于依据谐振点阻抗调整所述电压。

总之，在本实施例中，为了克服超声转换效率低、超声能量稳定性差、超声换能器使用寿命低等不足，本实施例中的超声换能器的驱动方法及装置不仅提高了超声换能器的转换效率和使用寿命，且超声能量稳定性相比目前更好。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种超声换能器的驱动方法，其特征在于，包括如下步骤：

A）系统初始化；

B）判断是否收到上位机指令，如是，执行步骤C）；否则，执行步骤D）；

C）对所述上位机指令进行解码，并执行相应处理程序；

D）判断焊线标志位是否为第一设定值，如是，执行步骤E）；否则，将超声输出设置为零并返回步骤B）；

E）输出超声驱动信号；

F）判断所述超声驱动信号的功率是否大于零，如是，执行步骤G）；否则，返回步骤B）；

G）对所述超声换能器的谐振点频率进行跟踪，并依据谐振频率点阻抗值调整所述超声驱动信号的电压值。

2.根据权利要求1所述的超声换能器的驱动方法，其特征在于，所述步骤C）进一步包括：

C1）对所述上位机指令进行解码；

C2）判断解码后的指令码是否为系统设置指令程序，如是，设置额定功率及失线检测灵敏度并执行步骤D）；否则，执行下一步骤。

3.根据权利要求2所述的超声换能器的驱动方法，其特征在于，所述步骤C）还包括：

C3）判断解码后的指令码是否为校验指令程序，如是，通过扫频找出所述超声波换能器的谐振频率及阻抗并执行步骤D）；否则，执行下一步骤。

4.根据权利要求3所述的超声换能器的驱动方法，其特征在于，所述步骤C）还包括：

C4）判断解码后的指令码是否为启用或停用失线检测指令程序，如是，开始启用或停用失线检测功能并执行步骤D）；否则，执行下一步骤。

5.根据权利要求4所述的超声换能器的驱动方法，其特征在于，所述步骤C）还包括：

 C5）判断解码后的指令码是否为焊线开始指令程序，如是，将所述焊线标志位置为所述第一设定值并执行步骤D）；否则，执行下一步骤。

6.根据权利要求5所述的超声换能器的驱动方法，其特征在于，所述步骤C）还包括：

C6）判断解码后的指令码是否为焊线停止指令程序，如是，将所述焊线标志位置为所述第二设定值并执行步骤D）；否则，执行步骤D）。

7.根据权利要求1至6任意一项所述的超声换能器的驱动方法，其特征在于，所述步骤G）进一步包括：

G1）采集所述超声波换能器的电流及电压信号；

G2）对所述电流及电压信号进行处理得到相位差方向信号；

G3）依据所述相位差方向信号调整所述超声驱动信号的输出频率；

G4）对所述电流及电压信号进行处理并得到谐振点阻抗；

G5）依据所述谐振点阻抗调整所述电压。

8.一种实现如权利要求1所述的超声换能器的驱动方法的装置，其特征在于，包括：

初始化模块：用于使系统初始化；

指令判断模块：用于判断是否收到上位机指令；

指令解码及处理模块：用于对所述上位机指令进行解码，并执行相应处理程序；

标志位判断模块：用于判断焊线标志位是否为第一设定值，如不是，将超声输出设置为零；

驱动信号输出模块：用于输出超声驱动信号；

功率判断模块：用于判断所述超声驱动信号的功率是否大于零；

频率跟踪及电压调整模块：用于对所述超声换能器的谐振点频率进行跟踪，并依据谐振频率点阻抗值调整所述超声驱动信号的电压值。

9.根据权利要求8所述的实现超声换能器的驱动方法的装置，其特征在于，所述指令解码及处理模块进一步包括：

解码单元：用于对所述上位机指令进行解码；

系统设置判断单元：用于判断解码后的指令码是否为系统设置指令程序，如是，设置额定功率及失线检测灵敏度；

校验判断单元：用于判断解码后的指令码是否为校验指令程序，如是，通过扫频找出所述超声波换能器的谐振频率及阻抗；

失线检测判断单元：用于判断解码后的指令码是否为启用或停用失线检测指令程序，如是，开始启用或停用失线检测功能；

焊线开始判断单元：用于判断解码后的指令码是否为焊线开始指令程序，如是，将所述焊线标志位置为所述第一设定值；

焊线停止判断单元：用于判断解码后的指令码是否为焊线停止指令程序，如是，将所述焊线标志位置为所述第二设定值。

10.根据权利要求8或9所述的实现超声换能器的驱动方法的装置，其特征在于，所述频率跟踪及电压调整模块进一步包括：

信号采集单元：用于采集所述超声波换能器的电流及电压信号；

相位差信号取得单元：用于对所述电流及电压信号进行处理得到相位差方向信号；

功率调整单元：用于依据所述相位差方向信号调整所述超声驱动信号的输出频率；

阻抗取得单元：用于对所述电流及电压信号进行处理并得到谐振点阻抗；

电压调整单元：用于依据所述谐振点阻抗调整所述电压。