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综 述・REV IE W行波型超声电机频率自动跟踪控制技术评述收稿日期:2003-03-29国家自然科学基金重点资助项目(项目编号:50235010)祖家奎 赵淳生(南京航空航天大学 超声电机研究中心,江苏,南京 210016)摘 要:在行波型超声电机结构分析和工作状态分析的基础上,对其频率跟踪技术的原理和实质进行了探讨。
同时,根据行波型超声电机驱动器的设计原理,分析了频率跟踪技术可以采用的反馈信号。
在此基础上,对超声电机频率跟踪技术进行了分类和总结,提出了五种频率跟踪方法,并对其进行了分析比较。
最后,对行波型超声电机频率跟踪技术的应用和发展提出了见解。
关键词:超声波电机;频率控制;反馈信号;驱动器中图分类号:TM 383 文献标识码:A 文章编号:1001-6848(2004)06-0047-04A Rev iew for Frequency Track i ng Con trol Techn iques of Travel i ng W ave Ultra son ic M otorsZ U J ia -ku i ,ZHAO Chun -sheng(R esearch Cen ter of U ltrason ic M o to rs ,N an jing U n iversity of A eronau tics &A stronau tics ,N an jng 210016,Ch ina )Abstract :Based on the analysis of structu re and drive state of traveling w ave u ltrason ic mo to r (TW UM ),the p rinci 2p le and mo tivati on of frequency track ing con tro l techn iques are discu ssed in detail.M eanw h ile ,acco rding to the driving pow er of u ltrason ic mo to r ,differen t feedback signals that can be adop ted in the frequency track ing con tro l are in troduced ,and five differen t m ethods of the frequency track ing con tro l are classified and analyzed comparative 2ly .L astly ,the app licati on and developm en t of the frequevcy track ing con tro l techn iques are p robed in to w ith au tho r’s view po in t .Key words :u ltrason ic mo to r ;frequency con tro l ;feedback signal ;driver0 引 言行波型超声电机是目前较实用的的一种类型[1]。
一种具有频率自动跟踪功能的超声波电机驱动电源的设计的开题报告项目背景：超声波电机由于其高速、大力矩、高精度等优点，在自动化设备、机器人、航空航天等领域得到广泛应用。
超声波电机驱动电源是超声波电机的重要组成部分，其稳定性和性能直接影响超声波电机的运行效果。
而超声波电机的振荡频率受温度、载荷或外界环境的影响而变化，因此需要设计一种具有自动跟踪功能的超声波电机驱动电源。
项目研究内容：本项目旨在设计一种具有频率自动跟踪功能的超声波电机驱动电源。
具体而言，需要研究以下内容：1. 超声波电机的工作原理、特点和应用场景；2. 目前超声波电机驱动电源的技术现状和不足；3. 频率自动跟踪的原理和方法；4. 基于自动跟踪的超声波电机驱动电源的设计和实现；5. 驱动电源的性能测试和优化。
项目意义：本项目可以提高超声波电机的运动稳定性和精度，使其更好地应用于各种领域。
同时，通过自动跟踪功能的设计，可以减少外界干扰对超声波电机的影响，提高了电机的可靠性和稳定性，为工业自动化和智能化的发展做出贡献。
预期成果：本项目的预期成果包括：1. 对超声波电机和驱动电源技术现状和发展趋势的深入了解和研究；2. 一种具有频率自动跟踪功能的超声波电机驱动电源的设计和实现；3. 驱动电源的性能测试数据和分析报告；4. 给出未来研究方向和应用前景的探讨。
研究方法：本项目采用实验室实验结合计算机模拟的方法，首先通过实验研究超声波电机在不同载荷和温度下的振荡频率变化情况，然后建立数学模型，通过计算机模拟进行分析，最终设计具有自动跟踪功能的驱动电源并进行实验验证。
项目计划：1. 项目启动和背景研究（2个月）；2. 实验研究和模型建立（3个月）；3. 驱动电源的设计和实现（3个月）；4. 驱动电源的性能测试和分析（2个月）；5. 结果整理、论文撰写和答辩（2个月）。
预期难点：1. 超声波电机的特殊性质和不确定性给实验研究带来了困难；2. 频率自动跟踪方法的选择和实现需要充分探讨和研究。
