一种压电换能器频率跟踪方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种压电换能器频率跟踪系统，用于对压电换能器的频率进行实时跟踪；所述系统包括双频信号发生器、功率放大器、匹配网络、电压传感器和电流传感器，其中，双频信号发生器用于产生1kHz和谐振频率的信号，两种输出信号由功率放大器放大后，再经由匹配网络施加于压电换能器；电压传感器采集施加于压电换能器的电压信号，电流传感器采集流经压电换能器的电流信号，前述电压信号及电流信号均送入双频信号发生器进行处理。此种频率跟踪系统可在线跟踪压电换能器的谐振频率。本发明专利技术还公开一种基于前述压电换能器频率跟踪系统的频率跟踪方法。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开一种压电换能器频率跟踪系统，用于对压电换能器的频率进行实时跟踪；所述系统包括双频信号发生器、功率放大器、匹配网络、电压传感器和电流传感器，其中，双频信号发生器用于产生1kHz和谐振频率的信号，两种输出信号由功率放大器放大后，再经由匹配网络施加于压电换能器；电压传感器采集施加于压电换能器的电压信号，电流传感器采集流经压电换能器的电流信号，前述电压信号及电流信号均送入双频信号发生器进行处理。此种频率跟踪系统可在线跟踪压电换能器的谐振频率。本专利技术还公开一种基于前述压电换能器频率跟踪系统的频率跟踪方法。【专利说明】-种压电换能器频率跟踪方法及系统
本专利技术属于压电换能器驱动控制领域，特别涉及一种压电换能器的频率跟踪方法 及频率跟踪系统。
技术介绍
压电换能器是一种利用压电元件实现电能到声能转化的器件，它在超声清洗、超 声焊接、超声加工、石油化工等领域有着重要的应用。在压电换能器的研究与应用中，频率 跟踪技术是一个重要的课题。压电超声换能器一般工作在机械共振频率附近。在该频率附 近，从其电学阻抗特性角度可W定义为6个特征频率，分别是最大导纳频率fm，串联谐振频 率片，共振频率fr，反共振频率f。，并联谐振频率fp和最小导纳频率f。，每个特征频率都有 其各自的特点。最新研究表明，压电换能器在并联谐振频率附近的一些特性对实际的应用 非常有意义（如自动功率调节特性等）。但是换能器的并联谐振频率是时变的，它会随着环 境温度、工作电压W及负载等变化而变化，因此为了保证换能器一直工作在其并联谐振频 率点上，必须对其进行频率跟踪。 到目前为止，频率跟踪方法种类繁多，按照获得反馈信号的方法大体上可分为声 反馈系统和电反馈系统。在声反馈系统中，是通过直接获取换能器振动系统输出的机械振 动信号，来组成频率跟踪系统的。在电反馈系统中，利用输入换能器的电信号与换能器的振 动速度或位移相关的原理，通过拾取此电信号，组成自动频率跟踪系统。 在电反馈系统中，从换能器的电端可W对其两端的电压和流过的电流分别采样， 采样信号中既含有电压和电流的幅度信息，也含有相位信息。利用该些信息，可W构成多种 频率跟踪方案，为换能器设定不同的工作状态。常用的方案有；(a)电流方案。该种方案采 用电流信号，将换能器设定在电流特定区域（如最大值）的工作状态。化）功率方案。该种 方案同时采用电流信号和电压信号，将二者相乘得到换能器的电功率信号，换能器被设定 在电功率最大的工作状态。（C)阻抗或导纳方案。根据换能器导纳变化的特点，设定某种工 作状态。（d)相位方案。此方案也是同时采用电流信号和电压信号，不过是利用二者的相位 信息来设定换能器的工作状态。 前H种方案中，跟踪的实际上是最大（小）导纳频率，它与并联谐振频率是有所差 别的。同时，由于并联谐振频率时的阻抗是变化的，导致电流峰值跟踪、阻抗大小跟踪W及 功率峰值跟踪都比较困难。第四种方案是目前应用较多的方案。通过串联一个电感来补偿 压电换能器的夹持电容，当压电换能器工作于并联谐振频率时，系统对外呈现阻性，通过跟 踪此相位差来跟踪并联谐振频率。但由于压电换能器的夹持电容是时变的，它会随着温度、 工作电压和负载的变化而变化，使用固定电感无法做到对该电容的实时补偿，因此跟踪到 的系统阻抗为阻性的频率，而并不是压电换能器的并联谐振频率。 压电换能器的串联谐振频率跟踪也存在着类似的问题，在此不再费述。 对于具有高品质因数的压电换能器而言，工作频率即使偏离其并联谐振频率/串 联谐振频率稍许，换能器的工作效果也会大打折扣。 根据W上分析，现有的频率跟踪技术存在着种种不足，有待改进。
