1、第 卷 第 期 年 月传 感 技 术 学 报 .项目来源：国家重点研发计划项目（）；国家自然科学基金项目（，）；浙江省级人才项目（）收稿日期：修改日期：，（，；，）：，（），；，：；：基于集成芯片的压电换能器频率跟踪技术研究罗锡棋，郭南翔，颜海霞，董林玺（杭州电子科技大学电子信息学院智能微传感器与微系统教育部工程中心，浙江 杭州；杭州电子科技大学信息工程学院，浙江 杭州）摘 要：针对超声驱动电源在不同共振频率跟踪（）方案下存在的频率搜索范围小、跟踪进程长、软硬件设计复杂等问题，研究了基于集成芯片的频率跟踪方案。该方案以集成芯片为核心，结合逻辑控制及其外围接口电路，实现了压电换能器在毫秒量级的频
2、率智能跟踪。此外，还设计了一种输出频率范围可调的 电路，来搭配使用频率跟踪模块；以匹配电路的电压放大倍数和换能器电流为目标函数计算出匹配参数。最后基于频率跟踪模块实现了小型化、低成本的超声驱动电源，验证了基于集成芯片的频率跟踪方案。所设计的电源拥有 频率搜索范围，的频率跟踪精度。实验结果表明，其能在 左右完成频率搜索和跟踪的进程。关键词：频率跟踪方案；集成芯片；频率跟踪模块；超声驱动电源中图分类号：；文献标识码：文章编号：（）压电超声技术已成熟地应用于超声清洗、金属焊接、超声探测等领域，具有节省劳动力，提高生产效率等社会作用。压电换能器在机械谐振频率工作时输出振幅较大，但是该频率不仅在换能器工
3、作时随负载实时变化，还会因环境温度、元器件老化等因素而缓慢漂移，导致换能器在非谐振频率工作，输出不了预期的振幅，所以需要用各种频率跟踪方案，来实时调整超声换能器的工作频率（）。尤其在超声金属焊接领域，由于键合的时间一般在毫秒级别，这就对 方案的频率跟踪速度有着更高的要求。传统的 方案为锁相环法（，）、电流极值法和 控制法，更进一步地还会与不同算法相结合，或者两两之间形成互补的复合跟踪策略。法以换能器工作电压、电流是否同相位为判断依据进行频率跟踪，但换能器在谐振频率与反谐传 感 技 术 学 报第 卷振频率下均为阻抗零相位状态，这使得无法将频率搜索范围同时包括进这两点频率，很大程度上限制了频率搜索
4、带宽。采用最大电流极值法追踪谐振频率，会伴随着电流过大而发热严重，采用最小电流极值法跟踪反谐振频率，虽然反谐振频率具有输出功率自动调节的特性，但也会因工作电流小让换能器输出振幅较小，关键的是匹配电路也会影响电流极值的频率位置，使其偏离谐振频率。控制是闭环控制的经典算法，但其搭配 使用会存在频率跟踪速度慢和参数选取不合适的问题，所以针对超声系统也已提出多种算法来优化频率跟踪速度或输出振幅稳定性等，但这也伴随着软硬件开发难度和成本的提高。当采用复合跟踪策略时，其往往会有一个阈值进行两种跟踪方式的切换，但该阈值存在不好确定的问题，左传勇等人以电流大小为阈值时易受设定功率影响，等人以相位为阈值时易受反
5、谐振频率的影响。本文对基于集成芯片的功率超声换能器 方案进行研究，该集成芯片以换能器的相对内阻和电压、电流相位为综合判断依据，能自动区分换能器谐振频率与反谐振频率，实现谐振频率搜索和实时跟踪。最终设计实现了能快速频率跟踪的千瓦量级功率超声驱动电源。系统总体方案设计超声驱动电源的设计框图如图 所示，主要包括了频率跟踪模块、电路、主控电路、全桥逆变电路、匹配电路、电源电路、驱动电路等。频率跟踪模块负责换能器谐振频率跟踪，通过与主控电路中的 通信，直接开启或关闭频率跟踪功能；电路是搭配频率跟踪模块使用的必要电路，本文专门设计了一种输出频率范围和频率跟踪精度可调的 电路；主控电路则主要起着系统的整体控
6、制和通信，实时监测保护相关电路并收发各种指令；采用了移相全桥逆变电路实现输出功率连续可调的功能；匹配电路起到了功率调节和滤波的作用，其会影响换能器工作状态以及频率跟踪效果。图 超声驱动电源设计框图图 换能器阻抗、相位特性曲线 频率跟踪方案设计 频率锁定集成芯片方案换能器阻抗特性曲线如图 所示，换能器有两个零阻抗相位的频率，分别是谐振频率 和反谐振频率。由于换能器的机械谐振频率 与谐振频率相近，且零阻抗相位容易测得，本文将谐振频率作为目标频率进行跟踪。集成芯片是依据换能器阻抗、相位特性曲线进行设计的，采集最低、最高频率的相对内阻作为参考值，结合相位将换能器频率跟踪过程分为三个区间，谐振频率存在于