自动追频超声波发生器的电路原理下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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收稿日期:2002203227基金项目:国家“八六三”高技术航天领域基金资助项目(86322222426B );高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(2000048711)作者简介:李华峰(19742),男,博士生,从事超声波电机及其控制系统的研究。
文章编号:100422474(2003)0120036203超声波电机的频率自动跟踪李华峰,辜承林(华中科技大学电气与电子工程学院,武汉430074) 摘 要:随着超声波电机运行时间的增加,其谐振频率会下降,进而使电机速度降低。
为保持电机速度的稳定性,该文提出了一种具有新颖的频率自动跟踪功能的超声波电机驱动源。
它使用窗口比较器、可逆计数器、D A 转换器和压控振荡器实现频率跟踪功能。
结合理论分析和L C 谐振曲线,阐明了跟踪器的工作原理。
实验结果表明这个方案是可行的。
关键词:超声波电机;驱动源;频率跟踪中图分类号:TM 356 文献标识码:AFrequency Track i ng of Ultra son ic M otorL I Hua -feng ,GU Cheng -l i n(Co llege of E lectrical and E lectronic Engineering ,H uazhong U niversity of Science &T echno logy ,W uhan 430074,Ch ina ) Abstract :A s the increase of runn ing ti m e ,the resonan t frequency of u ltrason ic mo to r w ill decrease ,w h ich thenleads to the decrease of speed .To keep the stab ility of mo to r ′s speed ,a u ltrason ic mo to r driver w ith novel au tom atic frequency track ing is p ropo sed in th is paper ,w h ich m ain ly include w indow comparato r ,reversib le coun ter ,D A converto r and vo ltage con tro lled o scillato r (V CO ).Its operating p rinci p le is in terp reted by theo retical analysis and C cu rve diagram .T he effectiveness of the p ropo sed schem e is demon strated experi m en tally .Key words :u ltrason ic mo to r ;driver ;frequency track ing1 前言超声波电机是近年发展起来的一种新型电机,它利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动,将弹性材料(压电陶瓷,PZT )的微观形变通过共振放大和摩擦耦合转换成转子或滑块的宏观运动。
第18卷第5期2020年10月Vol.18No.5Oct.2020中国工程机械学报CHINESE JOURNAL OF CONSTRUCTION MACHINERY用于旋转超声加工的超声波发生器频率跟踪策略马付建1，焦首岳1，刘宇1，康仁科2，张生芳1，沙智华1（1.大连交通大学机械工程学院，辽宁大连116028；2.大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室，辽宁大连116024）摘要:针对旋转超声加工中采用无线传输方式传递超声电能时，在超声波发生器频率跟踪电路设计中，反馈信号无法直接从超声振动单元侧直接采集的问题，基于变压器互感耦合原理，分析无线传输变压器初级与次级间电流、电压与电流相位信息的关系。
建立利用无线传输变压器初级电流、电压与电流相位信息信号反映次级信号进行超声波发生器频率跟踪的信号采集方法，结合最大电流搜索和电压与电流相位信息锁相跟踪技术，提出了用于旋转超声加工的超声波发生器复合频率跟踪策略。
对超声波发生器的信号采集与频率跟踪电路进行设计，并基于STC89C51单片机编制了频率跟踪程序，研制了用于旋转超声加工的超声波发生器，并对研制的超声波发生器在空载及加工中频率跟踪性能进行测试。
结果表明：研制的超声波发生器信号在空载和旋转超声加工中频率跟踪性能稳定，可以满足实际旋转超声加工要求。
