林 伟，杨 洁，桑稳姣，姜嘉贤，杨 杰，徐寅生

(1.武汉理工大学自动化学院，湖北 武汉 430070;2.武汉理工大学土木建筑与工程学院，湖北 武汉 430070;3.湖北瑜晖电子科技有限公司，湖北 襄阳 441003)

目前超声波功率技术的应用日益广泛，在通常条件下，换能器工作在负载剧烈变化的场合。即使在负载比较稳定的情况下，压电换能器(以及与它配合的变幅杆、工具头)的参数也会因发热、老化、磨损等原因而发生变化，使换能器的谐振频率发生漂移，如果超声波电源的工作频率不随之改变，换能器将工作于失谐状态，效率明显降低，甚至停振。大功率超声波电源的频率自动跟踪在应用中十分重要，要求电源的输出信号频率能对在工作中漂移的换能器频率进行跟踪，使电源振荡频率随着换能器谐振频率的改变发生相应改变，从而保证换能器始终工作在谐振状态[1－2]。

目前，频率自动跟踪大多采用电跟踪，主要有阻抗电桥式、负载分压式和锁相式3种。锁相式频率自动跟踪系统与前两种跟踪系统相比，具有较好的频率自动跟踪性能，但电路结构较为复杂[3－4]。常规的负载分压式由于选频网络参数为定值，在频带宽度范围小的情况下跟踪效果较好，但在频率漂移大的场合，容易产生频率跟踪失控。笔者通过单片机取样换能器的电流方式来实时调节选频网络中的数字电感值从而相移跟踪漂移的换能器频率，具有动态性能好、系统结构简单、性价比高等优点，可以较好应用在频率漂移大的场合。

1 换能器频率跟踪的工作原理

自激式超声波发生器把振荡环节、功放电路、高频变压器及换能器集为一体，形成一个闭环回路。该发生器在满足幅度平衡和相位平衡的条件下，组成一个有功率放大电路的自激式超声波振荡器，主要由驱动电路、功率放大电路、高频变压器、匹配电路、换能器和带有选频移相电路的反馈取样调节单元电路等部分组成。大功率超声波电源的结构框图如图1所示，其中反馈电路输出功率反馈信号和频率反馈信号[5]。

图1 大功率超声波电源的结构框图

负载分压式跟踪的原理是在通电的一瞬间产生一个电脉冲，通过功率放大电路和高频变压器后加到压电换能器两端，于是换能器受激后振动。压电换能器两端的振荡信号，经过电容分压送到移相电路后，再送到功放电路上。当移相电路参数满足相位自激条件时，系统自激于换能器的谐振频率上。对于压电换能器谐振频率的微小变化，电路系统均能及时跟踪。当压电换能器工作在串联谐振频率点时，效率最高，系统工作最稳定。而压电换能器谐振频率点会由于装配原因和工作老化而改变，这样会产生频率漂移，频率跟踪信号可以控制超声波电源，使超声波电源的频率在一定范围内跟踪压电换能器的谐振频率点，让系统工作在最佳状态[6]。

根据压电换能器的等效参数进行选频网络的设计，采用上串下并的选频移相网络。如图2所示，R1和C1为换能器谐振点的等效参数，R2和C2为选频移相的组成部分。U0为网络输入电压，Uf为反馈电压。通常视压电换能器为一容性负载，如果视选频移相网络为一负载，则其呈现容性特性，自身不满足自激振荡的产生条件，因此采用阻抗匹配方法，在选频移相网络中串入电感，使选频移相网络的等效阻抗呈现阻性特性，使电路实现自激。选频移相网络串入电感的等效阻抗为[7]:

当虚部为零时，等效阻抗呈现阻性特性，可得电感的计算公式为:

图2 选频网络电路等效结构图

当超声波振动系统谐振时，选频移相电路呈现阻性，电流达到最大值，即可以通过采样换能器的电流，设置一个阈值，电流如果大于该阈值，可以认为处于谐振状态;如果低于该阈值，表明偏离谐振状态，需要改变与之匹配的电感值，使超声波发生器重新回到串联谐振状态。基于以上原理，频率自动跟踪系统以换能器电流为特征值，根据电流的大小及变化趋势来调节选频移相电路的数字电感值，从而达到相移跟踪换能器的谐振频率点[8]。

2 数字电感调节电路的设计

图3为超声波数字电感调节电路结构框图，主要在反馈取样调节单元电路中起作用。该数字电感调节电路结构包括单片机控制单元，以及与所述控制单元连接的输入按键、显示模块等。当串联谐振频率为20 kHz左右时，为完成频率跟踪、实现动态匹配，通过单片机取样换能器的电流来实时调节数字电感值，从而相移跟踪漂移的换能器频率，既易于操作，又能稳定运行。

图3 超声波数字电感调节电路结构框图

图4为数字电感原理图，根据压电换能器的自身特性参数和超声波的工作频率，基于式(2)可计算出移相网络串入电感的值约为800 μH。根据需要计算串入的电感量大小，为了保证调节的精度，采用手动可调电感L0与单片机调节电感串联相结合的方式，手动可调电感L0的最大值约为700 μH，而图4中的数字电感由7个值分别为2 μH，4 μH，8 μH，16 μH，32 μH，64 μH，128 μH的小电感组成[9]，其中 L1=2 μH，L7=128 μH，调节范围为0 ～254 μH，调节步进为2 μH。

图4 数字电感原理图

继电器通过AVR单片机ATmega16的PD口控制，PD口输出高电平时，开关断开，小电感接入;PD口输出低电平时，开关闭合，小电感从串联中短路。PA0是AD采样口，另外有3个按键，KEY1可以手动减少电感值，KEY3可以手动增加电感值，按下KEY2可以进入频率自动跟踪程序。具体思路如下:通过霍尔电流传感器CS050B采样换能器的电流，得到的交流电压信号经过TRMS/DC转换器AD637后输出直流电压，再经过电压跟随器，最后给单片机的模/数转换口采样。单片机根据采样的电流值，通过控制程序来改变电感值，使超声波发生器的频率跟踪换能器的串联谐振频率[10]。

图5所示为数字电感自动跟踪流程图，采用试探法进行调整。图5中Cur为无符号整型变量，代表采样电流值;Eflag为无符号字符型变量，判断谐振状态标志位;Edir为无符号字符型变量，判断方向标志位;Max代表阈值;Record为无符号整型变量，代表当前值。

图5 数字电感自动跟踪流程图

3 实验结果及结论

在实验中，先手动调节电感值接近谐振点，为了获得较大的动态调节范围，单片机控制的数字电感初值尽可能取在可调电感中间值128 μH附近，液晶显示模块LCD1602显示单片机控制的数字电感的电感值以及换能器电流值。这样通过单片机来控制数字电感，使超声波电源的频率跟踪换能器的频率，换能器的谐振频率为19.98 kHz，频率跟踪的变化范围可达数百赫兹。

笔者利用单片机调节数字电感的方法，解决负载分压式大功率超声波电源的频率跟踪问题。该方法通过改变电感值实时跟踪压电换能器的串联谐振频率，保证大功率超声波电源处于谐振工作状态，在最大功率状态下稳定地工作。当工作中换能器频率出现漂移，偏离谐振状态时，改变电感值，可对频率进行有效的跟踪。实验结果表明，这种频率跟踪方式具有较高的可靠性和良好的动态调节性能，可用于频率漂移大的场合，在实践中已被证明为一种简单实用的频率跟踪方案。

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