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用于压电换能器的频率跟踪驱动电路设计段誉;余厉阳;邹林【摘要】针对新的压电换能器损耗模型理论,设计并实现了跟踪最佳驱动频率的驱动电路.通过测量验证了最佳频率工作点的存在;利用LC滤波电路克服了电流振荡波形引起的干扰;对换能器进行阻抗匹配设计;通过数字锁相电路,结合FPGA多线程工作模式,实现了最佳频率跟踪.实验结果表明:在新的频率跟踪系统下,换能器的发热量降低为原来的一半,相较于定频系统运行更加稳定.【期刊名称】《传感技术学报》【年(卷),期】2018(031)009【总页数】6页(P1331-1336)【关键词】频率跟踪;压电换能器;最佳驱动频率;频率偏移【作者】段誉;余厉阳;邹林【作者单位】杭州电子科技大学电子信息学院,杭州310018;杭州电子科技大学电子信息学院,杭州310018;杭州电子科技大学电子信息学院,杭州310018【正文语种】中文【中图分类】O426.9现有理论认为压电陶瓷工作于其谐振频率时品质因数最高,因此压电换能器大都工作于谐振频率,驱动电路也常常根据换能器的谐振阻抗来设计,为了系统稳定工作而设计的锁频电路也都锁定在谐振频率。
但是,这一理论忽略了当不同压电损耗因子耦合时损耗会下降的情况。
最近由Shekhani和Uchino根据上述原理完成的实验证明[1-2],压电换能器的最高机械品质频率点出现在谐振频率和反谐振频率之间。
由于最佳驱动频率的高机械品质因数,此时的压电换能器获得了更高的效率,并降低了损耗减小了发热。
但是即使运行在最佳频率下,换能器的发热情况依旧明显,发热导致的频率偏移在固定频率的驱动方式下会导致工作效率大幅下降,因此本文根据这一现象,设计了一套针对最佳驱动频率运行原理的频率跟踪驱动电路。
在本文中,系统使用朗之万(Langevin)型压电换能器作为载体,验证了假设的可行性。
首先,通过恒定振动速度的测量方法测算出最佳驱动频率。
通过不同频率下实际输入功率的大小得出谐振与反谐振频率之间的最低功耗频率。
超声波超硬材料钻孔设备的原理及应用超声波随着技术的发展越来越为人们所应用，他通过自身的一些特性一步步尊定了在切削、拉丝模、深小孔加工等的地位。
超声旋转加工系统属于复合加工范畴，使工具以很小的力轻轻作用在工件上，由换能器产生超声频的纵向振动，并借助于变幅杆将振幅放大，驱动工具端面作超声振动，迫使工作液中悬浮的磨粒以很大的速度和加速度不断地撞击、抛磨被加工表面。
相对传统加工,超声旋转加工可使刀具阻力降低、促进排屑率、提高刀具强度，从而可以加工更脆更硬性的材料，并且使加工后的孔壁及平面粗糙度大幅提高。
超声的驱动电源采用固态全晶体式，具有全自动频率跟踪功能，调频范围广，调节方便，可靠性高，设有过流、过热、失谐报警，数字频率显示。
本系统可应用于加工中心、精密钻床实现数控，扩展了原设备对加工材料的应用范围，更加经济实惠。
超声波加工是利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液加工硬脆材料的一种加工方法。
超声波加工是磨料在超声波振动作用下的机械撞击和抛磨作用与超声波空化作用的综合结果，其中磨料的连续冲击是主要的。
加工时在工具头与工件之间加入液体与磨料混合的悬浮液，并在工具头振动方向加上一个不大的压力，超声波发生器产生的超声频电振荡通过换能器转变为超声频的机械振动，变幅杆将振幅放大到0.01～0.15mm，再传给工具，并驱动工具端面作超声振动，迫使悬浮液中的悬浮磨料在工具头的超声振动下以很大速度不断撞击抛磨被加工表面，把加工区域的材料粉碎成很细的微粒，从材料上被打击下来。
虽然每次打击下来的材料不多，但由于每秒钟打击16000次以上，所以仍存在一定的加工速度。
与此同时，悬浮液受工具端部的超声振动作用而产生的液压冲击和空化现象促使液体钻入被加工材料的隙裂处，加速了破坏作用，而液压冲击也使悬浮工作液在加工间隙中强迫循环，使变钝的磨料及时得到更新。
超声波加工应用范围1．可加工高硬高脆性材料如硬质合金、钛合金、淬硬钢、金刚石、石英以及钨、硅、光学玻璃等；2．适合深小孔、薄壁件、细长杆、低刚度和形状复杂、要求较高零件的加工；3．适合高精度、低表面粗糙度等精密零件的精密加工，尺寸精度可达0.005～0.03mm，表面粗糙度Ra值为0.05～0.8，被加工表面无残余应力、烧伤等现象。
第 22卷第 11期2023年 11月Vol.22 No.11Nov.2023软件导刊Software Guide基于FPGA的超声手术刀频率跟踪技术设计黄永国1，陈小红1，孙福佳2，林晓佳3，赵浩男1（1.上海理工大学材料与化学学院；2.上海理工大学机械工程学院；3.上海理工大学健康科学与工程学院，上海 200093）摘要：超声手术刀在工作过程中由于超声换能器的声阻抗变化、自身发热等情况导致其谐振频率产生漂移，驱动信号的频率难以准确地工作在换能器的谐振频率处，从而导致超声换能器停震或损坏。
为解决上述问题，采用等效电路法分析超声换能器的谐振频率特性，设计基于FPGA的频率跟踪方法实时跟踪超声换能器的谐振频率。
首先利用DDS产生频率可调节的驱动信号，然后设计相位检测模块实时检测换能器电流和电压的相位差，同时为了提高跟踪效率，通过PID算法进行控制以实现频率跟踪。
