超声波发生器关于频率自动跟踪的研究

合集下载

行波型超声电机频率自动跟踪控制技术评述

行波型超声电机频率自动跟踪控制技术评述

综 述・REV IE W行波型超声电机频率自动跟踪控制技术评述收稿日期:2003-03-29国家自然科学基金重点资助项目(项目编号:50235010)祖家奎 赵淳生(南京航空航天大学 超声电机研究中心,江苏,南京 210016)摘 要:在行波型超声电机结构分析和工作状态分析的基础上,对其频率跟踪技术的原理和实质进行了探讨。

同时,根据行波型超声电机驱动器的设计原理,分析了频率跟踪技术可以采用的反馈信号。

在此基础上,对超声电机频率跟踪技术进行了分类和总结,提出了五种频率跟踪方法,并对其进行了分析比较。

最后,对行波型超声电机频率跟踪技术的应用和发展提出了见解。

关键词:超声波电机;频率控制;反馈信号;驱动器中图分类号:TM 383 文献标识码:A 文章编号:1001-6848(2004)06-0047-04A Rev iew for Frequency Track i ng Con trol Techn iques of Travel i ng W ave Ultra son ic M otorsZ U J ia -ku i ,ZHAO Chun -sheng(R esearch Cen ter of U ltrason ic M o to rs ,N an jing U n iversity of A eronau tics &A stronau tics ,N an jng 210016,Ch ina )Abstract :Based on the analysis of structu re and drive state of traveling w ave u ltrason ic mo to r (TW UM ),the p rinci 2p le and mo tivati on of frequency track ing con tro l techn iques are discu ssed in detail.M eanw h ile ,acco rding to the driving pow er of u ltrason ic mo to r ,differen t feedback signals that can be adop ted in the frequency track ing con tro l are in troduced ,and five differen t m ethods of the frequency track ing con tro l are classified and analyzed comparative 2ly .L astly ,the app licati on and developm en t of the frequevcy track ing con tro l techn iques are p robed in to w ith au tho r’s view po in t .Key words :u ltrason ic mo to r ;frequency con tro l ;feedback signal ;driver0 引 言行波型超声电机是目前较实用的的一种类型[1]。

新型超声波发生器频率自动跟踪电路的研究

新型超声波发生器频率自动跟踪电路的研究
Key words :ult rasonic generator , f requency , auto2t racking
0 引言
频率跟踪是长期困扰超声加工技术应用的难 题 ,没有频率跟踪 ,换能器将无法连续正常工作 。因 为变化的工作条件往往引起换能器谐振频率变化 , 使系统的振动失谐 、振幅降低 。同时换能器工作在 失谐状态 ,将会使声学系统的温度升高 、振幅成指数 级下降 ,造成恶性循环 ,这样不仅影响加工速度 ,更 影响加工质量 ,并且缩短超声波发生器的寿命 ,甚至 使换能器因过热而烧坏 。因此在“超硬材料精密超 精密超声复合珩磨技术及装备研制”项目中 ,根据声 学系统的振幅特性 ,研究了新型超声波发生器的频 率跟踪问题 ,解决了功率超声加工的振幅稳定问题 , 为新型超声珩磨装备的研究奠定了基础 。
A+= 1 +
R2 R1
=2
(2)
反相放大倍数为
A - = - R2 = - 1
(3)
R1
所以 A3 总的放大倍数为
A = A++ A- = 1
(4)
因此 ,A3 的输出为正 。在 A3 后接一同相放大 器 ,可使其输出正比于异或门输出的平均值 V d ,而 且也是正值 。当 C 为逻辑“1”时 ,开关管 K 饱和导
频率跟踪电路由采样电路取得电压和电流信 号 ,经鉴相电路等处理后 ,加到压控振荡器 ,从而控 制超声波发生器的振荡频率 。
对于采样电路 ,设计中选用了很具代表性的 2 个元件 :电压 、电流互感器 。
(1) 当换能器处于谐振状态时 ,其两端电压可 达到近千伏 ,功放的主回路电流也有 1 A 以上 ,因此 用电压和电流互感器取出信号非常合适 。
参考文献 :

