CN104259081A - 一种压电换能器频率跟踪方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种压电换能器频率跟踪系统，用于对压电换能器的频率进行实时跟踪；所述系统包括双频信号发生器、功率放大器、匹配网络、电压传感器和电流传感器，其中，双频信号发生器用于产生1kHz和谐振频率的信号，两种输出信号由功率放大器放大后，再经由匹配网络施加于压电换能器；电压传感器采集施加于压电换能器的电压信号，电流传感器采集流经压电换能器的电流信号，前述电压信号及电流信号均送入双频信号发生器进行处理。此种频率跟踪系统可在线跟踪压电换能器的谐振频率。本发明还公开一种基于前述压电换能器频率跟踪系统的频率跟踪方法。

Description

一种压电换能器频率跟踪方法及系统

技术领域

本发明属于压电换能器驱动控制领域，特别涉及一种压电换能器的频率跟踪方法及频率跟踪系统。

背景技术

压电换能器是一种利用压电元件实现电能到声能转化的器件，它在超声清洗、超声焊接、超声加工、石油化工等领域有着重要的应用。在压电换能器的研究与应用中，频率跟踪技术是一个重要的课题。压电超声换能器一般工作在机械共振频率附近。在该频率附近，从其电学阻抗特性角度可以定义为6个特征频率，分别是最大导纳频率f_m，串联谐振频率f_s，共振频率f_r，反共振频率f_a，并联谐振频率f_p和最小导纳频率f_n，每个特征频率都有其各自的特点。最新研究表明，压电换能器在并联谐振频率附近的一些特性对实际的应用非常有意义(如自动功率调节特性等)。但是换能器的并联谐振频率是时变的，它会随着环境温度、工作电压以及负载等变化而变化，因此为了保证换能器一直工作在其并联谐振频率点上，必须对其进行频率跟踪。

到目前为止，频率跟踪方法种类繁多，按照获得反馈信号的方法大体上可分为声反馈系统和电反馈系统。在声反馈系统中，是通过直接获取换能器振动系统输出的机械振动信号，来组成频率跟踪系统的。在电反馈系统中，利用输入换能器的电信号与换能器的振动速度或位移相关的原理，通过拾取此电信号，组成自动频率跟踪系统。

在电反馈系统中，从换能器的电端可以对其两端的电压和流过的电流分别采样，采样信号中既含有电压和电流的幅度信息，也含有相位信息。利用这些信息，可以构成多种频率跟踪方案，为换能器设定不同的工作状态。常用的方案有：(a)电流方案。这种方案采用电流信号，将换能器设定在电流特定区域(如最大值)的工作状态。(b)功率方案。这种方案同时采用电流信号和电压信号，将二者相乘得到换能器的电功率信号，换能器被设定在电功率最大的工作状态。(c)阻抗或导纳方案。根据换能器导纳变化的特点，设定某种工作状态。(d)相位方案。此方案也是同时采用电流信号和电压信号，不过是利用二者的相位信息来设定换能器的工作状态。

前三种方案中，跟踪的实际上是最大(小)导纳频率，它与并联谐振频率是有所差别的。同时，由于并联谐振频率时的阻抗是变化的，导致电流峰值跟踪、阻抗大小跟踪以及功率峰值跟踪都比较困难。第四种方案是目前应用较多的方案。通过串联一个电感来补偿压电换能器的夹持电容，当压电换能器工作于并联谐振频率时，系统对外呈现阻性，通过跟踪此相位差来跟踪并联谐振频率。但由于压电换能器的夹持电容是时变的，它会随着温度、工作电压和负载的变化而变化，使用固定电感无法做到对该电容的实时补偿，因此跟踪到的系统阻抗为阻性的频率，而并不是压电换能器的并联谐振频率。

压电换能器的串联谐振频率跟踪也存在着类似的问题，在此不再赘述。

对于具有高品质因数的压电换能器而言，工作频率即使偏离其并联谐振频率/串联谐振频率稍许，换能器的工作效果也会大打折扣。

根据以上分析，现有的频率跟踪技术存在着种种不足，有待改进。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种压电换能器频率跟踪方法及系统，其可在线跟踪压电换能器的谐振频率。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种压电换能器频率跟踪系统，用于对压电换能器的频率进行实时跟踪；所述系统包括双频信号发生器、功率放大器、匹配网络、电压传感器和电流传感器，其中，双频信号发生器用于产生1kHz和谐振频率的信号，两种输出信号由功率放大器放大后，再经由匹配网络施加于压电换能器；电压传感器采集施加于压电换能器的电压信号，电流传感器采集流经压电换能器的电流信号，前述电压信号及电流信号均送入双频信号发生器进行处理。

