CN117032383A - 一种超声波换能器输出功率的控制方法、系统及设备 - Google Patents
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Abstract
本实施例公开了一种超声波换能器输出功率的控制方法、系统及设备，超声波发生器输出预设频率的电压信号至超声波换能器，同时接收超声波换能器的反馈电流信号，计算输出的电压信号与反馈的电流信号之间的相位差，以及根据所述相位差对输出电压信号进行调节，控制所述超声波换能器输出的功率为指定极限值。本实施例提供的方法在现有技术中的PID算法基础上，提出了比例系数可变的调节方式，使得基于不同相位差使用不同的比例系统计算得到输出电压值，利用计算得到的输出电压值调节输出电压，以使得超声波换能器输出功率最大，从而提高了超声波换能器的锁相精度和锁相时间。
Description
技术领域
本发明涉及超声波控制领域，尤其涉及的是一种超声波换能器输出功率的控制方法、系统及设备。
背景技术
现有技术中的常用的超声波相位控制方法一般是PID算法。PID算法是指在过程控制中，按偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)进行控制的方法，其控制原理简单，且容易实现。利用PID算法实现控制的控制器为PID控制器。PID控制器虽然在控制过程中可以改善响应速度和阻尼，但是在进行超声波换能器的输出功率控制时，超声波换能器的锁相精度和锁相时间达不到要求，无法精准控制的需求。
因此，现有技术有待改进。
发明内容
鉴于上述现有技术中的不足之处，本发明的目的在于为用户提供一种超声波相位差的控制方法、系统及设备，克服现有技术中的超声波相位差控制方法中锁相精度和锁相时间达不到要求的缺陷。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
第一方面，本实施例公开了一种超声波换能器输出功率的控制方法，其中，应用于超声波发生器，所述控制方法包括：
输出预设频率的电压信号至超声波换能器，同时接收超声波换能器的反馈电流信号；
计算输出的电压信号与反馈的电流信号之间的相位差；
根据所述相位差对输出电压信号进行调节，控制所述超声波换能器输出的功率为指定极限值。
可选的，所述根据所述相位差对输出电压信号进行调节的步骤包括：
根据所述相位差确定控制参数，根据控制参数对输出电压信号进行调节控制；所述控制参数包括：比例系数、积分时间常数和微分时间常数。
可选的，所述根据所述相位差确定控制参数的步骤包括：
判断相位差是否处于预设第一范围，若处于，则以第一预设值为比例系数；否则，以第二预设值为比例系数。
可选的，所述根据控制参数对输出电压信号进行调节控制的步骤包括：
根据确定出的比例系数、积分时间常数、微分时间常数，按照预设调节公式，计算得到调节后的电压值，根据计算得到的电压值对输出电压信号进行调节；所述调节公式为：
其中，u(t)为调节后超声波发生器输出电压信号，Kp为比例系数，Tt为积分时间常数，TD为微分时间常数，e(t)为调节前超声波发生器输出电压信号和接收到的反馈电流信号之间的相位差。
可选的，所述第一范围为：相位差大于或者小于预设数值。
可选的，所述第一预设值、第二预设值为预设固定常数值。
可选的，所述积分时间常数和微分时间常数为预设固定常数值。
第二方面，本实施例公开了一种超声波换能器输出功率的控制系统，其中，应用于超声波发生器，所述控制系统包括：
信号输出与接收模块，用于输出预设频率的电压信号至超声波换能器，同时接收超声波换能器的反馈电流信号；
相位差计算模块，用于计算输出的电压信号与反馈的电流信号之间的相位差；
功率调节模块，用于根据所述相位差对输出电压信号进行调节，控制所述超声波换能器输出的功率为指定极限值。
第三方面，本实施例还公开了一种超声波发生器，其中，与超声波换能器相连接，用于调节所述超声波换能器的输出功率，所述超声波发生器包括：存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现任一项所述方法的步骤。
第四方面，本实施例还公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的方法的步骤。
有益效果:
