超聲波換能器諧振頻率跟蹤方法研究.pdf

1、目前超聲波換能器匹配網(wǎng)絡研究和諧振頻率自動跟蹤是圍繞超聲波換能器的兩個難點問題。由于換能器本身有一個固有的諧振頻率，只有在這固有的諧振頻率下工作才能使其運行的最穩(wěn)定，效率最高。而超聲波換能器隨著溫度、環(huán)境、元件的老化等因素會導致其諧振頻率發(fā)生漂移，因此有必要尋求一種能夠自動跟蹤諧振頻率的處理方法，這對超聲波換能器高效穩(wěn)定的運行具有重要現(xiàn)實意義。
　　 目前的諧振頻率跟蹤技術基本上都是采用硬件的跟蹤方法。PI數(shù)字控制已廣泛應用于工

2、業(yè)閉環(huán)系統(tǒng)中，但鮮見有PI控制在超聲波換能器自動追頻上的應用。換能器的諧振頻率一般都很高，通常在15-30kHz甚至更高的一個的范圍，對硬件芯片和采樣電路及數(shù)字控制系統(tǒng)實現(xiàn)帶來了較高的要求。隨著DSP、FPGA等高性能芯片的出現(xiàn)，使得超聲波換能器的數(shù)字化、智能化控制成為現(xiàn)實。為本文提出的基于PI策略的超聲波換能器諧振頻率自動跟蹤的數(shù)字控制系統(tǒng)奠定了基礎。
　　 本文首先從超聲波換能器電學等效電路出發(fā)，分析了換能器的阻抗特性，并利

3、用Matlab/Simulink仿真平臺討論了不同的匹配方式及參數(shù)對系統(tǒng)的機電耦合系數(shù)的影響，選擇了一種較為合理的匹配網(wǎng)絡及參數(shù)，為超聲波換能器諧振頻率自動跟蹤實現(xiàn)提供了基礎。其次，基于Matlab/Simulink環(huán)境下在超聲波換能器的系統(tǒng)仿真模型基礎上，引入PI模塊建立了諧振頻率自動跟蹤閉環(huán)系統(tǒng)的Simulink仿真模型。通過對PI參數(shù)的整定，模擬啟動和參數(shù)擾動兩種情況進行研究，仿真結果驗證了基于PI控制算法的諧振頻率自動跟蹤策略的

4、有效性。
　　 其后本文基于高性能的TMS320F28335和FPGA相結合的平臺，研究了它激式換能器變頻電源主電路，將工頻市電采用不可控整流橋變?yōu)橹绷麟?，再采用PWM全控橋逆變?yōu)?8KHz作用的交流電，經(jīng)過電感電容匹配電路后施加在換能器上。采用了高頻變壓器和高頻電流互感器獲取電壓和電流的波形，運用FFT算法分析電流、電壓的相位，引入PI算法構成閉環(huán)控制系統(tǒng)，從而構建了超聲波換能器諧振頻率自動跟蹤的數(shù)字控制系統(tǒng)。