实验结果表明，所设计的频率跟踪方法可以快速实现频率跟踪，跟踪误差保持在±2Hz内，避免了跟踪过程中出现的反谐振频率跟踪和失锁等问题，具有响应速度快、鲁棒性强等优点。
关键词：超声换能器；DDS；谐振频率；相位检测；PID；FPGADOI：10.11907/rjdk.222379开放科学（资源服务）标识码（OSID）：中图分类号：TP319 文献标识码：A文章编号：1672-7800（2023）011-0133-08Design of Frequency Tracking Technology of Ultrasonic Scalpel Based on FPGA HUANG Yongguo1， CHEN Xiaohong1， SUN Fujia2， LIN Xiaojia3， ZHAO Haonan1（1.School of Materials and Chemistry， University of Shanghai for Science and Technology；2.School of Mechanical Engineering， University of Shanghai for Science and Technology；3.School of Health Sciences and Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）Abstract：During the operation of the ultrasonic scalpel， the resonant frequency of the ultrasonic transducer drifts due to the change of acous‑tic impedance and self-heating of the ultrasonic scalpel， which makes it difficult for the frequency of the driving signal to accurately work at the resonant frequency of the transducer， thus causing the ultrasonic transducer to stop or be damaged. In order to solve this problem， the equivalent circuit method is used to analyze the resonant frequency characteristics of the ultrasonic transducer， and a frequency tracking meth‑od based on FPGA is designed to track the resonant frequency of the ultrasonic transducer in real time. First of all， DDS is used to generate drive signals with adjustable frequency. Then a phase detection module is designed to detect the current and voltage phases of the transducer in real time. At the same time， in order to improve the tracking efficiency， frequency tracking is realized by PID algorithm. The experimental re‑sults show that the frequency tracking method designed in the experiment can quickly achieve frequency tracking， and the tracking error is kept within ± 2Hz and avoiding the problems of anti-resonance frequency tracking and locking loss during the tracking process. It has the char‑acteristics of fast response speed and strong robustness.Key Words：ultrasonic transducer； DDS； resonant frequency； phase detection； PID； FPGA0 引言超声手术刀又称超声刀，作为一种首选的电外科手术器械，其能够实现软组织切割和血管闭合等功能，已广泛应用于多种临床手术中［1］。
收稿日期:2008-04-28 作者简介:李小雪(1981-),女,河南人,硕士生,主要从事数字信号处理的研究。
肖灵(1968-),男,湖南人,研究员,博士生导师。