上述双频信号发生器包括两个PWM模块、一个与门和一个非门，两个PWM模块分别用于产生1kHz和谐振频率的方波信号，其输出端分别连接与门的两个输入端，与门的输出端作为双频信号发生器的一个输出端，同时与门的输出端连接非门的输入端，而非门的输出端作为双频信号发生器的另一个输出端。

上述功率放大器采用变压器功率放大电路、放大器功率放大电路或桥式电路。

上述电压传感器采用霍尔电压传感器。

上述电流传感器采用霍尔电流传感器。

一种基于前述压电换能器频率跟踪系统的频率跟踪方法，包括如下步骤：

(1)双频信号发生器产生频率为1kHz的信号，测量压电换能器的夹持电容；

(2)双频信号发生器产生工作频率的信号，测量施加于压电换能器的电压和流经压电换能器的电流，计算得到该压电换能器的等效电路的支路阻抗，调整工作频率使该支路阻抗虚部为零，此时的工作频率即为该压电换能器的谐振频率。

上述步骤(1)中，压电换能器的夹持电容的测量方法是：对压电换能器施加频率为1kHz的信号，测量压电换能器上施加的电压和流经压电换能器的电流，并根据以下公式计算得到夹持电容C₀：

$C_0=\frac{I_0}{2000\mathrm{\π}{U}_0}$

其中，U₀表示压电换能器上施加的电压有效值，I₀表示流经压电换能器的电流有效值。

上述步骤(2)中，测量压电换能器的并联谐振频率的具体内容是：

(21a)获取该压电换能器的并联等效电路图，包括夹持电容、并联等效电容、并联等效电感和并联等效电阻，所述并联等效电容、并联等效电感和并联等效电阻相互并联后，再与夹持电容串联；

(22a)双频信号发生器产生工作频率为ω_并的高压信号，该信号施加于压电换能器，测量此时压电换能器上施加的电压和流经压电换能器的电流，通过下式计算得到总阻抗Z：

其中，U_并表示工作频率为ω_并时压电换能器上施加的电压有效值，I_并表示工作频率为ω_并时流经压电换能器的电流有效值，φ_并表示此时电压和电流之间的相位差；

并计算支路阻抗

(23a)调整步骤(22a)中的工作频率ω_并，直至计算得到的支路阻抗虚部为零，此时的工作频率即确定为该压电换能器的并联谐振频率。

上述步骤(2)中，测量压电换能器的串联谐振频率的具体内容是：

(21b)获取该压电换能器的串联等效电路图，包括夹持电容、串联等效电容、串联等效电感和串联等效电阻，所述串联等效电容、串联等效电感和串联等效电阻相互串联后，再与夹持电容并联；

(22b)双频信号发生器产生工作频率为ω_串的高压信号，该信号施加于压电换能器，测量此时施加的电压和流经压电换能器的电流，通过下式计算得到总导纳Y：

其中，U_串表示工作频率为ω_串时压电换能器上施加的电压有效值，I_串表示工作频率为ω_串时流经压电换能器的电流有效值，φ_串表示此时电压和电流之间的相位差；

并计算支路阻抗

(23b)调整步骤(22b)中的工作频率ω_串，直至计算得到的支路阻抗虚部为零，此时的工作频率即确定为该压电换能器的串联谐振频率。

采用上述方案后，本发明通过采用双频信号发生器，能够实现在线检测压电换能器的夹持电容，从而更加准确地获得压电换能器的支路阻抗，从而跟踪其并联谐振频率或串联谐振频率。

附图说明

图1是本发明频率跟踪系统的结构框图；

图2是本发明中计算压电换能器并联谐振频率的等效电路图；

图3是本发明中计算压电换能器串联谐振频率的等效电路图；

图4是本发明中双频信号发生器的实现原理图；

图5是本发明中功率放大器的实现原理图；

图6是本发明中匹配网络仅采用电感的电路图；

图7是本发明中匹配网络采用电感和电容的电路图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明提供一种压电换能器频率跟踪系统，用于对压电换能器P的频率进行实时跟踪，所述频率跟踪系统包括双频信号发生器G、功率放大器A、匹配网络N、电压传感器V和电流传感器I，其中，双频信号发生器G的输出信号由功率放大器A放大后，再经由匹配网络N施加于压电换能器P，同时，施加于压电换能器P的电压信号被电压传感器V所采集，流经压电换能器P的电流信号被电流传感器I所采集，前述电压传感器V采集的电压信号及电流传感器I采集的电流信号均送入双频信号发生器G进行处理，下面分别介绍。