关键词:旋转超声加工；超声无线电能传输；超声波发生器；频率跟踪中图分类号:TG663；TB553文献标志码:A文章编号:1672-5581（2020）05-0377-07Frequency tracking strategy of ultrasonic generatorfor rotary ultrasonic machiningMA Fujian1，JIAO Shouyue1，LIU Yu1，KANG Renke2，ZHANG Shengfang1，SHA Zhihua1（1.School of Mechanical Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian116028，Liaoning，China；2.Key Laboratory for Precision&Non-traditional Machining of Ministry of Education，Dalian University of Technology，Dalian116024，Liaoning，China）Abstract：In order to solve the problem that the feedback signal cannot be directly collected from the ultrasonic vibration unit side，when designing of frequency tracking circuit in ultrasonic generator，since the wireless transmission method of ultrasonic energy is employed in rotary ultrasonic machining.The relationship between primary and secondary currents，and the relationship of voltage and current phase information between the primary and secondary of wireless transformer were analyzed.A signal acquisition method that using the primary current，voltage and current phase information signals of wireless transformer to reflect the secondary signals for frequency tracking of ultrasonic generator was established，based on the principle of mutual inductance coupling of transformer.A hybrid frequency tracking strategy suitable for rotary ultrasonic machining is proposed，combining with the maximum current search and phase-locked tracking technique of voltage and current phase information.The signal acquisition and frequency tracking circuit of ultrasonic generator was designed，and the frequency tracking program was compiled，based on 基金项目：国家自然科学基金资助项目（51505057）；辽宁省自然科学基金重点项目（20170540113）；大连市高层次人才创新支持计划项目（2017RQ049）作者简介：马付建（1982—），男，副教授，硕士生导师。
超声波发生器关于频率自动跟踪的研究超声波发生器(或称功率源)是一种用于产生并向超声换能器提供超声能量的装置。
超声波发生器就其激励方式有两种：一种是他激式．另一种是自激式。
如果按末级功放管所采用的器件类型分，又可分四种：电子管式超声发生器；可控硅逆变式超声发生器；晶体管式超声发生器及功率模块超声发生器。
电子管式与可控硅逆变式目前基本已淘汰，当前广泛使用的是晶体管式发生器。
他激式超声发生器主要包括两部分，前级是振荡器，后级是放大器。
一般通过输出变压器耦合，把超声能量加到换能器上。
而自激式超声发生器是把振荡、功放、输出变压器及换能器集为一体，形成一闭环回路，回路在满足幅度、相位反馈条件，组成一个有功率放大的振荡器。
并谐振于换能器的机械共振频率上。
关于频率自动跟踪所谓谐振问题就是要求发生器的输出信号频率能对在工作中变化的换能器谐振频率进行跟踪，也即称频率自动跟踪。
目前常用的频率自动跟踪大致有以下几种方法：1．声跟踪以声耦合方式，从换能器上采集谐振频率的电讯号，然后反馈至前级放大器，使形成自激振荡器。
其原理框图如图1．28所示。
图1．28 声跟踪超声波发生器原理框图由图1．28看出，电路是个闭环系统，电路在通电的瞬间产生一个冲击脉冲，此脉冲经预放、功放去激励换能器，换能器按自身固有频率振动。