文章编号:1004-2474(2009)05-0692-03基于DDS 的超声换能器频率跟踪系统李小雪1,汪 东2,李 平1,肖 灵1(1.中国科学院声学研究所,北京100190;2.北京奥麦特科技有限公司,北京100190) 摘 要:设计并实现了一种超声换能器频率跟踪系统。
该系统采用直接数字合成器(DDS )作为频率调整和信号产生的器件;采用可编程逻辑器件(CP LD )完成相位比较和DDS 控制,频率跟踪的响应速度快;单片机作为系统的控制核心,对反馈电流进行实时监控,并在此基础上实现了先扫频后跟踪的策略以及自动解锁控制,使系统有良好的适应性和可靠性。
该系统已在超声换能器的实用产品样机上应用,取得了良好的效果。
关键词:频率跟踪;超声换能器;直接数字合成器(D DS );可编程逻辑器件(CP LD )中图分类号:T N 3;T B552;T P272 文献标识码:AFrequency Tracing System for Piezoelectric Transducer Based on DDSLI Xiao -xue 1,WANG Dong 2,LI Ping 1,XIAO Ling1(1.In stitu te of Acoustics ,Chinese Academ y of S ciences ,Beijing 100190,C hina ;2.Beijing Ometech Tech nology Co .,Ltd .,Beij ing 100190,China ) Abstract :A fr equency tracing sy stem fo r the piezo electric transduce r has been designed a nd implemented .T his system utilizes the direct dig ital sy nthesizer (DDS )to adjust the frequency and generate driving signal .CPL D is used to detect the phase difference and to co nt rol D DS ,thus the high response speed of the frequency tracing is achieved .T he micr o contro l unit (M CU )is used as the co ntrol center of the sy stem to mo nitor the feedback current in real time .Based on ,a strategy of sw eeping frequency befor e tracing and an unlock functio n hav e been realized ,thus makes the sy stem ada ptable and reliable .T his system has been used in the pro to ty pe of a practical piezoelectric trans -ducer and show s go od per formance . Key words :frequency t racing ;piezoelectric t ransducer ;DDS ;CP LD 在超声设备中,超声波发生器是重要的组成部分,担负着向超声换能器提供超声频电能的任务[1]。
大铸锭铝熔体中超声振动系统空化区域分析及实验研究董方;李晓谦;张敏【摘要】Vibration test was done for a piezoelectric ultrasonic transducer for casting by laser range finder, the displacement amplitude distribution of end and cylindrical surface was obtained through amplitude spectrum correction for the vibration series based on interpolation method, and cavitation erosion test with different depths of the ultrasonic horn was immersed in the solution of aluminum and water. Finite element methods was used to carry on the numerical simulation cavitation. The results show that the current in the resonant points below the vibration system is more stable, and it is not easy for acoustic streaming effect. The experiments of ultrasonic casting of aluminium alloy were carried out when the depth of ultrasonic