CN110702971A - 自动跟踪换能器串联谐振频率的超声驱动电源 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及超声、电源技术领域,为提出具有双路电流采样、精确频率控制的驱动电源,以及换能器的串联谐振频率实时跟踪方法,从而实现自动跟踪换能器串联谐振频率的超声驱动电源,本发明,自动跟踪换能器串联谐振频率的超声驱动电源,包括下列四部分;第一部分是驱动电路;第二部分是采样匹配电路;第三部分是信号调理电路;第四部分是微控制模块,由微处理器构成。本发明主要应用于频控电源的设计制造场合。
Description
技术领域
本发明涉及超声、电源技术领域,具体讲,涉及自动跟踪换能器串联谐振频率的超声驱动电源。
背景技术
功率超声在超声加工、超声铸造、超声焊接、超声清洗等领域都有着重要应用。超声换能器驱动电源是功率超声系统的重要组成部分,其关键技术是对换能器进行频率跟踪。典型的频率跟踪系统采用锁相的方式实现,然而由于以下原因,换能器的频率追踪问题一直没有良好的解决方案。
(1)压电超声换能器本身存在多个特征频率,有谐振频率、反谐振频率、串联谐振频率、并联谐振频率等,串联谐振频率是换能器的机械谐振频率,具有最大的功率输出,是最佳工作频率。由于谐振频率和串联谐振频率较近且容易追踪,因此许多研究者以谐振频率代替串联谐振频率进行驱动,但其并不是最佳工作频率,超声换能器大都有较高的品质因数,微量的频率误差便会大幅降低换能器输出功率。
(2)由于生产、加工以及材料的不确定性,不同换能器的谐振频率不同,并且温度、刚度、负载等因素也会引起压电换能器的频率特性改变,实时跟踪其串联谐振频率才能保证超声系统的工作性能。
(3)采用匹配网络对换能器进行调谐是一种常见的方法,以使换能器的谐振频率和串联谐振频率一致,匹配方式分为动态匹配和静态匹配,动态匹配有系统复杂、操作困难、自动化程度低等缺点,而静态匹配的参数由换能器参数计算而来,受动态电阻影响巨大,当负载变化较大时,静态匹配将失效。
(4)锁相的频率跟踪方法需要检测电压电流的相位,由于大功率信号干扰、传感器的误差、方波驱动信号中的高次谐波等因素,采样信号误差较大,为了提高采样信号的精度,往往加入低通或带通滤波电路,而在扫频过程中,采样信号频率变化高达几百到几千赫兹,中心频率固定的滤波器无法满足使用要求,进而影响频率跟踪精度。
发明内容
为克服现有技术的不足,针对压电式超声换能器的特点,本发明旨在提出具有双路电流采样、精确频率控制的驱动电源,以及换能器的串联谐振频率实时跟踪方法,从而实现自动跟踪换能器串联谐振频率的超声驱动电源。为此,本发明采用的技术方案是,自动跟踪换能器串联谐振频率的超声驱动电源,包括下列四部分;
第一部分是驱动电路,包括PWM(Pulse Width Modulation)波发生单元和半桥逆变电路,PWM波发生单元由DDS((Direct Digital Synthesizer)芯片、集成PWM波控制芯片组成,PWM波发生单元产生控制信号,经半桥逆变电路放大,向换能器两端施加驱动电压;
第二部分是采样匹配电路,采用电容电感(LC)匹配网络进行匹配,以对换能器调谐和阻抗匹配,使用两个相同的电流传感器进行电流采样,其中一个电流传感器接在换能器所在支路,另一个电流传感器接匹配电感C所在支路,两个电流传感器采得信号接信号调理电路,相同的电流传感器用于保证两路电流采样相位延迟一致;
第三部分是信号调理电路,两路电流采样信号经过信号放大电路进行信号放大,再经过开关电容滤波电路滤除噪声和谐波分量,得到单一频率的两路电流信号,两路电流信号一路接峰值检测电路、一路接鉴相电路,峰值检测电路检测出两路电流的峰值,传至所述微处理的AD(Analog to Digital Convert)端口进行检测;鉴相电路检测两路电流的相位角,输出包含相位角信息的相位脉冲,传至所述微处理器I/O口进行相位角检测,上述开关电容滤波电路由集成开关电容滤波芯片组成,构成两路完全相同的带通滤波电路,其中心频率由微处理器实时控制,其中心频率和驱动换能器的PWM波频率完全一致,保证了滤波后电流峰值增益一致;