从而在反馈的声接收器上可得到相同频率的电讯号。
经过电路的移相、选频、预放及功放再去激励换能器，如果满足振荡器的相位，幅度条件，系统将自激振荡，且振荡频率跟踪在换能器的共振频率上。
2．电跟踪所谓“电跟踪”又称反馈自激式振荡器。
大致有以下几种形式(1)阻抗电桥形式的动态反馈系统阻抗电桥形式的动态反馈系统组成的频率自动跟踪电路其原理如下；它是利用电桥平衡原理补偿换能器电学臂的无功与有功分量，借助于差动变量器提取与换能器机械臂振荡电流成正比的反馈电压，使闭环系统在换能器机械共振频率上自振。
本方法对换能器电参数的补偿有可能做到与频率无关，因而在较宽频段内跟踪良好。
自动追频超声波原理
自动追频超声波技术是一种利用超声波在介质中传播的性质，通过对接收信号进行处理实现物体检测与测距的方法。
其原理是利用超声波的高频振动，在物体表面反射时会发生一定的反射，通过接收反射的声波信号来计算物体与传感器之间的距离。
自动追频超声波传感器是这种技术的核心。
它由一个超声发射器和一个接收器组成。
超声发射器会发出一系列频率不同的超声波，这些超声波会在空气或其他介质中传播。
当它们遇到物体表面时，一部分会被反射回来，经过接收器收集后，对这些反射信号进行相应的处理，就可以得到物体与传感器之间的距离。
自动追频超声波技术的优点在于其具有较高的精度和可靠性，而且不受环境中光线和颜色的影响，适用于多种不同的场景。
在工业、交通、安防等领域中，自动追频超声波技术已经被广泛应用，例如车辆倒车雷达、智能门禁、物品计数器等。
在未来，随着传感器技术的不断发展和升级，自动追频超声波技术也将更加完善和普及。
它将成为自动驾驶、智能家居、智能物联网等领域中的关键技术之一，为人们的生活带来更多的便利和安全保障。
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自动追频超声波原理
自动追频超声波原理是一种利用超声波技术来检测物体的位置、形状和距离的方法。
该技术是基于声波的传播和回弹原理，通过发射超声波脉冲并接收其回弹信号，来确定目标物体的位置和距离。
自动追频超声波技术相比传统的超声波检测技术，最大的优点在于其能够自动追踪目标物体的频率变化，并实时调整自身的工作频率，从而保证检测的精度和稳定性。
这种能力在处理移动目标或在复杂环境下进行检测时显得尤为重要。
自动追频超声波技术的实现核心在于其信号处理算法。
系统会将接收到的信号进行数字化后，通过对它们进行滤波、放大、变换、解调等处理，来提取出所需的信息。
通过这种方式，系统可以精确地计算出目标物体的距离、速度和方向等信息。
在工业生产中，自动追频超声波技术已经被广泛应用在各种测量、检测和控制系统中。
例如，在机械加工中，它可以用于测量和控制加工工件的长度、直径和形状等参数；在自动化仓储系统中，它可以用于检测和定位物料的位置和尺寸；在汽车制造中，它可以用于检测轮胎的磨损和气压等。
总之，自动追频超声波技术是一种高精度、高稳定性的检测和测量技术，它在许多领域都有着广泛的应用。
随着科技的不断发展，它将会在更多的领域中发挥着重要的作用。
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超声波发生器关于频率自动跟踪的研究
超声波发生器(或称功率源)是一种用于产生并向超声换能器提供超声能量的装置。
超声波发生器就其激励方式有两种：一种是他激式．另一种是自激式。
如果按末级功放管所采用的器件类型分，又可分四种：电子管式超声发生器；可控硅逆变式超声发生器；晶体管式超声发生器及功率模块超声发生器。
电子管式与可控硅逆变式目前基本已淘汰，当前广泛使用的是晶体管式发生器。
他激式超声发生器主要包括两部分，前级是振荡器，后级是放大器。
一般通过输出变压器耦合，把超声能量加到换能器上。
而自激式超声发生器是把振荡、功放、输出变压器及换能器集为一体，形成一闭环回路，回路在满足幅度、相位反馈条件，组成一个有功率放大的振荡器。
并谐振于换能器的机械共振频率上。
关于频率自动跟踪
所谓谐振问题就是要求发生器的输出信号频率能对在工作中变化的换能器谐振频率进行跟踪，也即称频率自动跟踪。
目前常用的频率自动跟踪大致有以下几种方法：
1．声跟踪
以声耦合方式，从换能器上采集谐振频率的电讯号，然后反馈至前级放大器，使形成自激振荡器。
其原理框图如图1．28所示。
图1．28 声跟踪超声波发生器原理框图
由图1．28看出，电路是个闭环系统，电路在通电的瞬间产生一个冲击脉冲，此脉冲经预放、功放去激励换能器，换能器按自身固有频率振动。
从而在反馈的声接收器上可得到相同频率的电讯号。
经过电路的移相、选频、预放及功放再去激励换能器，如果满足振荡器的相位，幅度条件，系统将自激振荡，且振荡频率跟踪在换能器的共振频率上。
2．电跟踪
所谓“电跟踪”又称反馈自激式振荡器。
大致有以下几种形式
(1)阻抗电桥形式的动态反馈系统
阻抗电桥形式的动态反馈系统组成的频率自动跟踪电路其原理如下；它是利用电桥平衡原理补偿换能器电学臂的无功与有功分量，借助于差动变量器提取与换能器机械臂振荡电流成正比的反馈电压，使闭环系统在换能器机械共振频率上自振。
本方法对换能器电参数的补偿有可能做到与频率无关，因而在较宽频段内跟踪良好。
