一种超声波谐振频率的快速跟踪方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种超声波谐振频率的快速跟踪方法及装置，包括：实时检测匹配电路中的电感电压以及输出至换能器负载的输出电压，对检测到的电感电压与输出电压进行线性运算；并根据线性运算结果与初始工作频率生成一个频率调节量，利用所述频率调节量控制所述超声波电源变换器的输出频率对所述初始工作频率进行跟踪调节。本发明专利技术通过检测电感电压与输出电压对超声波系统频率进行闭环控制，通过电压运算结果实现对系统的谐振频率点快速跟踪调节跟踪，所需硬件电路简单、软件算法简单高效，能够快速响应负载的频率变化、实时跟踪超声波电源系统谐振频率进行调节。源系统谐振频率进行调节。源系统谐振频率进行调节。

【技术实现步骤摘要】
一种超声波谐振频率的快速跟踪方法及装置


[0001]本专利技术涉及超声波电源系统
，特别涉及一种超声波谐振频率的快速跟踪方法及装置。

技术介绍

[0002]超声波电源广泛应用于超声波清洗、焊接加工、切割等领域。现有的超声波系统主要由超声波电源、换能器、变幅杆、焊头等组成。超声波电源的作用是将电能转换成与超声波换能器匹配的高频交流信号，而换能器则是将超音频的电能转变为机械振动的器件。在超声系统工作过程中由于超声换能器等压电器件的温度、焊件大小、焊头磨损以及突加突减负载的工况等原因，超声波负载的等效电容、电感和电阻会随着工作发生变化，进而超声系统的固有谐振频率点发生偏移，如果超声波发生器的电源输出频率不进行跟随变化，会导致超声波系统不在谐振点工作，降低工作效率，严重的会使超声波系统工作在其它频点的谐振放大区，进而损坏超声换能器，因此需要超声波电源的逆变器触发频率跟随换能器负载的谐振频率。
[0003]目前通常采用串联或者并联电抗电容器实现超声波电源与换能器及其工具头的频率匹配，然后检测整个电源的输出电压与电流，通过电压电流相位锁定实现频率跟踪。这就是锁相跟踪方式，但这种匹配适应范围极小，换能器及其工具头参数的变化就会导致其频率发生偏移，而匹配参数基本只适应一个频率点，因此这样的频率跟踪虽然快速，但并不能做到精准跟踪频率。也有采用最大电流扰动跟踪的方法，但这样的方法需要时刻扰动输出频率，扰动跟踪也无法适应快速的负载变化，跟踪速度慢且容易造成电源本身输出震荡，太慢的跟踪也可能造成超声波电源谐振放大而烧毁电源器件与换能器。此外，申请公布号为CN110496779A的中国专利还公开了一种筛分系统超声波频率锁定和修正方法，其通过采用恒流源供电，检测一段时间内的输出电压，找到电压最低点对应的频率，电压偏移一定的量时启动频率扰动，这种频率修正方法是在电压偏移了一定量、有一定偏差之后才会触发修正，无法实时跟踪，且扰动修正并不能立即找到最佳点(每一次触发扫频调节的过程依然涉及到时间和硬件资源的消耗)，因此该方法也无法实时跟踪到负载的变化，不能根据负载变化进行实时调节。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术中所存在的无法对超声波谐振频率进行精准跟踪调节的问题，提供一种超声波谐振频率的快速跟踪方法及装置，本方法通过分析超声波电源与换能器负载之间的特性关系，提出一种检测电感电压与输出电压进行闭环控制的方法，实现对系统的谐振频率点快速跟踪调节跟踪，能够快速响应负载的频率变化、实时跟踪超声波电源系统谐振频率进行调节。
[0005]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供了以下技术方案：
[0006]一种超声波谐振频率的快速跟踪方法，所述方法包括：
[0007]实时检测匹配电路中的电感电压以及输出至换能器负载的输出电压，对检测到的电感电压与输出电压进行线性运算；并根据线性运算结果与初始工作频率生成一个频率调节量，利用所述频率调节量控制所述超声波电源变换器的输出频率对所述初始工作频率进行跟踪调节；
[0008]其中，所述匹配电路设置在所述超声波电源变换器与换能器负载之间，用于实现与换能器负载的频率粗匹配。
[0009]优选的，上述超声波谐振频率的快速跟踪方法中，通过PI调节器进行电感电压与输出电压的线性运算，并根据线性运算的结果以及所述初始工作频率生成一个频率调节量，并将所生成的频率调节量输出至超声波电源变换器中的PWM驱动模块，从而利用所述频率调节量控制所述超声波电源变换器的输出频率对所述初始工作频率进行跟踪调节；
[0010]其中，将所述输出电压作为PI调节器的给定输入值，电感电压作为PI调节器的反馈输入值，将所述初始工作频率作为PI调节器的被控对象。
[0011]优选的，上述超声波谐振频率的快速跟踪方法中，还包括：对所检测到电感电压以及输出电压进行有效值转换处理或者绝对平均值处理后再输入至所述PI调节器进行线性运算。
