CN112964921A - 一种超声设备的自动匹配网络及其匹配方法 - Google Patents

一种超声设备的自动匹配网络及其匹配方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超声设备的自动匹配网络及其匹配方法，超声设备包括整流滤波模块、逆变模块和换能模块，自动匹配网络包括处理器模块，处理器模块的输入端接有用于检测换能模块电压参数的电压互感器和用于检测换能模块电流参数的电流互感器，处理器模块的输出端接有数字电感模块，数字电感模块串联连接在逆变模块和换能模块之间，逆变模块和换能模块之间并联连接有匹配电容，逆变模块与处理器模块的输出端连接；数字电感模块能够通过处理器模块控制，切换选择输出不同的电感值。本发明能够有效应用在超声设备中，提高匹配网络的智能性、针对性、专业性和高效性，使超声设备中的换能模块处在最佳工作状态，提高换能效率，效果显著，便于推广。

Description

一种超声设备的自动匹配网络及其匹配方法
技术领域
本发明属于超声波电源技术领域，具体涉及一种超声设备的自动匹配网络及其匹配方法。
背景技术
在大功率超声设备中，匹配网络占有相当重要的地位，其功能主要是变阻和调谐。一方面，通过变阻匹配使超声电源具有最佳负载电阻，便于超声电源向换能器输出额定的电功率；另一方面，通过调谐匹配使换能器与负载组成的等效电路呈纯阻性，这样超声电源输出功率最大，振动系统输出效率最高，而且超声电源在谐振状态下的工作效率是最佳的，发热量也最小，换能器涡漏的概率最低。
现有技术中，超声设备匹配网络的电路参数固定，所对应的换能器参数单一，还停留在依靠人工调节阶段，操作复杂，不便于更换，具体包括以下不足：
(1)由于超声设备固有谐振频率的存在，导致必须有特定的匹配网络与其相适应，当超声设备谐振频率在某一固定频段，外部谐振匹配网络无需更换；当超声设备的谐振频率发生较大范围变化时，原有的匹配网络不再适应。
(2)在更换换能器时，需要根据换能器谐振频率以及换能器的等效参数，由人工重新计算匹配网络的参数，操作复杂，计算量与计算误差都相对较大，整个匹配过程受人工因素制约，导致匹配时间长，匹配精度低，影响工作效率。
(3)更换匹配网络(硬件电路)必须根据计算的匹配网络参数重新选取元件，并进行硬件电路连接。但目前的超声电源是将匹配网络与主电路制作成一体的，很难对匹配网络进行单独更换，导致人力、财力、物力的浪费。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种超声设备的自动匹配网络，其结构简单，设计合理，实现方便，结合匹配方法，能够有效应用在超声设备中，提高匹配网络的智能性、针对性、专业性和高效性，使超声设备中的换能模块处在最佳工作状态，换能效率高，功耗低，延长使用寿命，效果显著，便于推广。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种超声设备的自动匹配网络，所述超声设备包括整流滤波模块、逆变模块和换能模块，所述自动匹配网络包括处理器模块，所述处理器模块的输入端接有用于检测换能模块电压参数的电压互感器和用于检测换能模块电流参数的电流互感器，所述处理器模块的输出端接有数字电感模块，所述数字电感模块串联连接在逆变模块和换能模块之间，所述逆变模块和换能模块之间并联连接有匹配电容，所述逆变模块与处理器模块的输出端连接；所述数字电感模块能够通过所述处理器模块控制，切换选择输出不同的电感值。
上述的一种超声设备的自动匹配网络，所述数字电感模块包括串联连接的多个电感单元，每个所述电感单元包括并联连接的电感和数字开关。
上述的一种超声设备的自动匹配网络，通过所述数字开关的切换选择，所述数字电感模块输出的电感值范围为0.001μH～16.383μH，且能够以0.001μH为步进变化。
上述的一种超声设备的自动匹配网络，所述匹配电容的值为10nF。
本发明还公开了一种超声设备的自动匹配网络的匹配方法，采用上述的自动匹配网络，该方法包括以下步骤：
步骤一、设置所述处理器模块的扫频范围；
步骤二、所述处理器模块在扫频范围内，以1Hz递增，输出方波，控制逆变模块的输出电压频率；
步骤三、所述电压互感器采集换能模块的电压参数，所述电流互感器采集换能模块的电流参数，电压电流参数传输到处理器模块中；
步骤四、所述处理器模块根据换能模块的电压电流参数，获取换能模块的谐振频率和动态电阻；