所述双频信号发生器G用于产生两种频率的信号：一种是固定的1kHz，用以测量压电换能器P的夹持电容C₀；另一种是压电换能器的并联谐振频率或串联谐振频率(根据实际需要)，该频率是通过接收电压传感器V采集的电压信号及电流传感器I采集的电流信号后，再经过运算得到，且该频率会随着压电换能器P的工作温度、工作电压及工作负载实时改变。

本发明还提供一种基于前述压电换能器频率跟踪系统的频率跟踪方法，包括并联谐振频率的获取和串联谐振频率的获取，结合图2本发明所研究的压电换能器的并联等效电路图，说明并联谐振频率的计算方法，其中，C₀表示压电换能器的夹持电容，它与压电换能器的工作频率无关，只与压电换能器的温度、负载和工作电压有关，可借助双频信号发生器产生的1kHz频率信号测得，当压电换能器施加1kHz高压频率信号时，测量压电换能器上施加的电压和流经压电换能器的电流，即可根据式(1)算得该夹持电容：

$C_0=\frac{I_0}{2000\mathrm{\π}{U}_0}---\left(1\right)$

其中，U₀表示压电换能器上施加的电压有效值，I₀表示流经压电换能器的电流有效值。

C_p、L_p和R_p分别表示并联等效电容、并联等效电感和并联等效电阻，该支路阻抗用Z_p表示，而该压电换能器的总阻抗用Z表示；当压电换能器的工作频率与L_p和C_p的并联谐振频率相同时，该压电换能器即工作于并联谐振频率点，此时该支路阻抗为R_p。

当压电换能器施加工作频率为ω_并的高压信号时，测量压电换能器上施加的电压和流经压电换能器的电流，即可算得总阻抗Z：

其中，U_并表示工作频率为ω_并时压电换能器上施加的电压有效值，I_并表示工作频率为ω_并时流经压电换能器的电流有效值，φ_并表示此时电压和电流之间的相位差。

该阻抗减去已经算得的夹持电容对应的阻抗，即为支路阻抗Z_p：

调整工作频率ω_并使该阻抗虚部为零，此时的工作频率ω_并即为该压电换能器的并联谐振频率ω_p。

结合图3本发明所研究的压电换能器的串联等效电路图，说明串联谐振频率的计算方法，其中，C₀表示压电换能器的夹持电容，其测量方法在前文已详述；C_s、L_s和R_s分别表示串联等效电容、串联等效电感和串联等效电阻，该支路阻抗用Z_s表示，而该压电换能器的总导纳用Y表示；当压电换能器的工作频率与L_s和C_s的串联谐振频率相同时，该压电换能器即工作于串联谐振频率点，此时该支路阻抗为R_s。

当压电换能器施加工作频率为ω_串的高压信号时，测量压电换能器上施加的电压和流经压电换能器的电流，即可算得总导纳Y：

其中，U_串表示工作频率为ω_串时压电换能器上施加的电压有效值，I_串表示工作频率为ω_串时流经压电换能器的电流有效值，φ_串表示此时电压和电流之间的相位差；

该总导纳Y减去已经算得的夹持电容对应的导纳jω_串C₀，即可换算得到支路阻抗Z_s：

调整工作频率ω_串使该阻抗虚部为零，此时的工作频率ω_串即为该压电换能器的串联谐振频率ω_s。

所述双频信号发生器可采用MCU或DSP构成，图4所示是双频信号发生器的一种实现原理图，其包含有两个PWM模块、一个与门和一个非门，PWM1和PWM2分别用于产生1kHz和谐振频率的方波信号，两路信号分别送入与门的两个输入端，而与门的输出端一方面作为双频信号发生器的一个输出端，直接输出OUTA，另一方面经由非门作为双频信号发生器的另一个输出端，将输出信号再经过非门得到OUTB，这两路逻辑信号分别送入功率放大器进行功率放大。

所述功率放大器可采用变压器功率放大电路、放大器功率放大电路或桥式电路，在本实施例中，配合图5所示，采用半桥电路进行功率放大，包括两个MOSFET管和两个电容，前述双频信号发生器产生的两路逻辑信号OUTA和OUTB分别用于驱动半桥电路的两个MOSFET管，最终输出OUT交流功率信号。

在本实施例中，匹配网络由电感和/或电容构成，如图6是仅包含电感L_m的串联电感匹配的电路图，图7是由电感L_m和电容C_m共同连接组成的LC匹配网络的示意图；电压传感器可采用霍尔电压传感器，或采用电阻串联分压的方式采集电压信号；电流传感器可采用霍尔电流传感器。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (9)