差动变量器桥式自动频率跟踪电路如图1．29所示。
图中Tf为差动变量器，正反馈电压Uf，由次级绕组W3引出；初级绕组W1，W2与阻抗Z1、Z2构成电桥四臂，Z1为换能器阻抗(它由机械臂阻抗Zm和电学臂阻抗Ze并联而成)，Z2为补偿元件的阻抗。
Z3用于补偿电桥的电抗。
设Zm》Ze则Z1 =Ze 。
显然，如满足条件W1I1=W2I2(W1W2为初级的匝数)，电桥获得平衡，Tf次级绕组反馈电压Uf=0。
此平衡条件又可表为Z2／Ze=W2／W1
X2/Xe=R2/Re=W2/W1=n
即式中Re/Xe分别为Ze和Z2的实部和虚部。
系数n表示差动变量器初级绕组两部分的匝数比，它等于补偿元件阻抗与换能器电学臂之比。
一般情况下，流经Z m的电流Im使电桥失去平衡，Tf次级绕组将感生出正比于换能器机械臂振荡电流Im的反馈电压Uf
Uf=Im(W1/W3)Rim
式中Rim为振荡器的输入电阻。
当系统的自激频率fo=fr(换能器的机械共振频率)时，电流Im。
将达最大值。
系统反馈最强， Uf 反馈电压最大，满足幅度条件，且Uf与Uin同相，也满足相位条件，系统自激在换能器机械共振频率上。
假如换能器的机械共振频率因某种因素减低了，则fo>fr。
，负载Z m呈感性，Im 的相角为负值，造成Uf滞后于Uin(原先的输入电压)，系统振荡频率降低从而达到跟踪的目的。
差动变量器桥式自动频率跟踪电路优点，在于其对换能器电抗成分的补偿与频率无关，从而保证反馈电压在很宽的频率段内只与机械振荡电流有关，跟踪可靠、失调较小．
(2)负载分压方式的反馈系统。
这种系统如图1．30所示，图中的整个电路形成闭环迥路．电路在通电的瞬间产生一个电脉冲，
经功放加至换能器两端，于是换能器受激振动。
其振动频率为换能器本身的固有频率，在换能器两端的振荡信号，经分压后送至可调移相器上，再送至功放。
当可调移相器调至相位满足自激条件时，系统自激于换能器的固有频率上。
换能器谐振频率的微小变化，电路系统均能及时跟踪使工作始终处于最佳状态。
图1．30 电压反馈振荡器
(3)锁相式频率自动跟踪
锁相式频率自动跟踪系统与前两种自激系统相比，电路要复杂得多，但能获得较好的频率自动跟踪性能。
因此在超声塑料焊接机的发生器中获得越来越广泛的应用。
采用锁相技术进行频率自动跟踪的关键，是如何获得负载电路中电压与电流之间的相位差。
压电换能器在谐振频率附近的等效电路如图1．31所示。
图中虚线框内为换能器等效回路。
C0为换能器静态电容。
Rm为机械阻反映到电端的阻(如果忽略机械损耗，即为反映到电端的辐射阻)，Lm为动态等效质量反映到电端的值；Cm为等效力顺反映到电端的动态电容值；L。
为换能器工作在谐振状态时的并联匹配电感。
1．31 压电换能器等效简图
该迥路的谐振频率
ω2 =1/LoCo =1/LmCm
在谐振状态时，换能器两端电压U=iRm ,
即电压与电流是同相的。
当换能器失谐时，u与i不再同相，其电抗与频率特性曲线如图1．32所示。
图中ωs为串联谐振频率。
ωp为并联谐振频率。
图1．32 谐振点附近电抗与频率特性图
图1．33为串联谐振频率附近的相频特性。
由图1．33可知，当ω<ωs时电路呈容性，i超前u，相位差为负；
图1．32 谐振点附近电抗与频率特性图
当ωs<ω<ωp时电路呈感性，u超前i，相位差为正。
当ω＝ωs时，电路呈纯阻特性， i电流与U电压同相位。
因此，换能器两端的电压与流过换能器的电流，他们之间的相位差正负、大小，代表激励信号的频率与振动系统固有频率之间的关系。
所以，若把电压、电流相位差信号取出，作为激励振动系统谐振频率变化的控制信号，达到频率跟踪的目的。
这就是锁相式频率跟踪的基本原理。
详细步骤可参见。
图l-33 串联谐频附近的相频特性
(3) 锁相式频率自动跟踪电路框图
锁相式频率自动跟踪系统实用电路框图如图。
图中由相位比较器、电压比较器、低通滤波器、压控振荡器、激励放大器，功率放大器、电流取样及电压取样等组成。
这是一个闭环系统。
但由于压控振荡器本身可以单独工作。
所以，本系统的开环亦能工作。
开环时类似于他激式超声波发生器。
这与自激式振荡器不一样。
本系统利用了末级换能器上的电压和电流之间的相位差，经相位比较后，获得相位误差信号，再经低通滤波之后，去控制压控振荡器的输出信号的频率。
使之保持与振动系统机械谐振频率一致。
尽管频率与相位之间有依存变换关系，但两者构成的反馈系统，从控制结果看，是不相同的。
频率反馈结果，会导致使输入与输出信号之间的频率差尽可能小，而相位反馈结果使两信号之间相位差尽可能小。
根据频率与相位所构成的微分——积分关系，相位反馈系统最终导致两信号频率差为零。
锁相式频率自动跟踪系统的锁相环路有专用集成电路，例如CD4046等。
这里不再作详细介绍，请参考有关集成电路数据手册及锁相环原理书籍。
最后，我们总结一下。
锁相式频率自动跟踪系统具有如下特点；
(1)由于锁相环是一个极好的带通滤波器，因此，不会产生系统误跟到非谐振的其它频率之上；
(2)频率自动跟踪系统的控制信号与取样的电压、电波波形之好坏，关系并不大；
(3)输出功率相对较稳定。
不会因为负载的变化而发生显著变化，
(4)由于控制系统工作在小信号状态下，所以能长时间连续地工作。