本实施例公开了一种超声波换能器输出功率的控制方法、系统及设备，超声波发生器输出预设频率的电压信号至超声波换能器，同时接收超声波换能器的反馈电流信号，计算输出的电压信号与反馈的电流信号之间的相位差，以及根据所述相位差对输出电压信号进行调节，控制所述超声波换能器输出的功率为指定极限值。本实施例提供的方法在现有技术中的PID算法基础上，提出了比例系数可变的调节方式，使得基于不同相位差使用不同的比例系统计算得到输出电压值，利用计算得到的输出电压值调节输出电压，以使得超声波换能器输出功率最大，从而提高了超声波换能器的锁相精度和锁相时间。
附图说明
图1为本发明实施例中超声波换能器输出功率的控制方法的流程图；
图2为本发明实施例中具体应用实施例时的控制原理示意图；
图3为本发明实施例中相位差的曲线示意图；
图4为本发明实施例中频率调节的曲线示意图；
图5为本发明实施例中调节公式对应的算法原理示意图；
图6是本发明实施例中超声波换能器输出功率的控制系统原理框图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
随着半导体封装设备制造业的发展，利用超声波控制技术也在日益进步。在超声波控制技术中最为重要的部分为超声波PID控制器，即输出的电信号与反馈的电信号相位差的控制技术。PID控制器是一种广泛应用的控制器，它通过对过去误差、当前误差和未来误差的加权平均值进行控制，使输出值趋近于设定值。PID控制器具有控制精度高、响应速度快、稳态误差小等优点，在工业自动化、机器人控制、航空航天等领域得到广泛应用。
超声波换能器是提供超声能量的设备，超声波发生器是产生激励信号，并向超声波换能器提供超声能量的设备，根据超声波换能器的需求和超声波换能器在谐振频率处的阻抗最低的特性，超声波PID控制器，根据超声波换能器实际的谐振频率来控制电源输出的电压和反馈电流的相位差，当电压和电流之间的相位差为零时，超声波换能器输出的功率值最大。但是由于存在对阻尼不利的影响，PID控制方法对超声波换能器进行控制时，超声波换能器的锁相精度和锁相时间无法满足锁相精度高和锁相时间短的需求。
为了更好的解决现有技术中提出的上述问题，本实施例公开了一种超声波换能器输出功率的控制方法、系统及设备，通过计算输出的电压信号与超声波换能器反馈的电流信号之间的相位差，再根据所述相位差对输出电压信号进行调节，以使得所述超声波换能器输出的功率为最大值。由于基于相位差的不同，对应不同的输出电压，以使得超声波换能器输出的功率值保持最大，从而提高了超声波换能器的锁相精度和缩小了锁相时间，并且本实施例提供的方法实施方便，操作简单。
下面结合附图所示，对本实施例提供的一种超声波换能器输出功率的控制方法做详细的说明。
本实施例公开了一种超声波换能器输出功率的控制方法，如图1所示，应用于超声波发生器，所述控制方法包括：
步骤S1、输出预设频率的电压信号至超声波换能器，同时接收超声波换能器的反馈电流信号。
超声波发生器是产生激励信号，并向超声波换能器提供超声能量的设备。结合图2所示，输出一个预设频率的正弦波到超声波换能器，在超声波发生器对超声波换能器的功率进行控制时，首先根据超声波换能器实际的谐振频率，产生一预设频率的正弦波信号，并将该正弦波信号通过电缆传输到超声波换能器，当超声波换能器接收到输入的正弦波信号后，反馈电流信号至超声波发生器。
步骤S2、计算输出的电压信号与反馈的电流信号之间的相位差。
相位差即是两个做周期变化的物理量的相之间的差值，为两个频率相同的交流电相位的相位差，当其为正值时前者超前于后者，当其为负值时则滞后于后者。当其为零或者π的偶数倍时，两个物理量同相，为π的奇数倍时则称反相。
结合图3所示，当超声波发生器接收到反馈的电流信号后，分别获取输出电压信号对应的相位和反馈的电流信号的相位，根据同一时刻电压信号和电流信号对应的相位，计算得到该时刻任意时刻输出的电压信号与超声波换能器反馈的电流信号之间的相位差，进而得到相位差曲线。
步骤S3、根据所述相位差对输出电压信号进行调节，以使得所述超声波换能器输出的功率为最大值。
当计算得到当前输出电压值与反馈得到的电流信号之间的相位差时，则根据当前相位差，对输出信号的频率进行调节，结合图4所示，以实现超声波换能器的输出功率保持在最大值，并且在最短的时间内控制锁相达到最佳，同时提高机器的工作效率。
进一步的，所述根据所述相位差对输出电压信号进行调节的步骤包括：
根据所述相位差确定控制参数，根据控制参数对输出电压信号进行调节控制；所述控制参数包括：比例系数、积分时间常数和微分时间常数。
本实施例中所提供的控制参数基于PID算法中按偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)进行控制的原理延伸得到，其将原PID算法中的比例(P)设置为可变化的量，基于相位差所对应的数值范围不同，则选择不同的比例系数，以计算得到的输出电压值，控制超声波换能器的功率，从而提高锁相精度和缩短锁相时间。
