CN113386193B - 超音波驱动器及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供超音波驱动器及方法，用以驱动超音波工具。超音波驱动器包含开关模块、感测元件及控制元件。感测元件是用以感测超音波工具的电压及电流并据此产生感测信号。控制元件接收感测信号并输出控制信号。开关模块依据控制信号输出超音波信号以控制超音波工具振动。在超音波驱动器执行扫频功能时，依据超音波工具在不同操作频率下的电压及电流，控制元件获得超音波工具的频域阻抗特性及共振参考点，并决定操作区间及超音波信号的操作频率。超音波驱动器执行调频追随功能时，控制元件依据感测信号调整操作频率，以使超音波工具的阻抗维持一致。

Description

超音波驱动器及方法

技术领域

本公开涉及一种超音波驱动器及方法，特别涉及一种用以驱动超音波工具的超音波驱动器及方法。

背景技术

于现今的加工技术中，为加快加工速度并减少加工刀具的损耗，是引入超音波加工。超音波加工除了令刀具旋转外，更使刀具在垂直于加工面的方向上进行高频振动，通过振动对加工件施予锤击与磨蚀的效果，可使加工面产生裂缝或粉碎为细小微粒，让加工面上的材料更易于被移除，借此提升刀具寿命及加工速度。然而，随着超音波工具与刀具不断进行加工作业，受到温度、压力及变形等影响，超音波工具的频域阻抗特性将被改变。换言之，在相同的操作频率下，超音波工具的阻抗及相应的振幅将产生变化，进而影响刀具加工的效果及品质。

因此，如何发展一种可改善上述现有技术的超音波驱动器及方法，实为目前迫切的需求。

发明内容

本公开的目的在于提供一种超音波驱动器及方法，其是用以驱动超音波工具，且在超音波工具的频域阻抗特性发生变化时，超音波驱动器及方法可实时调整超音波工具的操作频率，而使得超音波工具的阻抗维持一致，相应地，超音波工具的振幅亦将维持一致。因此，可确保超音波工具的加工效果及品质。

为达上述目的，本公开提供一种超音波驱动器，其是用以驱动超音波工具。超音波驱动器包含开关模块、感测元件及控制元件。感测元件电连接于开关模块及超音波工具，用以感测超音波工具的电压及电流，并依据电压及电流产生感测信号。控制元件电连接于感测元件及开关模块，以接收感测信号，并输出控制信号至开关模块，其中开关模块依据控制信号输出超音波信号至超音波工具，超音波工具受超音波信号控制而进行振动。在超音波驱动器执行扫频功能时，依据超音波工具在不同操作频率下的电压及电流，控制元件获得超音波工具的频域阻抗特性及共振参考点，并依据共振参考点于频域阻抗特性中决定操作区间及超音波信号的操作频率。在超音波工具以操作频率进行振动时，超音波驱动器执行调频追随功能，控制元件依据感测信号调整操作频率，以使超音波工具的阻抗维持一致，且调整后的操作频率亦落于操作区间内。

为达上述目的，本公开另提供一种超音波驱动方法，用以驱动超音波工具，包含步骤：(a)执行扫频功能，以依据超音波工具在不同操作频率下的电压及电流获得超音波工具的频域阻抗特性及共振参考点，并依据共振参考点于频域阻抗特性中决定操作区间及操作频率；(b)对超音波工具进行特性诊断，若诊断结果存在异常，则控制超音波工具停止运行；(c)决定操作功率；(d)控制超音波工具以操作功率及操作频率进行发振；(e)判断超音波工具的电压及电流是否处于稳态，若判断结果为是，则执行步骤(f)，若判断结果为否，则执行步骤(h)；(f)执行调频追随功能，以通过调整操作频率而使超音波工具的阻抗维持一致，其中调整后的操作频率亦落于操作区间内；(g)判断是否发生系统变异，若判断结果为是，则执行该步骤(h)，若判断结果为否，则执行步骤(f)；以及(h)判断系统变异是否为可控制的，若判断结果为是，则执行步骤(d)，若判断结果为否，则控制超音波工具停止运行。

附图说明

图1为本公开优选实施例的超音波驱动器及超音波工具的电路架构示意图。

图2为图1的超音波工具的频域阻抗特性在初始时及发生偏移后的波形示意图。

图3为图1的超音波工具的等效电路示意图。

图4为本公开优选实施例的超音波驱动方法的流程示意图。

附图标记说明：

1：超音波驱动器

11：开关模块

12：感测元件

13：控制元件

14：整流电路

15：滤波电路

2：超音波工具

A：共振参考点

D1、D2：操作区间

Rs：电阻

Cp、Cs：电容

Ls：电感

具体实施方式

体现本公开特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本公开能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本公开的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非架构于限制本公开。