超声加工中超声发生器的频率跟踪技术

超声加工中超声发生器的频率跟踪技术

2
X 12X 21
( 16)
|
I 2| =
X X
21|
22
I 1|
( 17)
所以振幅:
X
Q A =
2
P/ X
2 | I 2 | sin( Xt ) dt
0
U
4
2X X 22
21
|
I1 |
( 18) 上式说明了, 谐振时, 振动系统的输入输出电流
( 电压) 同相, 如果能控制输入换能器的电流保持恒 定, 就能够确保换 能器的振速恒定, 实际振幅 的稳
[ 2] 王三德, 张小安, 尚志远 1 液体中光声热 弹光穿透效应 的研究 1 中国激光, 2001, 28( 3) : 225- 228
[ 3] 尚志远, 张军萍 1 凝聚态物质的光声效应 1 陕西师大 学报( 自然 科学版) , 2001, 29( 2) : 40- 44
[ 4] 金巨广, 秦宗益பைடு நூலகம்1 激光光热 瞬态畸变 光谱法的 分析特性 1 科学 通报, 1995, 40( 8) : 712- 714
4 结束语
本文介绍了声光效应的概念, 三种不同声光效 应的原理和具体的应用情况。提出了用光纤水声探 测器实现基于光声效 应的液体成分含量测量 的方 法。对于液体成分含量的测量提供了一种新的思路 和方法。
参考文献
[ 1] 尚志远, 李争光, 王公正等 1 激光在水中产生超声波 的实验研究 1 陕西师大学报( 自然科学版) 1995, 23( 2) : 41- 44
正弦波超声振动中, 变幅杆内各点沿波的前进方向
按正弦规律在原地作往复运动, 如果设波动方程为:
S = A sin Xt
( 1)

超声波电源频率跟踪系统的研究

超声波电源频率跟踪系统的研究
经过频率跟踪后的情况如图 6 所示。可以看出,超声波 换能器的电压与电流波形都呈现为近似的正弦交流波形。同
PI 控制算法。其中,位置式 PI 算法如公式(3)所示。
k
u k KPe k KI ¦e i
i0
(3)
式中 k
:u(k)为输出量
;e(k)为误差量
;KI
为积分系数

¦ e(i)为误差的累加。
i0
由公式(3)可知,位置式 PI 控制算法的特点是误差
积分 ∑e(i)会不断累加,表明当前的输出量 u(k)与过去
注:U为超声波换能器的电压波形;I为超声波换能器的电流波形。 图 5 频率跟踪前波形
时,超声波换能器两端的电压与电流相位差几乎为零,达到 了最佳谐振状态。超声波换能器在工作过程中能够产生最佳 的振动效果,并输出最大功率,从而提高了超声波电源的效 率。
电压幅值/A
4.2 控制策略分析
如图 4 所示,超声电源系统根据鉴相电路反馈的超声波 换能器电压和电流的相位关系,来决定逆变电路频率的变化 方向 [5]。 当电压超前于电流时,频率会升高;反之,频率会 降低。系统通过比较鉴相电路反馈的超声波换能器电压和电 流的相位差与所设定的值,得到误差信号,再进行 PI 处理。 PI 处理后的结果与频率变化系数相结合,最终确定全桥逆变 电路逆变频率的调整量。在这个过程中,PI 处理后的结果同 时决定了频率变化的高低和方向,从而使频率能够快速准确 地跟踪换能器谐振频率的变化。
微控制器
相位 控制字
相位 累加器
DAC
LPF
方波
输出