为了实现更好的控制效果，本实施例中引用可调节的比例系数，以实现根据不同的相位差确定不同的比例系数，具体的，所述根据所述相位差确定控制参数的步骤包括：
判断相位差是否处于预设第一范围，若处于预设第一范围，则以第一预设值为比例系数(第一比例系数)；否则，以第二预设值为比例系数(第二比例系数)。所述第一范围为：相位差大于或者小于预设数值。所述第一预设值、第二预设值为预设固定常数值。
具体的，所述根据控制参数对输出电压信号进行调节控制的步骤包括：
根据确定出的比例系数、积分时间常数、微分时间常数，按照预设调节公式，计算得到调节后的电压值，根据计算得到的电压值对输出电压信号进行调节；所述调节公式为：
其中，u(t)为调节后超声波发生器输出电压信号，Kp为比例系数，Tt为积分时间常数，TD为微分时间常数，e(t)为调节前超声波发生器输出电压信号和接收到的反馈电流信号之间的相位差。在一种实施方式中，所述积分时间常数和微分时间常数为预设固定常数值。
结合图5所示，当接收到反馈的电流信号后，对输出电压信号的调节涉及到图中所示的四个部分，第一部分和第二部分为比例系数，当相位差处于不同的范围，则选择使用不同的比例系统，第三部分为积分常数、第四部分为微分时间常数。当计算得到相位差后，则根据相位差确定出本次调节所对应的比例系统，基于确定出的比例系数、积分时间常数和微分时间常数调节输出的电压信号，从而实现对超声波换能器功率的调节。
本实施例是基于PID算法推出的基于比例系数、积分时间常数和微分时间常数的一种控制算法，该比例系数为可变化的量，在具体实施例，可以根据需要设置多个不同的固定值，根据相位差处于不同的数值范围，对应使用不同固定值的比例系数，以达到超声波换能器取得锁相精度高和锁相时间短的效果。本申请实施例提供的方法中涉及的控制技术与传统PID控制技术主要区别是比例系数(R)的算法，本实施例中提出的比例系数是原PID控制算法中R的拓展，当相位差在不同范围时，会选择使用不同的比例系数，选择第一比例系数或第二比例系数。例如：在相位差小于正负20℃时，第一比例系数起作用；当相位差大于正负20℃时，第二比例系数起作用。利用本申请提供的方法，可以使超声波换能器锁相精度达到±4℃以内，锁相时间小于2MS。
下面以本实施例在具体应用时的一个实施例为例，对本发明所提供的方法做进一步的说明。
超声波发生器与超声波换能器通过电缆连接，超声波发生器输出一个预设频率(根据换能器实际谐振频率附近设定)的正弦波输出到超声波换能器，超声波换能器(内部电路等效RC并联电路)把电流信号反馈给超声发生器。
超声波发生器收到电流信号后会计算输入到超声波换能器的电压信号与超声波换能器反馈的电流信号之间的相位差，通过本发明提供的上述算法，不断的调节输出信号的频率。
在具体实施例中，设置公式为：
u(t)＝P(R)×GAP+I×GAP+D×(GAP-GAP1)；
其中，u(t)为调节后输出的电压值，GAP为相位差，GAP1是上一次计算的相位差，GAP是本次的相位差，R为比例系数的第一预设值，P为比例系数的第二预设值，D为微分时间常数，I为积分时间常数。
在一种实施例中，当计算得到的相位差大于20或者小于-20时，使用第一预设值R，否则使用第二预设值P；默认第二预设值P设置固定值为100，第一预设值R设置固定值为400。利用上述公式，依次将P＝100，R＝400，I＝100D＝50代入，则可以在2ms内锁相精度达到±4°内。
本实施例在公开了上述方法的基础上，还公开了一种超声波换能器输出功率的控制系统，如图6所示，所述控制系统包括：
信号输出与接收模块100，用于输出预设频率的电压信号至超声波换能器，同时接收超声波换能器的反馈电流信号；其功能如步骤S1所述。
相位差计算模块200，用于计算输出的电压信号与反馈的电流信号之间的相位差；其功能如步骤S2所述。
功率调节模块300，用于根据所述相位差对输出电压信号进行调节，以使得所述超声波换能器输出的功率为最大值，其功能如步骤S3所述。
进一步的，所述功率调节模块包括：
参数确定单元，用于根据所述相位差确定控制参数；所述控制参数包括：比例系数、积分时间常数和微分时间常数。
调节控制单元，用于根据控制参数对输出电压信号进行调节控制。
进一步的，所述根据所述相位差确定控制参数的步骤包括：
判断相位差是否处于预设第一范围，若处于，则以第一预设值为比例系数；否则，以第二预设值为比例系数。
所述参数确定单元包括：
公式计算分单元，用于根据确定出的比例系数、积分时间常数、微分时间常数，按照预设调节公式，计算得到调节后的电压值，根据计算得到的电压值对输出电压信号进行调节；所述调节公式为：