步骤五、所述处理器模块计算换能模块的动态电感、动态电容和静态电容；
步骤六、所述处理器模块根据换能模块的谐振频率、动态电阻和静态电容，以及匹配电容的值，计算匹配电感值；
步骤七、所述处理器模块控制数字电感模块进行切换选择，输出匹配电感值。
上述的一种超声设备的自动匹配网络的匹配方法，步骤四中所述处理器模块根据换能模块的电压电流参数，获取换能模块的谐振频率和动态电阻的具体过程包括：所述处理器模块对采集到的电压电流参数进行相位差判断，当相位差值为零，即电压电流同相位时，对应的频率即为换能模块的谐振频率fs；此时的电压除以电流就是换能模块的动态电阻Rm。
上述的一种超声设备的自动匹配网络的匹配方法，步骤五中所述处理器模块计算换能模块的动态电感、动态电容和静态电容的具体过程包括：
步骤501、所述处理器模块给定频率1kHz，换能模块等效电路串联支路中动态电感Lm、动态电容Cm和动态电阻Rm进一步等效为动态电容Cm；
步骤502、推导计算动态电容Cm+静态电容C0；
动态电容Cm和静态电容C0两端的电压u为：
Figure BDA0002925139480000031
其中，Au为电压峰值，ω为频率1kHz对应的角频率，
Figure BDA0002925139480000032
为频率1kHz对应的相位差；
对电压u进行微分，
Figure BDA0002925139480000033
动态电容Cm和静态电容C0上电压电流关系式表示为：
Figure BDA0002925139480000034
当
Figure BDA0002925139480000035
时，电流峰值Imax＝(Cm+C0)ωAu；
得到
Figure BDA0002925139480000036
步骤503、推导动态电感Lm的表达式；
所述换能模块等效电路的等效阻抗Z的表达式为
Figure BDA0002925139480000041
Figure BDA0002925139480000042
其中，θ为相位差，因
Figure BDA0002925139480000043
远大于
Figure BDA0002925139480000044
因此
Figure BDA0002925139480000045
得到动态电感Lm的表达式为
Figure BDA0002925139480000046
步骤504、所述处理器模块再给定两个频率f1和f2，所述电压互感器和电流互感器采集换能模块的电压电流参数，并传输到处理器模块中，通过电压电流关系，获得频率f1对应的相位差θ1和频率f2对应的相位差θ2，以及频率f1对应的角频率ω1和频率f2对应的角频率ω2；
步骤505、推导计算动态电容Cm和动态电感Lm；
将得到的相位差θ1、相位差θ2、角频率ω1和角频率ω2代入动态电感Lm的表达式中，得到
Figure BDA0002925139480000047
得到动态电容
Figure BDA0002925139480000048
进而得到动态电感
Figure BDA0002925139480000051
步骤506、计算静态电容C0；
静态电容
Figure BDA0002925139480000052
上述的一种超声设备的自动匹配网络的匹配方法，步骤六中所述处理器模块根据换能模块的谐振频率、动态电阻和静态电容，以及匹配电容的值，计算匹配电感值的具体过程包括：
步骤601、所述换能模块串联谐振时等效电路的等效阻抗Zs的表达式为
Figure BDA0002925139480000053
其中，Rm为动态电阻，ωs为谐振角频率，ωs＝2πfs，fs为谐振频率，Cs＝C1+C0，C1为匹配电容，C0为静态电容，L1为匹配电感；
步骤602、令等效阻抗Zs的虚部为零，得到匹配电感
Figure BDA0002925139480000054
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明自动匹配网络的结构简单，设计合理，实现方便。
2、本发明设计超声设备的自动匹配网络，当超声设备中换能模块更换需要进行调谐匹配时，处理器模块获取换能模块的谐振频率，在匹配电容为定值的情况下，处理器模块计算出谐振频率下所需的最优匹配电感值，并通过处理器模块控制数字电感模块，切换选择输出最优电感值。
3、本发明的数字电感模块通过数字开关的切换选择，使数字电感模块输出的电感值范围为0.001μH～16.383μH，且能够以0.001μH为步进变化，输出范围大，步进变化小。