正弦 查询表
比较器
频率 控制字

相位 寄存器
注:DAC为模数转化器;LPF为低通滤波器。 图 3 AD9850 系统控制框图

超声波电机驱动源的频率跟踪

超声波电机驱动源的频率跟踪

超声波电机突破传统电机的概念, 没有绕组和磁 路, 不以电磁作用传递能量, 而是利用压电陶瓷的逆压 电效应, 由超声波振动来驱动的新型电机, 具有体积小 重量轻, 低速大转矩, 无电磁干扰, 噪声小等优点, 在许 多领域有着广泛的应用前景. 然而, 为获得较大的输出 力矩, 超声波电机必须工作在某个最佳频率上. 如果在 谐振频率点上驱动, 超声波电机可以获得大的振动, 但 输入电流过大, 电机的转换效率变低, 工作不稳定, 因 此超声波电机的最佳工作频率通常都在定子导纳2频 率特性上的谐振和反谐振点之间选取. 超声波电机中压电陶瓷的机械品质因数较小, 而 处于高频振动中的弹性体本身也会发热, 因此压电陶 瓷的介电系数、 等效电容及漏电阻都会随温度的升高 发生变化, 这将导致谐振频率和反谐振频率均有 1. 4
m
sin ( Ξt) d t =
式中: T =
Ξ Ξ ( t) = Ξ0 + K op K vco (V in + V f ) = Ξ0 + K op K vcoV in + K op K vcoV f 1 V f = [ Ξ ( t) - Ξ0 - K op K vcoV in ]=
环路状态 闭 环 开 环 增加的电容 p F
0 518 518
荡器 V CO 的输出频率 Ξ 增加, 反之 Ξ 降低, 压控振荡 器 V CO 的输出频率 Ξ 降低, 此时驱动源处于正反馈 状态, 失去自动频率调节功能. 设计驱动源时使超声波电机的工作频率 Ξ 大于 L C 谐振回路的谐振频率点 Ξp , 有三大优点: 1) 超声波电机起始工作时频率调节方便. 调节输 入电压 V in 时, 正弦信号出现幅值最大值后, 表明驱动 源进入自动频率跟踪的负反馈区. 2) L C 谐振是一个窄带滤波器, 若超声波电机的 等效参数发生变化使工作点向右漂移, 驱动源在具有 自动频率跟踪功能的同时, 对压控振荡器 V CO 输出 的方波信号中的高频谐波成分进行更大程度地衰减, 有利于正弦信号的单一性. 3) 超声波电机工作时必须形成椭圆运动, 行波超 声波电机在忽略转子与定子之间的滑动摩擦时, 转子 的最大移动速度 v = hA k Ξ 2, 其中 h 为定子弹性体的 等效厚度, A 为定子弹性体中行波的振幅, k = 2Π Κ ,可 见适当提高工作频率有利于提高转子的转速. 2. 2 稳定跟踪条件 设在 V f 幅频特性中, Ξp ± ∃Ξ 为峰值部分所对应 的频率范围, 则欲使驱动源输出一定电压幅值稳定的 正弦波应满足 ( 10) Ξ+ ∃Ξ> Ξ0 + K op K vco (V in + V f ) > Ξp V in > 即 V in < Ξp - Ξ0

一种具有频率自动跟踪功能的超声波电机驱动电源的设计的开题报告

一种具有频率自动跟踪功能的超声波电机驱动电源的设计的开题报告

一种具有频率自动跟踪功能的超声波电机驱动电源的设计的开题报告项目背景:超声波电机由于其高速、大力矩、高精度等优点,在自动化设备、机器人、航空航天等领域得到广泛应用。

超声波电机驱动电源是超声波电机的重要组成部分,其稳定性和性能直接影响超声波电机的运行效果。

而超声波电机的振荡频率受温度、载荷或外界环境的影响而变化,因此需要设计一种具有自动跟踪功能的超声波电机驱动电源。

项目研究内容:本项目旨在设计一种具有频率自动跟踪功能的超声波电机驱动电源。

具体而言,需要研究以下内容:1. 超声波电机的工作原理、特点和应用场景;2. 目前超声波电机驱动电源的技术现状和不足;3. 频率自动跟踪的原理和方法;4. 基于自动跟踪的超声波电机驱动电源的设计和实现;5. 驱动电源的性能测试和优化。