7、相对内阻最小的同相位点。在电流相位超前电压的区间 和 内，集成芯片实时采集计算换能器相对内阻，并与参考值比较进行频率跟踪，在靠近谐振频率的区间 内，芯片直接降低工作频率到阻抗零相位点。基于锁频芯片的硬件模块设计为了避免单线程的 执行其他进程影响频率跟踪效果，需要用独立的 对集成芯片进行单独控制。同时为了使该 方案快速、方便地应用于其他超声加工设备中，将该芯片与必要电路做了第 期罗锡棋，郭南翔等：基于集成芯片的压电换能器频率跟踪技术研究 模块化处理，从而能在不同设备的电路板中，实现即插即用的效果。图 所示是本文设计的频率跟踪模块的框图，全波整流以及整形电路将采集的换能器电压、电流信号处理为集成芯
8、片要求的输入信号，并增加了保护电路，防止意外出现的大电压、大电流损坏元器件。本文选用了 内核微控制器来处理集成芯片，其拥有最高 的工作频率，保证能对来自集成芯片的每一个 或者 标志信号进行及时处理，同时该 拥有两组串口通信接口来与其他主控 进行通信，提高了该模块的通用性。为了实现在不同设备中即插即用的功能，将输入、输出统一做成排针。最终设计的频率跟踪模块尺寸大小为 ，实物图如图 所示。图 硬件电路框图图 频率跟踪模块实物图 基于锁频芯片的软件设计根据集成芯片的工作原理，对频率跟踪模块进行程序设定，具体流程如图 所示。为了让 及时处理每一个 或者 频率加减标志信号，选择用中断的形式进行触发判断并
9、修改输出 值，通过启用和禁用中断程序的方式来控制追频功能的开启和关闭。其主程序负责接收判断串口指令，主要来使能和关闭系统中断。在中断程序中，会实时判断集成芯片提供的频率加减信号和频率跟踪区间信号，来实现变步长的频率跟踪，达到两头步长大中间步长小的效果。结合前文所述，芯片在第一次使用前需要输入最低、最高频率下换能器的电压电流信息，为了在后续频率跟踪前省去该操作，使用 存储器记录相关信息，并在重新上电时配置完集成芯片，同时配置上一次频率跟踪的 值，使其从谐振频率附近开始频率跟踪，大幅加快谐振频率搜索过程。图 频率跟踪程序流程图 电路设计 电路是搭配使用频率跟踪模块的必要电路，由于传统电路难以设定特
10、定的输出频率范围，来适用不同换能器的谐振频率搜索，因此本文设计了一种输出频率范围和跟踪精度可调的 电路，如图 所示。该电路基于 半桥控制芯片所设计，该芯片通常是由 和 管脚的电阻、电容来控制内部振荡器的充放电时间，因为其 管脚的电平 传 感 技 术 学 报第 卷图 基于 的 方案在正常使用情况下为恒定值，所以改用三极管组成的可变电流源，替换 管脚的固定电阻，即实现了 控制频率的功能。由于本文设计电路三极管基极电流 变化量较小，所以认为发射结压降 为固定值。首先 芯片输出频率 公式为：（）（）三极管集电极电流 的电流大小约为：（）取 ，且 对应转化为，代入式（）得：（）从式（）可知，其起始输出频
11、率会较低，即 控制的输出频率范围较宽，这将明显降低频率跟踪模块控制频率的精度，因此还需要改进 电路，从而能够调整最低 对应的起始输出频率。选择将 管脚并联一个电阻到地，则 管脚的总电流 变为：（）将 对应转化为，再次代入式（）得输出频率 与 值 的最终对应关系为：（）因为 的内置 输出范围可自行设定为（），所以设定 为 来保证三极管工作在放大区。本文采用的换能器谐振频率约为 ，通过配置 和 使 电路输出频率范围为 。结合上文所述，内置的是 位分辨率，电路设定的输出频率范围决定着频率跟踪精度，因此本文的频率跟踪精度为：（）本文使用相同的设计方案修改了全桥控制芯片 的外围电路，实现对全桥逆变电路的