第四部分是微控制模块,由微处理器构成;编程控制微处理器输出两路DA(Digital toAnalog Convert)信号控制集成PWM波控制芯片振荡器震荡频率和占空比,微处理器通控制DDS芯片输出任意频率的方波,输出至集成PWM波控制芯片同步端,控制其输出PWM波的频率;微处理器控制DDS芯片输出频率方波信号控制开关电容滤波器中心频率,从而实现采样信号的跟踪滤波;微处理器利用内部AD检测两路电流峰值;微处理器利用脉冲捕捉和计数器检测相位方波中的相位角信息;微处理器内设程序控制模块,依据两路电流采样信号对换能器进行频率扫描与跟踪,获取换能器谐振频率,并调节PWM波控制信号的频率,使其接近换能器的串联谐振频率。
其中:
编程控制微处理器输出直流电压至PWM波控制集成芯片,使其振荡器频率为f1,同时控制DDS芯片输出频率为f的脉冲方波至PWM波控制集成芯片的同步端,使其输出频率为f的PWM驱动方波,取f=1.02f1,驱动方波经半桥逆变电路,再经变压器变压后加到匹配电路和换能器两端,驱动换能器17工作;
换能器包括串联支路、并联支路电流,串联支路包括依次串接的动态电感L1、动态电容C1、动态电阻R1,并联支路包括静态电容C0;采样匹配电路中的LC网络包括串接的匹配电容C2、匹配电感L2;LC网络、并联支路分别与并联支路并连,I1为串联支路电流,I0为并联支路电流,IL为换能器两端电流,I2为流过C2电流,I为流过换能器和C2总电流,U为换能器两端电压,U2为驱动电压;
电流传感器采集到两路电流信号,先经过放大电路进行放大、再经过滤波电路滤除噪声和谐波,得到两路电流经峰值检测电路得到的峰值IL、I2,IL、I2被微处理器采样得到,同时,经鉴相电路转化为包含相位差信息的方波,输送至微处理器的I/O管脚,微处理解调出方波的占空比,从而得到的相角θ,符号上方的点表示该量为带方向的矢量;
编程控制微处理器调节驱动频率,在一定频率范围内按基于二分法的扫频算法进行扫频,当满足式:
扫频结束,以此时的频率为电源系统的工作频率,式中Δ为允许的误差。
基于二分法的频率跟踪算法流程如下:
a)设定初始扫频范围为(fd,fu),令k=1;
b)控制驱动电路以驱动换能器;
c)采样电路采集两路电流,经信号调理电路后,被微处理接收,解调出IL、I2和θ;计算判别数M:
d)若Δ-<M<Δ,跳至步骤e;
否则,若M>Δ,则令fu=fk,k=k+1,跳至步骤b);
否则,令fd=fk,k=k+1,跳至步骤b);
e)以此时的驱动频率fk为工作频率,跳至步骤b);
经过上述步骤,系统将快速的工作在换能器的串联谐振频率附近。
本发明的特点及有益效果是:
(1)利用两路电流信号,从采样、放大、滤波到鉴相均采用完全一致的电路结构,时间延迟相同,相较于电压、电流采样,有效降低了相位和峰值检测误差;
(2)利用微处理器控制DDS输出频率方波到PWM集成控制芯片的同步端对驱动PWM波频率精确控制,有效避免了震荡式频率发生器的频率漂移,实现了数字频率控制,工作稳定可靠;
(3)利用微处理器控制DDS芯片输出频率方波实时控制开关电容滤波器中心频率,使其和信号频率保持一致,实现了恒带宽的跟踪滤波器,避免了采样信号频率波动时,不同频率信号滤波后幅值的变化;
(4)传统的电压、电流采样,相位差在0度附近,不易监测,本发明采用两路采样,电流相位差较大,易于检测,提升了鉴相精度;
(5)本发明利用两路电流的幅值和相位信息,可以准确解调出换能器的串联谐振频率,并使换能器工作在串联谐振频率上,提高了系统输出效率;
(6)适应能力强,本系统具有广泛的适用性,对匹配网络的精度要求较低,在存在匹配失调、负载变化的情况下仍可以追踪到换能器的串联谐振频率。
综上所述,与其他超声电源相比,本发明具有适应能力强、频率跟踪精度高、跟踪速度快、可跟踪串联谐振频率等优点。
附图说明:
图1为一种自动跟踪换能器串联谐振频率的超声驱动电源构成示意图。