其中，u(t)为调节后超声波发生器输出电压信号，Kp为比例系数，Tt为积分时间常数，TD为微分时间常数，e(t)为调节前超声波发生器输出电压信号和接收到的反馈电流信号之间的相位差。
较佳的，所述第一范围为：相位差大于或者小于预设数值。所述第一预设值、第二预设值为预设固定常数值。所述积分时间常数和微分时间常数为预设固定常数值。
本实施例在公开上述方法的基础上，还公开了一种超声波发生器，与超声波换能器相连接，用于调节超声波换能器的输出功率，所述超声波发生器包括：存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其中，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述方法的步骤。
所述处理器通常控制装置的整体操作，诸如与显示，电话呼叫，数据通信，相机操作和记录操作相关联的操作。处理器可以完成上述的聚集诱导发光分子筛选的方法的全部或部分步骤。此外，处理器可以包括一个或多个模块，便于处理器和其他组件之间的交互。例如，处理器可以包括多媒体模块，以方便多媒体组件和处理器之间的交互。所述处理器在一些实施例中可以是一中央处理器，微处理器或其他数据处理芯片，用于运行所述存储器中存储的程序代码或处理数据，例如执行所述荧光量子产率预测模型的训练步骤等。
存储器被配置为存储各种类型的数据以支持在设备的操作。这些数据的示例包括用于在装置上操作的任何应用程序或方法的指令，联系人数据，电话簿数据，消息，图片，视频等。存储器可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随机存取存储器，电可擦除可编程只读存储器，可擦除可编程只读存储器，可编程只读存储器，只读存储器，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。
所述存储器在一些实施例中可以是播放装置的内部存储单元，例如智能电视的硬盘或内存。所述存储器在另一些实施例中也可以是所述播放装置的外部存储设备，例如所述智能电视上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(SecureDigital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器还可以既包括所述播放装置的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器用于存储安装于所述播放装置的应用软件及各类数据，例如所述安装智能电视的程序代码等。所述存储器还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。在一种实施例中，存储器上存储有超声波换能器输出功率的控制方法的控制程序，该基于使用超声波换能器输出功率的控制方法的控制程序可被处理器所执行，从而实现本实施例中超声波换能器输出功率的控制方法。
在示例性实施例中，装置可以被一个或多个应用专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理设备(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、控制器、微控制器、微处理器或其他电子元件实现，用于执行上述方法。
本实施例还公开一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的方法的步骤。
本实施例公开了一种超声波换能器输出功率的控制方法、系统及设备，超声波发生器输出预设频率的电压信号至超声波换能器，同时接收超声波换能器的反馈电流信号，计算输出的电压信号与反馈的电流信号之间的相位差，以及根据所述相位差对输出电压信号进行调节，以使得所述超声波换能器输出的功率为最大值。本实施例提供的方法在现有技术中的PI D算法基础上，提出了比例系数可变的调节方式，使得基于不同相位差使用不同的比例系统计算得到输出电压值，利用计算得到的输出电压值调节输出电压，以使得超声波换能器输出功率最大，从而提高了超声波换能器的锁相精度和锁相时间。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本发明旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，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，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种超声波换能器输出功率的控制方法，其特征在于，应用于超声波发生器，所述控制方法包括：