vibration was applied on melt. The max amplitude of transverse vibration reaches 1/2 of the longitudinal vibration amplitude and the peak of transverse vibration appears above the end surface 15−55 mm. When the depth of vibration increases, the cavitation area was reduced. Cavitation simulation results are in good agreement with the experimental results.%根据比值校正法利用激光测距仪对超声系统辐射杆振动进行测试，其结果进行幅值谱校正后得到辐射杆位移幅值分布，分别对超声变幅杆浸入铝溶液及水中不同深度进行空蚀分布实验，运用有限元法对水及铝熔体中空化区域进行模拟。
焊线机超声波发生器数字化频率跟踪系统设计柯昌锵【摘要】焊线机超声引线键合过程中，由于温度、压力、环境等因素的变化会导致超声换能器的谐振频率发生漂移。
在分析超声换能器电特性的基础上，阐述了阻抗相位反馈调谐的原理以及基于FPGA的数字化频率跟踪系统的设计，与传统的方法相比，系统跟踪响应速度快，跟踪实时性好，而且跟踪频率范围宽，具有较强的实用性。
%In the process of wire welding machine ultrasonic wire bonding,the resonance frequency of the ultrasonic transducer is drifted due to factors such as temperature, pressure, environment change. The principle of impedance phase feedback tuning was expounded based on the analysis of electrical characteristics of ultrasonic transducer, and the digital frequency tracking system was designed based on FPGA. Compared with the traditional method,this tracking system has some advantages such as tracking system response speed,good real-time tracking,wide track frequency range and strong practicability.【期刊名称】《机电工程技术》【年(卷),期】2014(000)010【总页数】5页(P1-5)【关键词】超声波发生器;FPGA;频率跟踪;数字鉴相器【作者】柯昌锵【作者单位】广东工业大学机电工程学院，广东广州 510006【正文语种】中文【中图分类】TP751焊线机超声引线键合技术是指利用热、力、超声能量的耦合作用，通过超声振动和劈刀压力，将半导体芯片与焊盘、基板或电子封装外壳引脚用金属丝相连接的工艺技术[1]。
第20卷第6期合肥工业大学学报(自然科学版)Vo1.20№6 1997年12月JOU RNAL OF HEFEI UNIVERSIT Y OF TECHNOLOGY Dec.1997超声振动加工中的自动频率跟踪黄景荣摘要 文章论述了超声加工中的自动频率跟踪的必要性,较详细地阐述了超声加工中的自动频率跟踪原理,介绍并分析了国内外几种典型的频率跟踪系统,对我国超声技术的应用具有实际意义。
关键词 谐振频率;反馈;自动频率跟踪;超声振动中图分类号 TB559a0 引 言在超声振动加工中,为得到大的振幅以提高加工质量,发挥超声加工的优越性,要求振动系统工作在谐振状态。
一般,换能器振动系统工作前,通过调节电源的电频率,可满足系统处于共振的工作条件。
但是,在实际加工中,由于负载的变化、系统发热等一系列因素的影响,使振动系统的固有频率发生变化,此时,若不及时调整换能器的电源频率(即不采用自动频率跟踪),振动系统将工作在非谐振状态,从而使振动系统的输出振幅减小,造成加工质量下降,当失谐严重时,超声振动加工的优越性消失[1]。
因此,在超声振动加工中采用自动频率跟踪是非常必要的。
1 自动频率跟踪原理所谓自动频率跟踪,是指在加工过程中,当由换能器、变幅杆、刀具组成的振动系统在外界因素影响下,其固有振动频率发生变化时,控制系统能立即发现变化后的固有频率并及时调整供电频率与变化后的固有频率相同,使振动系统始终工作在谐振状态,以维持振动系统的最大振幅(或者说是维持最大振动速度)。
若在所有情况下,均能保证供电频率f g与振动系统固有频率f o相等,则自动频率跟踪系统是理想的,但这是非常困难和不易实现的。
对于一个实际的跟踪系统来说,只要能使供电频率f g与振动系统的固有频率f o 比较接近,频率失调$f1=ûf o-f gû较小($f1≤$f)即可。