图2为压电式换能器匹配后的等效电路。
图3为串联谐振频率处,图2中各量的相位关系图。
图4为基于二分法的串联谐振频率跟踪算法流程图。
图5为基于二分法的频率跟踪方法跟踪结果-判别数M随迭代次数k的变化。
图6为基于二分法的频率跟踪方法跟踪结果-频率偏差随迭代次数k的变化。
图1中,1为驱动电路,2为采样匹配电路,3为信号调理电路,4为微处理模块,5为PWM波控制集成芯片,6为半桥逆变电路,7、8为电流传感器,9为信号放大电路、10为开关电容滤波器,11为峰值检测电路,12为鉴相电路,13为微处理器,14为用户按键,15为显示屏,16为DDS芯片。
图2中,21为换能器模型,22为换能器模型的串联支路,23为换能器模型的并联支路,L1为动态电感,C1为动态电容,R1为动态电阻,C0为静态电容,C2为匹配电容,L2为匹配电感,I1为串联支路电流,I0为并联支路电流,IL为换能器两端电流,I2为流过C2电流,I为流过换能器和C2总电流,U为换能器两端电压,U2为驱动电压。
图3中,以换能器两端电压的相角为0相角,流过匹配电感C2电流和换能器两端电流的相角为θ。
图4中,fd为扫频起始频率,fu为扫频截止频率,k为迭代的次数,fk为第k次的驱动频率,Δ为允许的误差。
图6中,横坐标为迭代的次数k,纵坐标为驱动频率和实际串联谐振频率之差fk-fs。
具体实施方式
为了克服现有技术的前述不足,本发明针对压电式超声换能器的特点,在现有他激式超声电源的基础上,设计了具有双路电流采样、精确频率控制的驱动电源,并提出了换能器的串联谐振频率实时跟踪方法,从而实现了一种自动跟踪换能器串联谐振频率的超声驱动电源。
本发明采用的技术方案是,一种自动跟踪换能器串联谐振频率的超声驱动电源,包括下列四部分;
第一部分是驱动电路,如图1所示,包括PWM波发生电路和半桥逆变电路6。PWM(PulseWidth Modulation)波发生单元由DDS((Direct Digital Synthesizer)芯片16、集成PWM波控制芯片5(如SG3525A)和外围电路组成。微处理器13输出两路DA(Digital toAnalogConvert)信号控制集成PWM波控制芯片5的振荡器震荡频率和占空比,微处理器控制DDS芯片输出任意频率的方波脉冲至集成PWM波控制芯片5的同步端控制输出PWM波频率,从而实现驱动PWM方波频率的同步、精确控制。
第二部分是采样匹配电路,如图1所示,采用LC网络对换能器进行匹配,以对换能器调谐和阻抗匹配,使用两个相同的电流传感器7、8进行电流采样,电流传感器8接在换能器所在支路,电流传感器7接匹配电感C所在支路,电流传感器7、8采得信号接信号调理电路3,相同的电流传感器可以保证两路电流采样相位延迟一致。
第三部分是信号调理电路,如图1所示,两路电流采样信号经过信号放大电路9进行信号放大,再经过开关电容滤波电路10滤除噪声和谐波分量,得到单一频率的两路电流信号,两路电流信号一路接峰值检测电路11、一路接鉴相电路12,峰值检测电路检测出两路电流的峰值,传至微处理13的AD(Analog to Digital Convert)端口进行检测;鉴相电路可以检测两路电流的相位角,输出包含相位角信息的相位脉冲,传至微处理器I/O口进行相位角检测。上述开关电容滤波电路由集成开关电容滤波芯片(如LTC1068、LTC1064)和外围电路组成,构成两路完全相同的带通滤波电路,其中心频率微处理器13控制DDS芯片16输出频率方波实时控制,其中心频率和驱动换能器的PWM波频率完全一致,保证了滤波后电流峰值增益一致。
第四部分是微控制模块,如图1所示,由微处理器3、显示屏15、用户按键14组成;编程控制微处理器输出两路DA信号控制集成PWM波控制芯片振荡器震荡频率和占空比,微处理器通过SPI(Serial Peripheral Interface)通讯控制DDS芯片输出任意频率的方波,输出至集成PWM波控制芯片同步端,控制其输出PWM波的频率,从而实现驱动PWM方波频率的同步、精确控制;微处理器控制DDS芯片输出频率方波信号控制开关电容滤波器中心频率,从而实现采样信号的跟踪滤波;微处理器利用内部AD检测两路电流峰值;微处理器利用脉冲捕捉和计数器检测相位方波中的相位角信息;微处理器通过通过SPI协议和显示屏和用户按键交互,输出相关信息至显示屏显示,和用户按键交互;对微处理器进行编程,实现上述信号的自动采集、运算、处理,并实现一种恒功率控制算法。