[0012]优选的，上述超声波谐振频率的快速跟踪方法中，根据所述超声波电源变换器的中心频率设置所述初始工作频率；
[0013]或者，采用扫频法确定超声波电源变换器与换能器负载的基础谐振频率，根据所述基础谐振频率设置所述初始工作频率。
[0014]在本专利技术进一步的实施例中，还提供一种超声波谐振频率的快速跟踪装置，所述装置采用上述超声波谐振频率的快速跟踪方法对超声波谐振频率进行跟踪调节。
[0015]优选的，上述超声波谐振频率的快速跟踪装置中，包括：
[0016]第一电压采集模块，所述第一电压采集装置用于采集所述电感电压，并将其采集到的电感电压进行有效值转换处理或者绝对平均值处理，再将处理后的电感电压输入至PI调节器；
[0017]第二电压采集模块，所述第二电压采集装置用于采集所述输出电压，并将其采集到的输出电压进行有效值转换处理或者绝对平均值处理，再将处理后的输出电压输入至PI调节器；
[0018]PI调节器，用于接收所述电感电压与输出电压，并对接收到的电感电压与输出电压进行线性运算；并根据线性运算的结果以及其中的初始工作频率生成一个频率调节量，并将所生成的频率调节量输出至超声波电源变换器中的PWM驱动模块；
[0019]PWM驱动模块，用于根据所述频率调节量控制所述超声波电源变换器的输出频率对所述初始工作频率进行跟踪调节。
[0020]在本专利技术进一步的实施例中还提供一种超声波电源系统，所述系统包括上述超声波谐振频率的快速跟踪装置。
[0021]与现有技术相比，本专利技术的有益效果：
[0022]1、本专利技术通过分析超声波电源与换能器负载之间的特性关系，提出一种通过检测电感电压与输出电压进行对系统的谐振频率点进行快速跟踪调节的闭环控制方法，电路控制原理简单高效，能够响应系统负载的变化进行频率调节，超声系统工作在最佳工作点，有
效提升超声波电源效率，提升整个系统的工作效率，电源系统的能量才能充分转换为机械振动的能量。
[0023]2、本专利技术采用PI调节器实现相应的频率调节控制，PI调节器是一种基于误差的的调节器，能够快速跟踪并减小误差，从而使得整个调节过程能够快速响应负载的频率变化；利用PI调节器配合超声波电源变换器中的PWM开关频率驱动模块对超声波电源的输出频率进行实时调节，相应的调节速度完全能够满足超声能量焊接的速度需求，有效将调节时间控制在ms级甚至us以内。
附图说明：
[0024]图1为本专利技术示例性实施例的超声波系统电路原理框图。
[0025]图2为本专利技术示例性实施例的匹配电路与换能器负载的等效电路图。
[0026]图3为本专利技术示例性实施例的电感电压与输出电压的幅频特性示意图1。
[0027]图4为本专利技术示例性实施例的电感电压与输出电压的幅频特性示意图2。
[0028]图5为本专利技术示例性实施例的利用PI调节器进行超声波系统频率快速跟踪装置的控制框图。
具体实施方式
[0029]下面结合试验例及具体实施方式对本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超声波谐振频率的快速跟踪方法，其特征在于，所述方法包括：实时检测匹配电路中的电感电压以及输出至换能器负载的输出电压，对检测到的电感电压与输出电压进行线性运算；并根据线性运算结果与初始工作频率生成一个频率调节量，利用所述频率调节量控制所述超声波电源变换器的输出频率对所述初始工作频率进行跟踪调节；其中，所述匹配电路设置在所述超声波电源变换器与换能器负载之间，用于实现与换能器负载的频率粗匹配。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过PI调节器进行电感电压与输出电压的线性运算，并根据线性运算的结果以及所述初始工作频率生成一个频率调节量，并将所生成的频率调节量输出至超声波电源变换器中的PWM驱动模块，从而利用所述频率调节量控制所述超声波电源变换器的输出频率对所述初始工作频率进行跟踪调节；其中，将所述输出电压作为PI调节器的给定输入值，电感电压作为PI调节器的反馈输入值，将所述初始工作频率作为PI调节器的被控对象。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：对所检测到电感电压以及输出电压进行有效值转换处理或者绝对平均值处理后再输入至所述PI调节器进行线性运算。4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述超声波电源变换器的中心频率设置所述初...

【专利技术属性】
技术研发人员：康智斌，刘有成，
申请(专利权)人：四川英杰电气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：