4、本发明能够自动检测超声设备中换能模块的谐振频率的变化，并将数字电感模块的匹配电感值调整为适合当前谐振频率的最优值，提高了匹配网络的智能性、针对性、专业性和高效性。
5、本发明能够有效应用在超声设备中，使超声设备中的换能模块处在最佳工作状态，换能效率高，功耗低，延长使用寿命，效果显著，便于推广。
综上所述，本发明自动匹配网络的结构简单，设计合理，实现方便，结合匹配方法，能够有效应用在超声设备中，提高匹配网络的智能性、针对性、专业性和高效性，使超声设备中的换能模块处在最佳工作状态，换能效率高，功耗低，延长使用寿命，效果显著，便于推广。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明自动匹配网络的原理框图；
图2为本发明数字电感模块的原理图；
图3为本发明换能模块给定频率1kHz时的等效电路图；
图4为本发明换能模块串联谐振时的等效电路图。
附图标记说明:
1—处理器模块； 2—电压互感器； 3—电流互感器；
4—数字电感模块； 40—电感单元； 410—电感；
420—数字开关； 5—匹配电容； 6—整流滤波模块；
7—逆变模块； 8—换能模块。
具体实施方式
如图1所示，为本发明的超声设备的自动匹配网络，所述超声设备包括整流滤波模块6、逆变模块7和换能模块8，所述自动匹配网络包括处理器模块1，所述处理器模块1的输入端接有用于检测换能模块8电压参数的电压互感器2和用于检测换能模块8电流参数的电流互感器3，所述处理器模块1的输出端接有数字电感模块4，所述数字电感模块4串联连接在逆变模块7和换能模块8之间，所述逆变模块7和换能模块8之间并联连接有匹配电容5，所述逆变模块7与处理器模块1的输出端连接；所述数字电感模块4能够通过所述处理器模块1控制，切换选择输出不同的电感值。
具体实施时，数字电感模块4和匹配电容5组成LC匹配电路，具有调谐和滤波的作用，数字电感模块4能够通过处理器模块1控制，使数字电感模块4输出不同的电感值。
本实施例中，如图2所示，所述数字电感模块4包括串联连接的多个电感单元40，每个所述电感单元包括并联连接的电感410和数字开关420。
本实施例中，通过所述数字开关420的切换选择，所述数字电感模块4输出的电感值范围为0.001μH～16.383μH，且能够以0.001μH为步进变化。
本实施例中，所述匹配电容5的值为10nF。
本发明的超声设备的自动匹配网络的匹配方法，包括以下步骤：
步骤一、设置所述处理器模块1的扫频范围；
具体实施时，已知换能模块8的串联谐振频率大概为20kHz，可将处理器模块1的扫频范围设置为18kHz到22kHz；
步骤二、所述处理器模块1在扫频范围内，以1Hz递增，输出方波，控制逆变模块7的输出电压频率；
步骤三、所述电压互感器2采集换能模块8的电压参数，所述电流互感器3采集换能模块8的电流参数，电压电流参数传输到处理器模块1中；
步骤四、所述处理器模块1根据换能模块8的电压电流参数，获取换能模块8的谐振频率和动态电阻；
步骤五、所述处理器模块1计算换能模块8的动态电感、动态电容和静态电容；
步骤六、所述处理器模块1根据换能模块8的谐振频率、动态电阻和静态电容，以及匹配电容5的值，计算匹配电感值；
步骤七、所述处理器模块1控制数字电感模块4进行切换选择，输出匹配电感值。
本实施例中，步骤四中所述处理器模块1根据换能模块8的电压电流参数，获取换能模块8的谐振频率和动态电阻的具体过程包括：所述处理器模块1对采集到的电压电流参数进行相位差判断，当相位差值为零，即电压电流同相位时，对应的频率即为换能模块8的谐振频率fs；此时的电压除以电流就是换能模块8的动态电阻Rm。
本实施例中，步骤五中所述处理器模块1计算换能模块8的动态电感、动态电容和静态电容的具体过程包括：
步骤501、所述处理器模块1给定频率1kHz，如图3所示，换能模块8等效电路串联支路中动态电感Lm、动态电容Cm和动态电阻Rm进一步等效为动态电容Cm；
步骤502、推导计算动态电容Cm+静态电容C0；
动态电容Cm和静态电容C0两端的电压u为：
Figure BDA0002925139480000081
其中，Au为电压峰值，ω为频率1kHz对应的角频率，
Figure BDA0002925139480000082
为频率1kHz对应的相位差；
对电压u进行微分，