项目意义:本项目可以提高超声波电机的运动稳定性和精度,使其更好地应用于各种领域。

同时,通过自动跟踪功能的设计,可以减少外界干扰对超声波电机的影响,提高了电机的可靠性和稳定性,为工业自动化和智能化的发展做出贡献。

预期成果:本项目的预期成果包括:1. 对超声波电机和驱动电源技术现状和发展趋势的深入了解和研究;2. 一种具有频率自动跟踪功能的超声波电机驱动电源的设计和实现;3. 驱动电源的性能测试数据和分析报告;4. 给出未来研究方向和应用前景的探讨。

研究方法:本项目采用实验室实验结合计算机模拟的方法,首先通过实验研究超声波电机在不同载荷和温度下的振荡频率变化情况,然后建立数学模型,通过计算机模拟进行分析,最终设计具有自动跟踪功能的驱动电源并进行实验验证。

项目计划:1. 项目启动和背景研究(2个月);2. 实验研究和模型建立(3个月);3. 驱动电源的设计和实现(3个月);4. 驱动电源的性能测试和分析(2个月);5. 结果整理、论文撰写和答辩(2个月)。

预期难点:1. 超声波电机的特殊性质和不确定性给实验研究带来了困难;2. 频率自动跟踪方法的选择和实现需要充分探讨和研究。

超声波电机频率自动跟踪与负载匹配技术

超声波电机频率自动跟踪与负载匹配技术

o p zeci m tis ee tur oiv ri , t fco culgt f ol tc ea t gnre a n iao wt h rtn pn, i e r a rl o a l s c tn i e i o i h e t b h i e r ao o t ro o m v g t sdr ee t . a cdin m t, o tn h o r oi o h le ignre A d et i o ri s ti f t r n f i s a d s i r g o t e e r v i
r sb b r u tg qec w e t r oat uny fd w i w s u t l y li f uny n e nn fqec s t , c a n y e an r a g e h h s e r e h e h h i
ip m n d D P as o i acr y e ietO bs o r e i ad m l et o S bcue t cua ad c n n i f rn n e e n e f s c n f i . a s e r g f f
cn oi ss m sd t ca c rts U M, fn i 'fw a ad ot l g t b e o h hr tii o S t uco s c r n rl y e a n n e a esc f h e t n l o h t
a ot p g m fqec at ac ci ad pdne t i wr l r m or o r uny o t t k g i eac m c n e gi h r a f e um i r n n m a a h g e ds n . p g m w o cnoi s t w s icm ir ao o C S ei e T e r o hl otl g e att o pesutn C . g d h r a f e rl y m e n l i i f o n s s t

自动追频超声波发生器的电路原理

自动追频超声波发生器的电路原理

自动追频超声波发生器的电路原理下载提示:该文档是本店铺精心编制而成的,希望大家下载后,能够帮助大家解决实际问题。

文档下载后可定制修改,请根据实际需要进行调整和使用,谢谢!本店铺为大家提供各种类型的实用资料,如教育随笔、日记赏析、句子摘抄、古诗大全、经典美文、话题作文、工作总结、词语解析、文案摘录、其他资料等等,想了解不同资料格式和写法,敬请关注!Download tips: This document is carefully compiled by this editor. I hope that after you download it, it can help you solve practical problems. The document can be customized and modified after downloading, please adjust and use it according to actual needs, thank you! In addition, this shop provides you with various types of practical materials, such as educational essays, diary appreciation, sentence excerpts, ancient poems, classic articles, topic composition, work summary, word parsing, copy excerpts, other materials and so on, want to know different data formats and writing methods, please pay attention!超声波发生器是一种广泛应用于医疗、工业领域的设备,其中自动追频超声波发生器是一种自动调节频率的超声波发生器。