系统的具体实施过程如下:
编程控制微处理器,使其DA口输出直流电压至PWM波控制集成芯片5,使其振荡器频率为f1,同时控制DDS芯片16输出频率为f的脉冲方波至PWM波控制集成芯片5的同步端,使其输出频率为f的PWM驱动方波。f略大于f1,取f=1.02f1。驱动方波经半桥逆变电路6,再经变压器变压后加到匹配电路7和换能器17两端,驱动换能器17工作。
换能器匹配后的等效电路如图2所示,图2中,1为换能器等效电路模型,2为换能器模型的串联支路,3为换能器模型的并联支路,L1为动态电感,C1为动态电容,R1为动态电阻,C0为静态电容,C2为匹配电容,L2为匹配电感,I1为串联支路电流,I0为并联支路电流,IL为换能器两端电流,I2为流过C2电流,I为流过换能器和C2总电流,U为换能器两端电压,U2为驱动电压。当工作在串联谐振频率时,即串联支路2谐振时,图2中各量的相位和幅值关系如图3所示。
电流传感器7、8采集到两路电流信号,先经过放大电路9进行放大、再经过滤波电路10滤除噪声和谐波,得到两路电流经峰值检测电路11得到的峰值IL、I2,IL、I2被微处理器13的AD管脚采样得到。同时,经鉴相电路12转化为包含相位差信息的方波,输送至微处理器13的I/O管脚,微处理解调出方波的占空比,从而得到的相角θ。
由图2、图3计算,串联支路2的电流为:
式中,C0为静态电容容值,C2为匹配电容容值。
编程控制微处理器13调节驱动频率,在一定频率范围内按基于二分法的扫频算法进行扫频,当满足式:
扫频结束,以此时的频率为电源系统的工作频率,式中Δ为允许的误差。
基于二分法的频率跟踪算法流程如图4所示,具体步骤如下:
a)设定初始扫频范围为(fd,fu),令k=1;
b)控制驱动电路以驱动换能器;
c)采样电路采集两路电流,经信号调理电路后,被微处理接收,解调出IL、I2和θ;计算判别数M:
d)若Δ-<M<Δ,跳至步骤e;
否则,若M>Δ,则令fu=fk,k=k+1,跳至步骤b);
否则,令fd=fk,k=k+1,跳至步骤b);
e)以此时的驱动频率fk为工作频率,跳至步骤b);
经过上述步骤,系统将快速的工作在换能器的串联谐振频率附近。
下面结合附图和具体实例对本发明作详细描述。
图1中,驱动电路1由PWM波控制集成芯片5、半桥逆变电路6、DDS芯16组成,微处理器13的DA口输出直流电压至PWM波控制集成芯片5,使其振荡器频率为f1,同时控制DDS芯片16输出频率为f的脉冲方波至PWM波控制集成芯片5的同步端,使其输出频率为f的PWM驱动方波。f略大于f1,取f=1.02f1。驱动方波经半桥逆变电路6,再经变压器变压后加到匹配电路7和换能器17两端,驱动换能器17工作。
图2为换能器匹配后的等效电路,图2中,1为换能器等效电路模型,2为换能器模型的串联支路,3为换能器模型的并联支路,L1为动态电感,C1为动态电容,R1为动态电阻,C0为静态电容,C2为匹配电容,L2为匹配电感,I1为串联支路电流,I0为并联支路电流,IL为换能器两端电流,I2为流过C2电流,I为流过换能器和C2总电流,U为换能器两端电压,U2为驱动电压。当工作在串联谐振频率时,即串联支路2谐振时,图2中各量的相位和幅值关系如图3所示。
电流传感器7、8采集到两路电流信号,先经过放大电路9进行放大、再经过滤波电路10滤除噪声和谐波,得到两路电流经峰值检测电路11得到的峰值IL、I2,IL、I2被微处理器13的AD管脚采样得到。同时,经鉴相电路12转化为包含相位差信息的方波,输送至微处理器13的I/O管脚,微处理解调出方波的占空比,从而得到的相角θ。
式中,C0为静态电容容值,C2为匹配电容容值。