图1为本公开优选实施例的超音波驱动器及超音波工具的电路架构示意图。如图1所示，超音波驱动器1是用以驱动超音波工具2，超音波驱动器1包含开关模块11、感测元件12、控制元件13、整流电路14及滤波电路15，超音波工具2可为任何受超音波信号控制而进行振动的工具。感测元件12电连接于开关模块11及超音波工具2，且感测元件12是架构于感测超音波工具2的电压及电流，并依据所感测的电压及电流产生感测信号。控制元件13电连接于感测元件12及开关模块11，以接收感测信号，并输出控制信号至开关模块11。通过感测信号，控制元件13可获知超音波工具2的电压及电流，甚至是经由计算获得超音波工具2的阻抗，并依据超音波工具2的阻抗产生该控制信号。开关模块11依据控制信号输出超音波信号至超音波工具2，超音波工具2是受超音波信号控制而进行振动，且超音波工具2是以超音波信号的操作频率进行振动。于一些实施例中，控制元件13是通过控制信号来控制开关模块11中的开关运行，借此调整开关模块11所输出的超音波信号的操作频率。整流电路14电连接于开关模块11，整流电路14接收交流电源，并将交流电源转换为直流电源。滤波电路15电连接于开关模块11与感测元件12之间，滤波电路15对直流电源进行滤波，并将滤波后的直流电源输出至超音波工具2，借此为超音波工具2供电。此外，滤波电路15亦可用于对开关模块11所输出的超音波信号进行滤波。

在超音波驱动器1开始运行时，超音波驱动器1是执行扫频功能。在扫频功能下，超音波驱动器1发送一低频至高频的电压命令至超音波工具2，感测元件12感测超音波工具2在不同操作频率下的电压及电流，控制元件13据此可推得超音波工具2在不同操作频率下的阻抗，从而获得超音波工具2的频域阻抗特性。频域阻抗特性中具有共振参考点，控制元件13依据共振参考点于频域阻抗特性中决定操作区间，并于操作区间内决定初始的操作频率。于一些实施例中，初始的操作频率为操作区间的中心频率。

随着加工的进行，受到温度、压力及变形等影响，超音波工具2的频域阻抗特性将随之偏移。换言之，在初始的操作频率下，超音波工具2的阻抗及振幅将渐渐改变。由于感测元件12是持续感测超音波工具2的电压及电流，故在超音波工具2的阻抗改变时，控制元件13即可通过感测元件12的感测信号而实时得知。此时，超音波驱动器1执行调频追随功能，控制元件13依据感测信号调整超音波工具2的操作频率，以使超音波工具2的阻抗及振幅维持一致。须注意的是，超音波驱动器1是于操作区间的范围内对操作频率进行调整，换言之，调整后的操作频率亦须落于操作区间内。

因此，通过执行扫频功能，超音波驱动器1可获得超音波工具2的频域阻抗特性及共振参考点，并决定操作区间及初始的操作频率。而当超音波工具2的频域阻抗特性发生偏移时，超音波驱动器1执行调频追随功能，以经由调整操作频率而使超音波工具2的阻抗及振幅维持一致，从而确保加工品质。

于一些实施例中，在超音波驱动器1执行扫频功能时，所决定的初始操作频率具有对应的参考阻抗，而在超音波驱动器1执行调频追随功能时，控制元件13依据感测信号获得超音波工具2的实时阻抗，控制元件13是调整操作频率而使实时阻抗与参考阻抗保持一致。

图2为超音波工具的频域阻抗特性在初始时及发生偏移后的波形示意图。于图2中，在超音波工具2初始运行时，通过执行扫频功能所获得的频域阻抗特性是以实线表示，而当超音波工具2运行一段时间后，发生偏移的频域阻抗特性是以虚线表示。在初始的频域阻抗特性中，超音波工具2在共振参考点A上具有最小的阻抗，操作区间可设于共振参考点A的左右两侧，例如图2中的操作区间D1及D2。操作区间的宽度可为例如但不限于100Hz，而操作区间的中心频率与共振参考点A之间可为例如但不限于相差60Hz。以下是以选择操作区间D1的情况进行示例说明。假使选择点P所对应的频率作为超音波工具2的初始操作频率，在超音波工具2运行一段时间后，超音波工具2的频域阻抗特性发生偏移，因此，在初始的操作频率下，超音波工具2的阻抗有所不同。而为使超音波工具2的阻抗保持相同，超音波驱动器1是执行调频追随功能，以将超音波工具2的操作频率调整为点P’所对应的频率。其中点P与点P’所对应的阻抗是相同，借此超音波驱动器1可控制超音波工具2的阻抗维持一致。于一些实施例中，在操作区间内，超音波工具2的操作频率与阻抗之间维持反相关(例如操作区间D1)或正相关(例如操作区间D2)。具体而言，若超音波驱动器1在执行扫频功能时选择操作区间D1，则超音波工具2的操作频率与阻抗之间将维持反相关，反之，若超音波驱动器1在执行扫频功能时选择操作区间D2，则超音波工具2的操作频率与阻抗之间将维持正相关。因此，可依实际操作需求来决定操作区间，且在超音波驱动器1因应频域阻抗特性的偏移而对操作频率进行调整时，可具有唯一的调整方式。