  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。

超声波发生器关于频率自动跟踪的研究
超声波发生器(或称功率源)是一种用于产生并向超声换能器提供超声能量的装置。

超声波发生器就其激励方式有两种:一种是他激式.另一种是自激式。

如果按末级功放管所采用的器件类型分,又可分四种:电子管式超声发生器;可控硅逆变式超声发生器;晶体管式超声发生器及功率模块超声发生器。

电子管式与可控硅逆变式目前基本已淘汰,当前广泛使用的是晶体管式发生器。

他激式超声发生器主要包括两部分,前级是振荡器,后级是放大器。

一般通过输出变压器耦合,把超声能量加到换能器上。

而自激式超声发生器是把振荡、功放、输出变压器及换能器集为一体,形成一闭环回路,回路在满足幅度、相位反馈条件,组成一个有功率放大的振荡器。

并谐振于换能器的机械共振频率上。

关于频率自动跟踪
所谓谐振问题就是要求发生器的输出信号频率能对在工作中变化的换能器谐振频率进行跟踪,也即称频率自动跟踪。

目前常用的频率自动跟踪大致有以下几种方法:
1.声跟踪
以声耦合方式,从换能器上采集谐振频率的电讯号,然后反馈至前级放大器,使形成自激振荡器。

其原理框图如图1.28所示。

图1.28 声跟踪超声波发生器原理框图
由图1.28看出,电路是个闭环系统,电路在通电的瞬间产生一个冲击脉冲,此脉冲经预放、功放去激励换能器,换能器按自身固有频率振动。

从而在反馈的声接收器上可得到相同频率的电讯号。

经过电路的移相、选频、预放及功放再去激励换能器,如果满足振荡器的相位,幅度条件,系统将自激振荡,且振荡频率跟踪在换能器的共振频率上。

2.电跟踪
所谓“电跟踪”又称反馈自激式振荡器。

大致有以下几种形式
(1)阻抗电桥形式的动态反馈系统
阻抗电桥形式的动态反馈系统组成的频率自动跟踪电路其原理如下;它是利用电桥平衡原理补偿换能器电学臂的无功与有功分量,借助于差动变量器提取与换能器机械臂振荡电流成正比的反馈电压,使闭环系统在换能器机械共振频率上自振。

本方法对换能器电参数的补偿有可能做到与频率无关,因而在较宽频段内跟踪良好。

差动变量器桥式自动频率跟踪电路如图1.29所示。

图中Tf为差动变量器,正反馈电压Uf,由次级绕组W3引出;初级绕组W1,W2与阻抗Z1、Z2构成电桥四臂,Z1为换能器阻抗(它由机械臂阻抗Zm和电学臂阻抗Ze并联而成),Z2为补偿元件的阻抗。

Z3用于补偿电桥的电抗。

设Zm》Ze则Z1 =Ze 。

显然,如满足条件W1I1=W2I2(W1W2为初级的匝数),电桥获得平衡,Tf次级绕组反馈电压Uf=0。

此平衡条件又可表为Z2/Ze=W2/W1
X2/Xe=R2/Re=W2/W1=n
即式中Re/Xe分别为Ze和Z2的实部和虚部。

系数n表示差动变量器初级绕组两部分的匝数比,它等于补偿元件阻抗与换能器电学臂之比。

一般情况下,流经Z m的电流Im使电桥失去平衡,Tf次级绕组将感生出正比于换能器机械臂振荡电流Im的反馈电压Uf
Uf=Im(W1/W3)Rim
式中Rim为振荡器的输入电阻。

当系统的自激频率fo=fr(换能器的机械共振频率)时,电流Im。

将达最大值。

系统反馈最强, Uf 反馈电压最大,满足幅度条件,且Uf与Uin同相,也满足相位条件,系统自激在换能器机械共振频率上。

假如换能器的机械共振频率因某种因素减低了,则fo>fr。

,负载Z m呈感性,Im 的相角为负值,造成Uf滞后于Uin(原先的输入电压),系统振荡频率降低从而达到跟踪的目的。

差动变量器桥式自动频率跟踪电路优点,在于其对换能器电抗成分的补偿与频率无关,从而保证反馈电压在很宽的频率段内只与机械振荡电流有关,跟踪可靠、失调较小.
(2)负载分压方式的反馈系统。