输出预设频率的电压信号至超声波换能器，同时接收超声波换能器的反馈电流信号；
计算输出的电压信号与反馈的电流信号之间的相位差；
根据所述相位差对输出电压信号进行调节，控制所述超声波换能器输出的功率为指定极限值。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述根据所述相位差对输出电压信号进行调节的步骤包括：
根据所述相位差确定控制参数，根据控制参数对输出电压信号进行调节控制；所述控制参数包括：比例系数、积分时间常数和微分时间常数。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述根据所述相位差确定控制参数的步骤包括：
判断相位差是否处于预设第一范围，若处于，则以第一预设值为比例系数；否则，以第二预设值为比例系数。
4.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述根据控制参数对输出电压信号进行调节控制的步骤包括：
根据确定出的比例系数、积分时间常数、微分时间常数，按照预设调节公式，计算得到调节后的电压值，根据计算得到的电压值对输出电压信号进行调节；所述调节公式为：
其中，u(t)为调节后超声波发生器输出电压信号，Kp为比例系数，Tt为积分时间常数，TD为微分时间常数，e(t)为调节前超声波发生器输出电压信号和接收到的反馈电流信号之间的相位差。
5.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述第一范围为：相位差大于或者小于预设数值。
6.根据权利要求3或5所述的超声波相位差的控制方法，其特征在于，所述第一预设值、第二预设值为预设固定常数值。
7.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述积分时间常数和微分时间常数为预设固定常数值。
8.一种超声波换能器输出功率的控制系统，其特征在于，应用于超声波发生器，所述控制系统包括：
信号输出与接收模块，用于输出预设频率的电压信号至超声波换能器，同时接收超声波换能器的反馈电流信号；
相位差计算模块，用于计算输出的电压信号与反馈的电流信号之间的相位差；
功率调节模块，用于根据所述相位差对输出电压信号进行调节，控制所述超声波换能器输出的功率为指定极限值。
9.一种超声波发生器，其特征在于，与超声波换能器相连接，用于调节所述超声波换能器的输出功率，所述超声波发生器包括：存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7中任一项所述方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7中任一项所述的方法的步骤。
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| CN202310847122.3A Pending CN117032383A (zh) | 2023-07-11 | 2023-07-11 | 一种超声波换能器输出功率的控制方法、系统及设备 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117032383A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117548215A (zh) * | 2023-11-15 | 2024-02-13 | 广东派勒智能纳米科技股份有限公司 | 一种纳米砂磨机的防堵控制方法、装置、系统及介质 |
-
2023
- 2023-07-11 CN CN202310847122.3A patent/CN117032383A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117548215A (zh) * | 2023-11-15 | 2024-02-13 | 广东派勒智能纳米科技股份有限公司 | 一种纳米砂磨机的防堵控制方法、装置、系统及介质 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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