编程控制微处理器13调节驱动频率,在一定频率范围内按基于二分法的扫频算法进行扫频,当满足式:
扫频结束,以此时的频率为电源系统的工作频率,式中Δ为允许的误差。
基于二分法的频率跟踪算法流程如图4所示,具体步骤如下:
a)设定初始扫频范围为(fd,fu),令k=1;
c)采样电路采集两路电流,经信号调理电路后,被微处理接收,解调出IL、I2和θ;计算判别数M:
d)若Δ-<M<Δ,跳至步骤e;
否则,若M>Δ,则令fu=fk,k=k+1,跳至步骤b);
否则,令fd=fk,k=k+1,跳至步骤b);
e)以此时的驱动频率fk为工作频率,跳至步骤b);
经过上述步骤,系统将快速的工作在换能器的串联谐振频率附近。
在验证实验中,所使用超声换能器的串联谐振频率为37037hz,设定初始频率fd=36000,fu=38000,跟踪过程如图5,图6所示。当设定Δ=0.002时,频率跟踪在第6次迭代停止,此时的频率偏差为4.6hz,当设定Δ=0.001时,频率跟踪在第8次迭代停止,此时的频率偏差为2.2hz。可见,本系统可以快速的跟踪到超声换能器的串联谐振频率。
Claims (3)
1.一种自动跟踪换能器串联谐振频率的超声驱动电源,其特征是,包括下列四部分;
第一部分是驱动电路,包括PWM(Pulse Width Modulation)波发生单元和半桥逆变电路,PWM波发生单元由DDS((Direct Digital Synthesizer)芯片、集成PWM波控制芯片组成,PWM波发生单元产生控制信号,经半桥逆变电路放大,向换能器两端施加驱动电压;
第二部分是采样匹配电路,采用电容电感(LC)匹配网络进行匹配,以对换能器调谐和阻抗匹配,使用两个相同的电流传感器进行电流采样,其中一个电流传感器接在换能器所在支路,另一个电流传感器接匹配电感C所在支路,两个电流传感器采得信号接信号调理电路,相同的电流传感器用于保证两路电流采样相位延迟一致;
第三部分是信号调理电路,两路电流采样信号经过信号放大电路进行信号放大,再经过开关电容滤波电路滤除噪声和谐波分量,得到单一频率的两路电流信号,两路电流信号一路接峰值检测电路、一路接鉴相电路,峰值检测电路检测出两路电流的峰值,传至所述微处理的AD(Analog to Digital Convert)端口进行检测;鉴相电路检测两路电流的相位角,输出包含相位角信息的相位脉冲,传至所述微处理器I/O口进行相位角检测,上述开关电容滤波电路由集成开关电容滤波芯片组成,构成两路完全相同的带通滤波电路,其中心频率由微处理器实时控制,其中心频率和驱动换能器的PWM波频率完全一致,保证了滤波后电流峰值增益一致;
第四部分是微控制模块,由微处理器、显示屏、用户按键组成;编程控制微处理器输出两路DA(Digital to Analog Convert)信号控制集成PWM波控制芯片振荡器震荡频率和占空比,微处理器通控制DDS芯片输出任意频率的方波,输出至集成PWM波控制芯片同步端,控制其输出PWM波的频率;微处理器控制DDS芯片输出频率方波信号控制开关电容滤波器中心频率,从而实现采样信号的跟踪滤波;微处理器利用内部AD检测两路电流峰值;微处理器利用脉冲捕捉和计数器检测相位方波中的相位角信息;微处理器内设程序控制模块,依据两路电流采样信号对换能器进行频率扫描与跟踪,获取换能器谐振频率,并调节PWM波控制信号的频率,使其接近换能器的串联谐振频率。
2.如权利要求1所述的自动跟踪换能器串联谐振频率的超声驱动电源,其特征是,其中:
编程控制微处理器输出直流电压至PWM波控制集成芯片,使其振荡器频率为f1,同时控制DDS芯片输出频率为f的脉冲方波至PWM波控制集成芯片的同步端,使其输出频率为f的PWM驱动方波,取f=1.02f1,驱动方波经半桥逆变电路,再经变压器变压后加到匹配电路和换能器两端,驱动换能器17工作;