12、控制。匹配电路的参数设计匹配电路是超声驱动电源能量传递的关键，其主要用于功率调节和滤波。若在整个频率搜索范围内，匹配电路的频响函数增益变化幅度过大，就会使换能器出现过高的工作电压和电流，从而在频率跟踪过程触发安全保护并停止工作，甚至损坏整个设备。因此对于较宽搜索频带范围的超声驱动电源，还需以电压的放大倍数及换能器电流为目标函数优化匹配参数。本文采用了 匹配，其与换能器连接方式如图 所示，其中换能器采用了电路等效模型。图 匹配电路及换能器等效模型将匹配电感 简化为（），将换能器的电路等效模型与匹配电容 简化为（），则频响函数为：（）（）（）（）（）本文设计的超声驱动电源采用全桥移相电路，所以输入
13、到匹配电路的驱动信号为占空比 可调的梯形波，其峰值为，则可得该信号时域的傅里叶表达式为：（）（）（）（）（）（）因为（）、（）的阻抗值也随频率变化，当输入梯形波的频率固定时，算出其基波和各谐波频率下频响函数式（）的模 和相位，分别表示了匹配电路对不同基波和谐波的放大倍数和相移，第 期罗锡棋，郭南翔等：基于集成芯片的压电换能器频率跟踪技术研究 如式（）所示：（）（）（）（）（）（）（）（）（）最终可以求得换能器两端的电压波形时域表达式：（）（）（）（）（）（）同理，将换能器的电路等效模型简化为（），可以算得基波和各谐波下换能器的阻抗 和相移，如式（）所示：（）（）（）则可以求得换能器的电流波形时
14、域表达式：（）（）（）（）（）（）可通过式（）和式（）在 绘制出不同匹配参数下换能器的电压、电流波形。当匹配电路的滤波效果较好，在换能器上只考虑基波的影响，即式（）中，则简化得到电压的放大倍数：（）（）（）（）此时换能器电流的峰值大小约为式（）中 时的波形峰值大小：（）（）（）使用阻抗分析仪测得换能器的小信号等效电路模型 参 数，将 其 代 入 式（）和 式（），利 用 绘制出不同匹配参数下的效果图。本文在固定电容参数为 的情况下，计算不同匹配电感下，频率搜索范围 内换能器的电压放大倍数和电流大小随频率和匹配电感的变化过程，并绘制出三维图，如图 所示，当电感取值小于 时，在频率搜索过程中会出现
15、换能器电压、电流过大的情况，同时考虑输出功率不易过小，选取 的电感参数。虽然使用阻抗分析仪测得小信号下换能器的静态参数跟工作过程中换能器的实际参数会有所区别，所以无法很精确地计算出实际值，但其 求得的整体趋势仍可作为设计参考。图 计算的三维图图 超声驱动电源样机 实验结果验证图 所示为最终设计完成的低成本超声驱动电源。将该设备接入 的压电换能器，能正常稳定地进行长时间焊接工作。测试工作过程中压电换能器的电压、电流波形如图 所示，电压、电流波形完整且保持同相位。传 感 技 术 学 报第 卷图 换能器电压电流波形对该超声焊接设备进行频率跟踪效果实验，通过 硬件电路将超声设备的最低、最高工作频率配置
16、为 和 ，使其包括了换能器的谐振频率 与 反 谐 振 频 率，换 能 器 的 谐 振 频 率 约 为。假设从最低 频率开始频率跟踪。首先在跟踪步长恒为 倍最小单位，即不分段进行频率跟踪的情况下，计算理论所需的时间，因为频率跟踪模块会在每一个换能器工作周期内处理两次，所以其单个步长处理周期在 范围内，所以频率跟踪所需时间约为：（）图 从最低频率工作时 变化过程图 和图 所示分别为从最低、最高频率进行频率跟踪时模块输出的 值，对应工作频率。从结果来看，该超声设备的频率跟踪进程符合理论预期的效果，从最低频率按最小步长开启进程，能在 左右完成谐振频率的搜索和跟踪并最后稳定于谐振频率附近。另一方面也说明该 方案不会受起始频率的影响，即使从最高频率开始频率跟踪，也不会错误地跟踪到反谐振频率。当使用模块的分段频率跟踪功能时，软件设置在远离谐振频率、靠近谐振频率和谐振频率附近，其对应的跟踪步长分别为 倍最小单位、倍最小单位以及 倍最小单位。再次从最高频率开始频率跟踪，测得的实验结果如图 所示，可以明显看到三段不同斜率的折线、，分别对应着设定的三档不同大小的频率跟踪步长。并且整个频率跟踪进程缩短至 左右