技术实现思路
本专利技术的目的，在于提供一种压电换能器频率跟踪方法及系统，其可在线跟踪压 电换能器的谐振频率。 为了达成上述目的，本专利技术的解决方案是： 一种压电换能器频率跟踪系统，用于对压电换能器的频率进行实时跟踪；所述系 统包括双频信号发生器、功率放大器、匹配网络、电压传感器和电流传感器，其中，双频信号 发生器用于产生1曲Z和谐振频率的信号，两种输出信号由功率放大器放大后，再经由匹配 网络施加于压电换能器；电压传感器采集施加于压电换能器的电压信号，电流传感器采集 流经压电换能器的电流信号，前述电压信号及电流信号均送入双频信号发生器进行处理。 上述双频信号发生器包括两个PWM模块、一个与口和一个非口，两个PWM模块分别 用于产生IkHz和谐振频率的方波信号，其输出端分别连接与口的两个输入端，与口的输出 端作为双频信号发生器的一个输出端，同时与口的输出端连接非口的输入端，而非口的输 出端作为双频信号发生器的另一个输出端。 上述功率放大器采用变压器功率放大电路、放大器功率放大电路或桥式电路。 上述电压传感器采用霍尔电压传感器。 上述电流传感器采用霍尔电流传感器。 一种基于前述压电换能器频率跟踪系统的频率跟踪方法，包括如下步骤： (1)双频信号发生器产生频率为1曲Z的信号，测量压电换能器的夹持电容； (2)双频信号发生器产生工作频率的信号，测量施加于压电换能器的电压和流经 压电换能器的电流，计算得到该压电换能器的等效电路的支路阻抗，调整工作频率使该支 路阻抗虚部为零，此时的工作频率即为该压电换能器的谐振频率。 上述步骤（1)中，压电换能器的夹持电容的测量方法是；对压电换能器施加频率 为IkHz的信号，测量压电换能器上施加的电压和流经压电换能器的电流，并根据W下公式 计算得到夹持电容C。： 【权利要求】1. 一种压电换能器频率跟踪系统，用于对压电换能器的频率进行实时跟踪；其特征在 于：所述系统包括双频信号发生器、功率放大器、匹配网络、电压传感器和电流传感器，其 中，双频信号发生器用于产生IkHz和谐振频率的信号，两种输出信号由功率放大器放大 后，再经由匹配网络施加于压电换能器；电压传感器采集施加于压电换能器的电压信号，电 流传感器采集流经压电换能器的电流信号，前述电压信号及电流信号均送入双频信号发生 器进行处理。2. 如权利要求1所述的一种压电换能器频率跟踪系统，其特征在于：所述双频信号发 生器包括两个PWM模块、一个与口和一个非口，两个PWM模块分别用于产生1曲Z和谐振频 率的方波信号，其输出端分别连接与口的两个输入端，与口的输出端作为双频信号发生器 的一个输出端，同时与口的输出端连接非口的输入端，而非口的输出端作为双频信号发生 器的另一个输出端。3. 如权利要求1所述的一种压电换能器频率跟踪系统，其特征在于：所述功率放大器 采用变压器功率放大电路、放大器功率放大电路或桥式电路。4. 如权利要求1所述的一种压电换能器频率跟踪系统，其特征在于：所述电压传感器 采用霍尔电压传感器。5. 如权利要求1所述的一种压电换能器频率跟踪系统，其特征在于：所述电流传感器 采用霍尔电流传感器。6. 基于如权利要求1所述一种压电换能器频率跟踪系统的频率跟踪方法，其特征在于 包括如下步骤： (1) 双频信号发生器产生频率为IkHz的信号，测量压电换能器的夹持电容； (2) 双频信号发生器产生工作频率的信号，测量施加于压电换能器的电压和流经压电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压电换能器频率跟踪系统，用于对压电换能器的频率进行实时跟踪；其特征在于：所述系统包括双频信号发生器、功率放大器、匹配网络、电压传感器和电流传感器，其中，双频信号发生器用于产生1kHz和谐振频率的信号，两种输出信号由功率放大器放大后，再经由匹配网络施加于压电换能器；电压传感器采集施加于压电换能器的电压信号，电流传感器采集流经压电换能器的电流信号，前述电压信号及电流信号均送入双频信号发生器进行处理。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李华峰，范伟，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32