换能器包括串联支路、并联支路电流,串联支路包括依次串接的动态电感L1、动态电容C1、动态电阻R1,并联支路包括静态电容C0;采样匹配电路中的LC网络包括串接的匹配电容C2、匹配电感L2;LC网络、并联支路分别与并联支路并连,I1为串联支路电流,I0为并联支路电流,IL为换能器两端电流,I2为流过C2电流,I为流过换能器和C2总电流,U为换能器两端电压,U2为驱动电压;
电流传感器采集到两路电流信号,先经过放大电路进行放大、再经过滤波电路滤除噪声和谐波,得到两路电流经峰值检测电路得到的峰值IL、I2,IL、I2被微处理器采样得到,同时,经鉴相电路转化为包含相位差信息的方波,输送至微处理器的I/O管脚,微处理解调出方波的占空比,从而得到的相角θ,符号上方的点表示该量为带方向的矢量;
编程控制微处理器调节驱动频率,在一定频率范围内按基于二分法的扫频算法进行扫频,当满足式:
扫频结束,以此时的频率为电源系统的工作频率,式中Δ为允许的误差。
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Cited By (15)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113318952A (zh) * | 2021-06-29 | 2021-08-31 | 长江智能科技(广东)股份有限公司 | 全数字化超声波发生器控制系统及方法 |
CN113594351A (zh) * | 2021-07-13 | 2021-11-02 | 杭州电子科技大学 | 一种谐振频率可调压电换能器及其频率调节控制系统 |
CN113922732A (zh) * | 2020-07-07 | 2022-01-11 | 保时捷股份公司 | 控制单元、驱动系、用于运行驱动系的方法及机动车辆 |
CN113922698A (zh) * | 2021-09-14 | 2022-01-11 | 深圳爱芯怡科技有限公司 | 压电陶瓷驱动电路及超声波雾化器 |
CN113934137A (zh) * | 2021-10-20 | 2022-01-14 | 江南大学 | 一种超声波电源谐振频率跟踪方法及系统 |
CN113985105A (zh) * | 2021-10-28 | 2022-01-28 | 广东利元亨智能装备股份有限公司 | 一种电流计量电路 |
CN113985127A (zh) * | 2021-10-13 | 2022-01-28 | 杭州电子科技大学 | 应用于超声加工的多频段谐振频率追踪电路及方法 |
CN114290685A (zh) * | 2021-12-30 | 2022-04-08 | 上海骄成超声波技术股份有限公司 | 一种超声波发生器和超声波系统 |
CN114389470A (zh) * | 2021-12-23 | 2022-04-22 | 北京航空航天大学 | 一种基于电压闭环的压电陶瓷谐振频率跟踪电路 |
CN114681014A (zh) * | 2020-12-31 | 2022-07-01 | 安进医疗科技(北京)有限公司 | 超声外科手术设备控制系统 |
CN114825996A (zh) * | 2022-05-09 | 2022-07-29 | 广西大学 | 一种数字化超声波电源及其控制方法 |
CN115996306A (zh) * | 2021-10-18 | 2023-04-21 | Oppo广东移动通信有限公司 | 驱动控制电路及方法、驱动模组、摄像头模组和电子设备 |
CN116037442A (zh) * | 2022-09-15 | 2023-05-02 | 深圳市泰达智能装备有限公司 | 一种恒振幅控制方法、装置及超声换能器系统 |
WO2023221379A1 (zh) * | 2022-05-20 | 2023-11-23 | 以诺康医疗科技(苏州)有限公司 | 超声手术工具、其频率跟踪方法、其目标相位差确定方法及超声波换能器等效电路 |