Figure BDA0002925139480000083
动态电容Cm和静态电容C0上电压电流关系式表示为：
Figure BDA0002925139480000084
当
Figure BDA0002925139480000085
时，电流峰值Imax＝(Cm+C0)ωAu；
得到
Figure BDA0002925139480000086
步骤503、推导动态电感Lm的表达式；
所述换能模块8等效电路的等效阻抗Z的表达式为
Figure BDA0002925139480000087
Figure BDA0002925139480000088
其中，θ为相位差，因
Figure BDA0002925139480000091
远大于
Figure BDA0002925139480000092
因此
Figure BDA0002925139480000093
得到动态电感Lm的表达式为
Figure BDA0002925139480000094
步骤504、所述处理器模块1再给定两个频率f1和f2，所述电压互感器2和电流互感器3采集换能模块8的电压电流参数，并传输到处理器模块1中，通过电压电流关系，获得频率f1对应的相位差θ1和频率f2对应的相位差θ2，以及频率f1对应的角频率ω1和频率f2对应的角频率ω2；
步骤505、推导计算动态电容Cm和动态电感Lm；
将得到的相位差θ1、相位差θ2、角频率ω1和角频率ω2代入动态电感Lm的表达式中，得到
Figure BDA0002925139480000095
得到动态电容
Figure BDA0002925139480000096
进而得到动态电感
Figure BDA0002925139480000097
步骤506、计算静态电容C0；
静态电容
Figure BDA0002925139480000098
本实施例中，步骤六中所述处理器模块1根据换能模块8的谐振频率、动态电阻和静态电容，以及匹配电容5的值，计算匹配电感值的具体过程包括：
步骤601、如图4所示，所述换能模块8串联谐振时，换能模块8等效电路串联支路中动态电感Lm、动态电容Cm和动态电阻Rm进一步等效为动态电阻Rm；等效后的等效阻抗Zs的表达式为
Figure BDA0002925139480000101
其中，Rm为动态电阻，ωs为谐振角频率，ωs＝2πfs，fs为谐振频率，Cs＝C1+C0，C1为匹配电容5，C0为静态电容，L1为匹配电感；
步骤602、令等效阻抗Zs的虚部为零，得到匹配电感
Figure BDA0002925139480000102
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.一种超声设备的自动匹配网络，所述超声设备包括整流滤波模块(6)、逆变模块(7)和换能模块(8)，其特征在于：所述自动匹配网络包括处理器模块(1)，所述处理器模块(1)的输入端接有用于检测换能模块(8)电压参数的电压互感器(2)和用于检测换能模块(8)电流参数的电流互感器(3)，所述处理器模块(1)的输出端接有数字电感模块(4)，所述数字电感模块(4)串联连接在逆变模块(7)和换能模块(8)之间，所述逆变模块(7)和换能模块(8)之间并联连接有匹配电容(5)，所述逆变模块(7)与处理器模块(1)的输出端连接；
所述数字电感模块(4)能够通过所述处理器模块(1)控制，切换选择输出不同的电感值。
2.按照权利要求1所述的一种超声设备的自动匹配网络，其特征在于：所述数字电感模块(4)包括串联连接的多个电感单元(40)，每个所述电感单元包括并联连接的电感(410)和数字开关(420)。
3.按照权利要求2所述的一种超声设备的自动匹配网络，其特征在于：通过所述数字开关(420)的切换选择，所述数字电感模块(4)输出的电感值范围为0.001μH～16.383μH，且能够以0.001μH为步进变化。
4.按照权利要求1所述的一种超声设备的自动匹配网络，其特征在于：所述匹配电容(5)的值为10nF。
5.一种超声设备的自动匹配网络的匹配方法，其特征在于，采用如权利要求1-4所述的自动匹配网络，该方法包括以下步骤：
步骤一、设置所述处理器模块(1)的扫频范围；
步骤二、所述处理器模块(1)在扫频范围内，以1Hz递增，输出方波，控制逆变模块(7)的输出电压频率；
步骤三、所述电压互感器(2)采集换能模块(8)的电压参数，所述电流互感器(3)采集换能模块(8)的电流参数，电压电流参数传输到处理器模块(1)中；
