超声换能器振动系统控制的研究

　　0引言

　　在大功率超声应用中,振动系统因受负载变化,工具磨损,换能器发热等因素的影响,导致机械谐振频率发生漂移,以及振动系统振幅减小.从90年代至今的文献看,国内的研究主要围绕两个问题,一是电端匹配,二是频率跟踪控制.电端匹配主要采用静态匹配,本文实验测得静态电容具有4X10-3(℃)-1的正温度系数,并且随着压力而变化11].因此,目前所采用静态匹配具有局限性.频率跟踪以锁相控制最为典型,而且效果较好.但它只能保证超声电源的激励频率与振动系统的谐振频率一致,而不能识别负载变化的情况,对变负载情况不适应.为此,本文在锁相控制的基础上,对振动系统的控制进行了深人的研究.

　　1振动系统特征参数的识别

　　由于振动系统的夹持电容随温度和压力而变化,要想使电端匹配更加完善,必须对夹持电容进行在线动态识别,根据电容变化进行动态匹配.振动系统负载的变化,导致超声频脉冲变压器的负载阻抗与电源内阻不匹配,使振动系统不易获得能量,振幅下降,必须对振动系统的负载阻抗进行在线动态识别,为确定超声频脉冲变压器的变比提供依据.

　　1.1超声换能器夹持电容的在线识别

　　理论分析认为,压电超声换能器的谐振效应可用图1的等效电路表示,图中L,为换能器的动态等效电感,C1为换能器的动态等效电容,R1为换能器的机械损耗阻,C0为压电片与金属极板构成的静态电容.设超声换能器的谐振角频率为ω1,谐振频率为f1，,其三次谐波的角频率记为ω3,换能器在谐振频率的三次谐波激励下的特征阻抗记为Z3,压电材料的机械品质因数为Qm,则有下式成立[8]

(1)

　　由图1可得,换能器在谐振频率的三次谐波激励下的特征阻抗Z3为

　　由式(l)消除变量Cl,R,,化简可得三次谐波下的阻抗为

　　由式(3)知,换能器在谐振频率的三次谐波的作用下,其特征阻抗等效为一电容.大功率超声应用中,超声波电发生器输出用来激励换能器的信号都不是准正弦信号,而是通过半桥或全桥逆变得到的正负矩形脉冲信号,因此,其信号源具有丰富的频谱,存在三次谐波.若换能器采用串联电感匹配,根据上述分析,则三次谐波激励下的串联等效电路如图2所示.若么为输人换能器电压的三次谐波分量,云为流过换能器电流的三次谐波分量.由图2可知,三次谐波下的特征阻抗为

　　将上式取复数的模,得

　　利用式(1)化简得

　　式(4)中,L为串联匹配电感.若采用已知数字电感,则通过检测三次谐波的电压、电流分量和谐振频率就可能实现对夹持电容的在线检测.