WO2024022268A1 (zh) * | 2022-07-25 | 2024-02-01 | 上海逸思医疗科技股份有限公司 | 超声换能器的动态支路电流的控制方法及超声波手术系统 |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2003241133A (ja) * | 2002-02-14 | 2003-08-27 | Olympus Optical Co Ltd | 電磁駆動式アクチュエーターの駆動装置 |
CN202356278U (zh) * | 2011-12-15 | 2012-08-01 | 广州市美锐美容健康设备实业有限公司 | 自动扫频智能化超声波发生器 |
CN103252314A (zh) * | 2013-05-13 | 2013-08-21 | 河海大学常州校区 | 超声电源的动态匹配装置及其方法 |
CN203409422U (zh) * | 2013-06-28 | 2014-01-29 | 东莞华中科技大学制造工程研究院 | 一种超声驱动系统 |
CN104259081A (zh) * | 2014-07-30 | 2015-01-07 | 南京航空航天大学 | 一种压电换能器频率跟踪方法及系统 |
CN108832838A (zh) * | 2018-06-25 | 2018-11-16 | 天津大学 | 基于arm和乘法器的恒功率驱动电源及驱动方法 |
CN109932052A (zh) * | 2019-02-27 | 2019-06-25 | 天津大学 | 超声换能器机械谐振频率的快速追踪装置和方法 |
-
2019
- 2019-09-10 CN CN201910855139.7A patent/CN110702971B/zh active Active
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2003241133A (ja) * | 2002-02-14 | 2003-08-27 | Olympus Optical Co Ltd | 電磁駆動式アクチュエーターの駆動装置 |
CN202356278U (zh) * | 2011-12-15 | 2012-08-01 | 广州市美锐美容健康设备实业有限公司 | 自动扫频智能化超声波发生器 |
CN103252314A (zh) * | 2013-05-13 | 2013-08-21 | 河海大学常州校区 | 超声电源的动态匹配装置及其方法 |
CN203409422U (zh) * | 2013-06-28 | 2014-01-29 | 东莞华中科技大学制造工程研究院 | 一种超声驱动系统 |
CN104259081A (zh) * | 2014-07-30 | 2015-01-07 | 南京航空航天大学 | 一种压电换能器频率跟踪方法及系统 |
CN108832838A (zh) * | 2018-06-25 | 2018-11-16 | 天津大学 | 基于arm和乘法器的恒功率驱动电源及驱动方法 |
CN109932052A (zh) * | 2019-02-27 | 2019-06-25 | 天津大学 | 超声换能器机械谐振频率的快速追踪装置和方法 |
Cited By (22)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113922732A (zh) * | 2020-07-07 | 2022-01-11 | 保时捷股份公司 | 控制单元、驱动系、用于运行驱动系的方法及机动车辆 |
CN114681014B (zh) * | 2020-12-31 | 2023-03-10 | 安进医疗科技(北京)有限公司 | 超声外科手术设备控制系统 |
CN114681014A (zh) * | 2020-12-31 | 2022-07-01 | 安进医疗科技(北京)有限公司 | 超声外科手术设备控制系统 |
CN113318952A (zh) * | 2021-06-29 | 2021-08-31 | 长江智能科技(广东)股份有限公司 | 全数字化超声波发生器控制系统及方法 |