于一些实施例中，超音波驱动器1仅于整体系统(包含超音波驱动器及超音波工具)处于稳定时执行调频追随功能，而对于整体系统是否稳定的判断标准则需视实际情况而定。举例而言，若所感测的超音波工具2的电压及电流非处于稳态，则可认定系统发生变异(即系统并不稳定)。同理，若使用者修改输出功率，由于修改输出功率将导致超音波工具2的电压及电流不稳定，故此时亦可认定系统发生变异。超音波工具2的电压及电流是否处于稳态可通过其变化幅度来判断，若感测元件12所测量的电压及电流的变化幅度较小(例如但不限于5％)，则超音波工具2的电压及电流处于稳态。此外，于一些实施例中，若超音波工具2的阻抗变化超出预设幅度，也可认定系统发生变异，其中该预设幅度可为例如但不限于5～20％，可视实际情况进行调整。

再者，于一些实施例中，通过超音波工具2的等效电路，可验证超音波驱动器1所获的感测信号及频域阻抗特性是否正确，并以此判断系统是否发生变异。具体而言，如图3所示，超音波工具2具有等效电路，等效电路包含电阻Rs、电容Cp、Cs及电感Ls，等效电路的转移函数列于等式(1)：

，等效电路中预设有多个预设参数，其中该多个预设参数分别为电阻Rs、电容Cp、Cs及电感Ls的预设值，且该多个预设参数是由超音波驱动器1通过执行扫频功能所获得。控制元件13将所获的感测信号及频域阻抗特性代入等式(1)，则可获得电阻Rs、电容Cp、Cs及电感Ls的实际值，并将其作为等效电路的实际参数。因此，可对预设参数及实际参数进行比较，若预设参数与实际参数相符，即可推得超音波驱动器1所获的感测信号及频域阻抗特性正确，并进而得知系统稳定。反之，若预设参数与实际参数不符，则可推测系统发生变异。

图4为本公开优选实施例的超音波驱动方法的流程示意图。如图4所示，首先，超音波驱动器1执行扫频功能，以获取超音波工具2的频域阻抗特性、共振参考点及初始的操作频率。接着，对超音波工具2的特性进行诊断，例如但不限于诊断超音波工具2的频域阻抗特性是否存在异常，若判定超音波工具2的特性存在异常，则停止运行，而若判定可操作超音波工具2，则进一步令使用者决定操作功率。在决定操作功率后，超音波驱动器1是控制超音波工具2以初始的操作频率发振。而后，在超音波工具2的电压及电流处于稳态时，超音波驱动器1持续执行调频追随功能，以使超音波工具2的阻抗维持一致。然而，若判断到系统发生变异(系统变异的具体情况可为例如但不限于超音波工具2的电压及电流非处于稳态、使用者修改操作功率、超音波工具2的等效电路的预设参数与实际参数不符)，则不执行调频追随功能。在系统发生变异时，是判断此系统变异是否可控制，若不可控制，则超音波驱动器1停止运行，若可控制，超音波驱动器1继续驱动超音波工具2发振，并待超音波工具2的电压及电流处于稳态后再执行调频追随功能。其中，当操作功率改变时，超音波工具2的电压及电流将对应产生变化，此时电压及电流是处于暂态，而经过一段时间后，超音波工具2的电压及电流将趋于稳定而重归稳态。

综上所述，本公开提供一种超音波驱动器及方法，其是用以驱动超音波工具。通过执行扫频功能，超音波驱动器及方法可获得超音波工具的频域阻抗特性及共振参考点，并决定操作区间及初始的操作频率。而当超音波工具的频域阻抗特性发生偏移时，超音波驱动器及方法执行调频追随功能，以经由调整操作频率而使超音波工具的阻抗及振幅维持一致，从而确保加工品质。此外，超音波工具具有等效电路，超音波驱动器可通过执行扫频功能获得等效电路中的预设参数，同时依据感测信号及频域阻抗特性获得等效电路的实际参数。因此，超音波驱动器可经由比较预设参数及实际参数来对所获的感测信号及频域阻抗特性进行验证，进而推得系统处于稳定或变异状态。