步骤四、所述处理器模块(1)根据换能模块(8)的电压电流参数，获取换能模块(8)的谐振频率和动态电阻；
步骤五、所述处理器模块(1)计算换能模块(8)的动态电感、动态电容和静态电容；
步骤六、所述处理器模块(1)根据换能模块(8)的谐振频率、动态电阻和静态电容，以及匹配电容(5)的值，计算匹配电感值；
步骤七、所述处理器模块(1)控制数字电感模块(4)进行切换选择，输出匹配电感值。
6.按照权利要求5所述的一种超声设备的自动匹配网络的匹配方法，其特征在于，步骤四中所述处理器模块(1)根据换能模块(8)的电压电流参数，获取换能模块(8)的谐振频率和动态电阻的具体过程包括：所述处理器模块(1)对采集到的电压电流参数进行相位差判断，当相位差值为零，即电压电流同相位时，对应的频率即为换能模块(8)的谐振频率fs；此时的电压除以电流就是换能模块(8)的动态电阻Rm。
7.按照权利要求5所述的一种超声设备的自动匹配网络的匹配方法，其特征在于，步骤五中所述处理器模块(1)计算换能模块(8)的动态电感、动态电容和静态电容的具体过程包括：
步骤501、所述处理器模块(1)给定频率1kHz，换能模块(8)等效电路串联支路中动态电感Lm、动态电容Cm和动态电阻Rm进一步等效为动态电容Cm；
步骤502、推导计算动态电容Cm+静态电容C0；
动态电容Cm和静态电容C0两端的电压u为：
Figure FDA0002925139470000021
其中，Au为电压峰值，ω为频率1kHz对应的角频率，
Figure FDA0002925139470000024
为频率1kHz对应的相位差；
对电压u进行微分，
Figure FDA0002925139470000022
动态电容Cm和静态电容C0上电压电流关系式表示为：
Figure FDA0002925139470000023
当
Figure FDA0002925139470000031
时，电流峰值Imax＝(Cm+C0)ωAu；
得到
Figure FDA0002925139470000032
步骤503、推导动态电感Lm的表达式；
所述换能模块(8)等效电路的等效阻抗Z的表达式为
Figure FDA0002925139470000033
Figure FDA0002925139470000034
其中，θ为相位差，因
Figure FDA0002925139470000035
远大于
Figure FDA0002925139470000036
因此
Figure FDA0002925139470000037
得到动态电感Lm的表达式为
Figure FDA0002925139470000038
步骤504、所述处理器模块(1)再给定两个频率f1和f2，所述电压互感器(2)和电流互感器(3)采集换能模块(8)的电压电流参数，并传输到处理器模块(1)中，通过电压电流关系，获得频率f1对应的相位差θ1和频率f2对应的相位差θ2，以及频率f1对应的角频率ω1和频率f2对应的角频率ω2；
步骤505、推导计算动态电容Cm和动态电感Lm；
将得到的相位差θ1、相位差θ2、角频率ω1和角频率ω2代入动态电感Lm的表达式中，得到
Figure FDA0002925139470000041
得到动态电容
Figure FDA0002925139470000042
进而得到动态电感
Figure FDA0002925139470000043
步骤506、计算静态电容C0；
静态电容
Figure FDA0002925139470000044
8.按照权利要求7所述的一种超声设备的自动匹配网络的匹配方法，其特征在于，步骤六中所述处理器模块(1)根据换能模块(8)的谐振频率、动态电阻和静态电容，以及匹配电容(5)的值，计算匹配电感值的具体过程包括：
步骤601、所述换能模块(8)串联谐振时等效电路的等效阻抗Zs的表达式为
Figure FDA0002925139470000045
其中，Rm为动态电阻，ωs为谐振角频率，ωs＝2πfs，fs为谐振频率，Cs＝C1+C0，C1为匹配电容(5)，C0为静态电容，L1为匹配电感；
步骤602、令等效阻抗Zs的虚部为零，得到匹配电感
Figure FDA0002925139470000046
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