CN113594351A (zh) * | 2021-07-13 | 2021-11-02 | 杭州电子科技大学 | 一种谐振频率可调压电换能器及其频率调节控制系统 |
CN113922698A (zh) * | 2021-09-14 | 2022-01-11 | 深圳爱芯怡科技有限公司 | 压电陶瓷驱动电路及超声波雾化器 |
CN113985127A (zh) * | 2021-10-13 | 2022-01-28 | 杭州电子科技大学 | 应用于超声加工的多频段谐振频率追踪电路及方法 |
US12092670B2 (en) | 2021-10-13 | 2024-09-17 | Hangzhou Dianzi University | Multiband resonance frequency tracking circuit and method applied to ultrasonic machining |
WO2023060638A1 (zh) * | 2021-10-13 | 2023-04-20 | 杭州电子科技大学 | 应用于超声加工的多频段谐振频率追踪电路及方法 |
CN115996306A (zh) * | 2021-10-18 | 2023-04-21 | Oppo广东移动通信有限公司 | 驱动控制电路及方法、驱动模组、摄像头模组和电子设备 |
CN113934137A (zh) * | 2021-10-20 | 2022-01-14 | 江南大学 | 一种超声波电源谐振频率跟踪方法及系统 |
CN113934137B (zh) * | 2021-10-20 | 2022-07-15 | 江南大学 | 一种超声波电源谐振频率跟踪方法及系统 |
CN113985105A (zh) * | 2021-10-28 | 2022-01-28 | 广东利元亨智能装备股份有限公司 | 一种电流计量电路 |
CN114389470A (zh) * | 2021-12-23 | 2022-04-22 | 北京航空航天大学 | 一种基于电压闭环的压电陶瓷谐振频率跟踪电路 |
CN114389470B (zh) * | 2021-12-23 | 2024-05-28 | 北京航空航天大学 | 一种基于电压闭环的压电陶瓷谐振频率跟踪电路 |
CN114290685B (zh) * | 2021-12-30 | 2024-02-06 | 上海骄成超声波技术股份有限公司 | 一种超声波发生器和超声波系统 |
CN114290685A (zh) * | 2021-12-30 | 2022-04-08 | 上海骄成超声波技术股份有限公司 | 一种超声波发生器和超声波系统 |
CN114825996A (zh) * | 2022-05-09 | 2022-07-29 | 广西大学 | 一种数字化超声波电源及其控制方法 |
CN114825996B (zh) * | 2022-05-09 | 2024-09-06 | 广西大学 | 一种数字化超声波电源及其控制方法 |
WO2023221379A1 (zh) * | 2022-05-20 | 2023-11-23 | 以诺康医疗科技(苏州)有限公司 | 超声手术工具、其频率跟踪方法、其目标相位差确定方法及超声波换能器等效电路 |
WO2024022268A1 (zh) * | 2022-07-25 | 2024-02-01 | 上海逸思医疗科技股份有限公司 | 超声换能器的动态支路电流的控制方法及超声波手术系统 |
CN116037442A (zh) * | 2022-09-15 | 2023-05-02 | 深圳市泰达智能装备有限公司 | 一种恒振幅控制方法、装置及超声换能器系统 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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