须注意，上述仅是为说明本公开而提出的优选实施例，本公开不限于所述的实施例，本公开的范围由权利要求决定。且本公开得由本领域技术人员任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱权利要求所欲保护者。

Claims (12)

1.一种超音波驱动器，用以驱动一超音波工具，且包含：

一开关模块；

一感测元件，电连接于该开关模块及该超音波工具，用以感测该超音波工具的一电压及一电流，并依据该电压及该电流产生一感测信号；以及

一控制元件，电连接于该感测元件及该开关模块，以接收该感测信号，并输出一控制信号至该开关模块，其中该开关模块依据该控制信号输出一超音波信号至该超音波工具，该超音波工具受该超音波信号控制而进行振动，

其中，在该超音波驱动器执行一扫频功能时，依据该超音波工具在不同操作频率下的该电压及该电流，该控制元件获得该超音波工具的一频域阻抗特性及一共振参考点，并依据该共振参考点于该频域阻抗特性中决定一操作区间及该超音波信号的一操作频率，

在该超音波工具以该操作频率进行振动时，该超音波驱动器执行一调频追随功能，该控制元件依据该感测信号调整该操作频率，以使该超音波工具的一阻抗维持一致，且调整后的该操作频率亦落于该操作区间内，其中，该操作区间设于该共振参考点的左右两侧。

2.如权利要求1所述的超音波驱动器，其中在该超音波驱动器执行该扫频功能时，所决定的该操作频率具有对应的一参考阻抗，而在该超音波驱动器执行该调频追随功能时，该控制元件依据该感测信号获得该超音波工具的一实时阻抗，该控制元件是调整该操作频率而使该实时阻抗与该参考阻抗保持一致。

3.如权利要求1所述的超音波驱动器，其中在该频域阻抗特性中，该超音波工具在共振参考点上具有最小的阻抗。

4.如权利要求1所述的超音波驱动器，其中该超音波驱动器是于该超音波工具的该电压及该电流处于稳态时执行该调频追随功能。

5.如权利要求1所述的超音波驱动器，其中该超音波工具具有一等效电路，该超音波驱动器通过执行该扫频功能获得该等效电路的多个预设参数，该控制元件是依据该频域阻抗特性及该感测信号获得该等效电路的多个实际参数，并经由比较该多个预设参数及该多个实际参数来对该频域阻抗特性及该感测信号进行验证。

6.如权利要求1所述的超音波驱动器，还包含一整流电路及一滤波电路，其中该整流电路电连接于开关模块，该整流电路接收一交流电源并转换为一直流电源，该滤波电路电连接于该开关模块与该感测元件之间，该滤波电路对该直流电源进行滤波，并将滤波后的该直流电源输出至该超音波工具。

7.如权利要求6所述的超音波驱动器，其中该滤波电路对该开关模块所输出的该超音波信号进行滤波。

8.一种超音波驱动方法，用以驱动一超音波工具，包含：

(a)执行一扫频功能，以依据该超音波工具在不同操作频率下的一电压及一电流获得该超音波工具的一频域阻抗特性及一共振参考点，并依据该共振参考点于该频域阻抗特性中决定一操作区间及一操作频率；

(b)对该超音波工具进行特性诊断，若诊断结果存在异常，则控制该超音波工具停止运行；

(c)决定一操作功率；

(d)控制该超音波工具以该操作功率及该操作频率进行发振；

(e)判断该超音波工具的该电压及该电流是否处于稳态，若判断结果为是，则执行一步骤(f)，若判断结果为否，则执行一步骤(h)；

(f)执行一调频追随功能，以通过调整该操作频率而使该超音波工具的一阻抗维持一致，其中调整后的该操作频率亦落于该操作区间内；

(g)判断是否发生一系统变异，若判断结果为是，则执行该步骤(h)，若判断结果为否，则执行该步骤(f)；以及

(h)判断该系统变异是否为可控制的，若判断结果为是，则执行该步骤(d)，若判断结果为否，则控制该超音波工具停止运行，

其中，该操作区间设于该共振参考点的左右两侧。

9.如权利要求8所述的超音波驱动方法，其中该超音波工具的该阻抗的变化程度小于一预设幅度。

10.如权利要求8所述的超音波驱动方法，其中在该操作区间内，该超音波工具的该操作频率与该阻抗之间为正相关。

11.如权利要求8所述的超音波驱动方法，其中在该操作区间内，该超音波工具的该操作频率与该阻抗之间为反相关。

12.如权利要求8所述的超音波驱动方法，其中于该步骤(a)中，执行该扫频功能时所获的该操作频率为该操作区间的一中心频率。

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