1.一种压电换能器频率跟踪系统，用于对压电换能器的频率进行实时跟踪；其特征在于：所述系统包括双频信号发生器、功率放大器、匹配网络、电压传感器和电流传感器，其中，双频信号发生器用于产生1kHz和谐振频率的信号，两种输出信号由功率放大器放大后，再经由匹配网络施加于压电换能器；电压传感器采集施加于压电换能器的电压信号，电流传感器采集流经压电换能器的电流信号，前述电压信号及电流信号均送入双频信号发生器进行处理。

2.如权利要求1所述的一种压电换能器频率跟踪系统，其特征在于：所述双频信号发生器包括两个PWM模块、一个与门和一个非门，两个PWM模块分别用于产生1kHz和谐振频率的方波信号，其输出端分别连接与门的两个输入端，与门的输出端作为双频信号发生器的一个输出端，同时与门的输出端连接非门的输入端，而非门的输出端作为双频信号发生器的另一个输出端。

3.如权利要求1所述的一种压电换能器频率跟踪系统，其特征在于：所述功率放大器采用变压器功率放大电路、放大器功率放大电路或桥式电路。

4.如权利要求1所述的一种压电换能器频率跟踪系统，其特征在于：所述电压传感器采用霍尔电压传感器。

5.如权利要求1所述的一种压电换能器频率跟踪系统，其特征在于：所述电流传感器采用霍尔电流传感器。

6.基于如权利要求1所述一种压电换能器频率跟踪系统的频率跟踪方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)双频信号发生器产生频率为1kHz的信号，测量压电换能器的夹持电容；

(2)双频信号发生器产生工作频率的信号，测量施加于压电换能器的电压和流经压电换能器的电流，计算得到该压电换能器的等效电路的支路阻抗，调整工作频率使该支路阻抗虚部为零，此时的工作频率即为该压电换能器的谐振频率。

7.如权利要求6所述的一种压电换能器频率跟踪方法，其特征在于：所述步骤(1)中，压电换能器的夹持电容的测量方法是：对压电换能器施加频率为1kHz的信号，测量压电换能器上施加的电压和流经压电换能器的电流，并根据以下公式计算得到夹持电容C₀：

$C_0=\frac{I_0}{2000\mathrm{\π}{U}_0}$

其中，U₀表示压电换能器上施加的电压有效值，I₀表示流经压电换能器的电流有效值。

8.如权利要求6或7所述的一种压电换能器频率跟踪方法，其特征在于：所述步骤(2)中，测量压电换能器的并联谐振频率的具体内容是：

(21a)获取该压电换能器的并联等效电路图，包括夹持电容、并联等效电容、并联等效电感和并联等效电阻，所述并联等效电容、并联等效电感和并联等效电阻相互并联后，再与夹持电容串联；

(22a)双频信号发生器产生工作频率为ω_并的高压信号，该信号施加于压电换能器，测量此时压电换能器上施加的电压和流经压电换能器的电流，通过下式计算得到总阻抗Z：

其中，U_并表示工作频率为ω_并时压电换能器上施加的电压有效值，I_并表示工作频率为ω_并时流经压电换能器的电流有效值，φ_并表示此时电压和电流之间的相位差；

并计算支路阻抗

(23a)调整步骤(22a)中的工作频率ω_并，直至计算得到的支路阻抗虚部为零，此时的工作频率即确定为该压电换能器的并联谐振频率。

9.如权利要求6或7所述的一种压电换能器频率跟踪方法，其特征在于：所述步骤(2)中，测量压电换能器的串联谐振频率的具体内容是：

(21b)获取该压电换能器的串联等效电路图，包括夹持电容、串联等效电容、串联等效电感和串联等效电阻，所述串联等效电容、串联等效电感和串联等效电阻相互串联后，再与夹持电容并联；

(22b)双频信号发生器产生工作频率为ω_串的高压信号，该信号施加于压电换能器，测量此时施加的电压和流经压电换能器的电流，通过下式计算得到总导纳Y：

其中，U_串表示工作频率为ω_串时压电换能器上施加的电压有效值，I_串表示工作频率为ω_串时流经压电换能器的电流有效值，φ_串表示此时电压和电流之间的相位差；

并计算支路阻抗

(23b)调整步骤(22b)中的工作频率ω_串，直至计算得到的支路阻抗虚部为零，此时的工作频率即确定为该压电换能器的串联谐振频率。