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(luò)研究和諧振頻率自動(dòng)跟蹤是圍繞超聲波換能器的兩個(gè)難點(diǎn)問題。由于換能器本身有一個(gè)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(yùn)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(huì)導(dǎo)致其諧振頻率發(fā)生漂移，因此有必要尋求一種能夠自動(dòng)跟蹤諧振頻率的處理方法，這對(duì)超聲波換能器高效穩(wěn)定的運(yùn)行具有重要現(xiàn)實(shí)意義。
　　 目前的諧振頻率跟蹤技術(shù)基本上都是采用硬件的跟蹤方法。PI數(shù)字控制已廣泛應(yīng)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(dòng)追頻上的應(yīng)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(gè)的范圍，對(duì)硬件芯片和采樣電路及數(shù)字控制系統(tǒng)實(shí)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(shí)。為本文提出的基于PI策略的超聲波換能器諧振頻率自動(dòng)跟蹤的數(shù)字控制系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。
　　 本文首先從超聲波換能器電學(xué)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(tái)討論了不同的匹配方式及參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的機(jī)電耦合系數(shù)的影響，選擇了一種較為合理的匹配網(wǎng)絡(luò)及參數(shù)，為超聲波換能器諧振頻率自動(dòng)跟蹤實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。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(chǔ)上，引入PI模塊建立了諧振頻率自動(dòng)跟蹤閉環(huán)系統(tǒng)的Simulink仿真模型。通過對(duì)PI參數(shù)的整定，模擬啟動(dòng)和參數(shù)擾動(dòng)兩種情況進(jìn)行研究，仿真結(jié)果驗(yàn)證了基于PI控制算法的諧振頻率自動(dòng)跟蹤策略的

4、有效性。
　　 其后本文基于高性能的TMS320F28335和FPGA相結(jié)合的平臺(tái)，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)橹绷麟姡俨捎肞WM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(yùn)用FFT算法分析電流、電壓的相位，引入PI算法構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，從而構(gòu)建了超聲波換能器諧振頻率自動(dòng)跟蹤的數(shù)字控制系統(tǒng)。