这种系统如图1.30所示,图中的整个电路形成闭环迥路.电路在通电的瞬间产生一个电脉冲,
经功放加至换能器两端,于是换能器受激振动。

其振动频率为换能器本身的固有频率,在换能器两端的振荡信号,经分压后送至可调移相器上,再送至功放。

当可调移相器调至相位满足自激条件时,系统自激于换能器的固有频率上。

换能器谐振频率的微小变化,电路系统均能及时跟踪使工作始终处于最佳状态。

图1.30 电压反馈振荡器
(3)锁相式频率自动跟踪
锁相式频率自动跟踪系统与前两种自激系统相比,电路要复杂得多,但能获得较好的频率自动跟踪性能。

因此在超声塑料焊接机的发生器中获得越来越广泛的应用。

采用锁相技术进行频率自动跟踪的关键,是如何获得负载电路中电压与电流之间的相位差。

压电换能器在谐振频率附近的等效电路如图1.31所示。

图中虚线框内为换能器等效回路。

C0为换能器静态电容。

Rm为机械阻反映到电端的阻(如果忽略机械损耗,即为反映到电端的辐射阻),Lm为动态等效质量反映到电端的值;Cm为等效力顺反映到电端的动态电容值;L。

为换能器工作在谐振状态时的并联匹配电感。

1.31 压电换能器等效简图
该迥路的谐振频率
ω2 =1/LoCo =1/LmCm
在谐振状态时,换能器两端电压U=iRm ,
即电压与电流是同相的。

当换能器失谐时,u与i不再同相,其电抗与频率特性曲线如图1.32所示。

图中ωs为串联谐振频率。

ωp为并联谐振频率。

图1.32 谐振点附近电抗与频率特性图
图1.33为串联谐振频率附近的相频特性。

由图1.33可知,当ω<ωs时电路呈容性,i超前u,相位差为负;
图1.32 谐振点附近电抗与频率特性图
当ωs<ω<ωp时电路呈感性,u超前i,相位差为正。

当ω=ωs时,电路呈纯阻特性, i电流与U电压同相位。

因此,换能器两端的电压与流过换能器的电流,他们之间的相位差正负、大小,代表激励信号的频率与振动系统固有频率之间的关系。

所以,若把电压、电流相位差信号取出,作为激励振动系统谐振频率变化的控制信号,达到频率跟踪的目的。

这就是锁相式频率跟踪的基本原理。

详细步骤可参见。

图l-33 串联谐频附近的相频特性
(3) 锁相式频率自动跟踪电路框图
锁相式频率自动跟踪系统实用电路框图如图。

图中由相位比较器、电压比较器、低通滤波器、压控振荡器、激励放大器,功率放大器、电流取样及电压取样等组成。

这是一个闭环系统。

但由于压控振荡器本身可以单独工作。

所以,本系统的开环亦能工作。

开环时类似于他激式超声波发生器。

这与自激式振荡器不一样。

本系统利用了末级换能器上的电压和电流之间的相位差,经相位比较后,获得相位误差信号,再经低通滤波之后,去控制压控振荡器的输出信号的频率。

使之保持与振动系统机械谐振频率一致。

尽管频率与相位之间有依存变换关系,但两者构成的反馈系统,从控制结果看,是不相同的。

频率反馈结果,会导致使输入与输出信号之间的频率差尽可能小,而相位反馈结果使两信号之间相位差尽可能小。

根据频率与相位所构成的微分——积分关系,相位反馈系统最终导致两信号频率差为零。

锁相式频率自动跟踪系统的锁相环路有专用集成电路,例如CD4046等。

这里不再作详细介绍,请参考有关集成电路数据手册及锁相环原理书籍。

最后,我们总结一下。

锁相式频率自动跟踪系统具有如下特点;
(1)由于锁相环是一个极好的带通滤波器,因此,不会产生系统误跟到非谐振的其它频率之上;
(2)频率自动跟踪系统的控制信号与取样的电压、电波波形之好坏,关系并不大;
(3)输出功率相对较稳定。

不会因为负载的变化而发生显著变化,
(4)由于控制系统工作在小信号状态下,所以能长时间连续地工作。

相关文档
最新文档