基于单片机控制的超声换能器频率跟踪

　　1 引言

　　超声换能器是电能与机械能转换的功能器件,具有发射和接收超声波的功能。超声波压电换能器以电能同机械能之间转换效率高的优点, 在功率超声技术中被广泛应用。超声压电换能器作为超声功率电源的负载, 超声频电源通过与换能器最佳输出阻抗匹配, 向超声换能器提供与谐振频率相同的电源, 换能器向负载输出额定功率, 纵向振动幅度最大[1], 最大效率地将电能转换为声能。但是在不同的应用环境下换能器的声负载阻抗是不同的。工作在机械振动状态时, 换能器输出的功率一部分转换为机械能, 另一部分转换为热能, 声负载随时间而变化, 也使机械振动频率发生偏移[2], 如果超声电源的频率不随之改变, 换能器将处于失谐状态, 使换能器输出功率的效率降低。严重时, 导致换能器不能正常工作。因此需要采取频率跟踪技术, 使超声功率电源的频率随着换能器的频率变化而变化, 保证换能器始终工作在谐振状态[3]。文中采用单闭环电流反馈, 实现超声功率电源的频率跟踪换能器的谐振频率, 使换能器始终在最佳谐振状态下工作。

　　2 硬件原理

　　2.1 压电换能器谐振特性

　　压电换能器在共振频率附近的等效电路如图1(a)所示。图中C0为静态电容, Lm、Cm和Rm, 分别为换能器的动态电感、动态电容和动态电阻。当其机械共振时, 串联支路仅有电阻分量Rm, 压电换能器在共振频率附近的等效电路如图1(a)所示。图中C0为静态电容, Lm、Cm和Rm分别为换能器的动态电感、动态电容和动态电阻。当其机械共振时, 串联支路仅有电阻分量Rm, 其等效图如图1(b)所示。若超声频电源输入的电压为常数, 超声波压电换能器作为超声频电源的负载, 其工作电流将达到最大值。电路中的电流有效值为。

　　反之, 换能器工作频率偏离谐振状态, 超声电源的工作电流将减小。应用这一特点, 采用电流负反馈技术, 完成超声电源的工作频率跟踪压电换能器的谐振频率的硬件设计和软件设计。

　　2.2 硬件设计

　　压电换能器谐振频率跟踪硬件电路由I/V转换器、89C51单片机控制单元、ADC0801组成的A/D转换器[4]、功率超声电路和换能器组成单闭环控制系统。图2为换能器谐振频率跟踪硬件原理框图。闭环控制系统采用电流负反馈, 反馈电流 In取自超声电源功率输出电流, In经I/V转换器输出电压Ui。

　　A/D转换电路由ADC0801芯片和89C51单片机及其外围电路组成, 如图2所示。ADC0801片选端CS由单片机89C51 P2.0输出低电平有效。当CS和WR同时为低电平有效时启动A/D转换, Ui在软件的支持下, 被ADC0801转换为数字量, 转换结束产生INTR信号, 供单片机中断或查询使用。当CS和RD同时为低电平有效时, 89C51单片机读取A/D转换结果, 并存放到指定的数据存储器单元中。