2$f称为振动系统的有效带a收稿日期:1997-06-24宽,在此带宽范围内,系统的振幅不会下降的比允许数值A a =k a A o (A 0是谐振频率上的振图1 频率-振幅曲线幅)小,此时也不会发生加工效果的明显下降。
$f 取决于系统的品质因数,加工安装方式和系数k a 。
采用低品质因数的振动系统时(如超声清洗设备),振动系统的固有频率变化较小,条件$f 1≤$f易于满足。
而对于带有声波导的声学系统(如超声机械加工)及自然冷却的组合型压电陶瓷换能器系统来说,则工作中,其固有频率f o 变化较大,如不自动跟踪,则$f 1≤$f 不能满足。
此时,只有进行自动频率跟踪,才能满足$f 1≤$f ,从而保证超声设备的最佳工作效果。
2$f 可由下式确定2$f =f o Q 1k 2-1(1)式中 f o ——换能器系统的固有频率Q ——换能器系统的品质因数k ——系数,k =k a自动频率跟踪的任务在于提取与换能器机械振动成比例的信号,并将电源的频率调谐到超声振动系统的固有频率上。
而能否准确地提取有效信号是自动频率跟踪能否实现的关键。
自动频率跟踪系统按获得反馈(跟踪)信号的方法可分为电反馈系统(利用电—机换能器的输入信号,此信号与换能器工作部分的振动速度或其位移成比例)和声反馈系统(利用换能器或变幅杆机械振动输出的信号)。
获取和传送自动频率跟踪系统控制信号的不同方案如图2所示。
图2 超声设备中可能采用的跟踪方案84 合肥工业大学学报(自然科学版) 1997年第20卷(6)由图2可见,电反馈信号在电源至电—机换能器之间区域内提取;而声反馈信号则藉助于换能器机械振动,工质振动或负载振动的转换取得(这种转换是利用机—电或声—电换能器实现的)。
目前,提取反馈信号的方法有补偿电路、电—声换能器和其它传感器等。
2 几种典型的频率跟踪系统超声加工中的自动频率跟踪问题深受国内外研究、应用者重视,特别是国外,由于起步早,应用广,形式也很多。
下面介绍几种典型系统。
(1)模拟试验式频率跟踪系统前苏联的一项早期研究认为,超声设备在载荷状态下,换能器系统的固有频率会发生变化,输出振幅减小,为获得大振幅以提高加工质量,应使系统工作在谐振状态下。
实现方法:通过模拟试验,找出各种载荷下的对应固有频率{f ′o },工作时,根据载荷情况,调节电源的频率至相应的f ′o ,从而保证系统的谐振工作状态。
该方法思路简单,所需的设备少,但存在以下缺陷:(a)由于各种加工设备的性质不同,即使载荷相同,其固有频率变化也不会相同,因此实验数据通用性差。
(b )由于振动系统的固有频率受多种因素影响,而模拟试验不可能照顾到各个方面,因此,数据的可靠性不强,失谐在所难免。
(c)不易自控。
鉴于以上缺陷,该法不能推广使用。
(2)利用声—电换能器提取谐振频率信号从而实现自动频率跟踪利用声—电换能器提取反馈(跟踪)信号是声反馈的一种。
该法根据反磁致伸缩原理,把工作换能器同时作为敏感元件,在其上绕制测量线圈。
换能器工作时的伸缩振动,将在测量线圈中感应出电动势。
该电动势的大小与换能器的振幅成比例。
工作时,不断小幅度改变电源频率,测量并处理感应电动势,从而得到谐振频率。
图3 电—声反馈系统框图这种方法,控制思路科学,实用效果好,对工作机及其负载无特殊要求,适应性广,自动跟踪易于实现。
不足之处是工作换能器兼作敏感元件,其结构必然较为复杂。
(3)电反馈法一电反馈法一把换能器等机械系统等效为一个电负载。
其等效电路如图4所示。
85第6期 黄景荣:超声振动加工中的自动频率跟踪测量等效电路中的信号,并加以比较。
当谐振时,其回路电流电压同相位,即电位差为0;当电压超前电流时,工作电源频率高于换能器的固有振动频率;反之,当电压滞后电流时,工作电源频率低于换能器的固有振动频率。
因此,只要测量出电压、电流的相位,加以比较,即可判断出工作状态,再进行适当调整即可使系统工作在谐振状态。
图4 换能器等效电路该法用电子线路控制,不涉及换能器等机械系统的结构、尺寸。
因此,适应性广。
(4)电反馈自动频率跟踪系统该法把换能器系统等效成桥式回路的一个电学臂,如图5所示。
工作原理:用桥式电路补偿电学臂,用运算放大器的差动放大形式对压电振动子(换能器)的传输函数进行补偿运算。
当C 、R 、C o 、R o 组成的电桥臂平衡时,有v i =R F R 1=[R o R m +j (w L m -1w C m )]v o (2) 由(2)式可看出:当w L m -1w C m=0(即在机械谐振点上),v i 与v o 同相时,设功放A v 无相移,则电路满足自激振荡的相位条件,整个电路组成一自激振荡回路随机械谐振点同步变化,从而实现自动频率跟踪。
该法的主要缺陷为:精细的动态平衡不易实现,参量调节范围不大。
图5 自动频率跟踪电路原理图3 结束语超声振动加工在美、日、俄等工业化国家应用广泛,而且显示了明显的优越性。
我国这方面的工作起步较晚,应用也较少。
对自动频率跟踪方面的研究、使用就更少,未能引起各方注意。
本文的研究旨在供超声应用研究人员参考。
86 合肥工业大学学报(自然科学版) 1997年第20卷(6)参考文献1 黄景荣.超声振动切削中的振幅衰减及其危害.合肥工业大学学报(自然科学版),1996,19(1)2 张镜澄.超声波振荡器的自动频率跟踪.声学技术,1985,7(1)3 A RAM OS -FERN ANDEZ.Autom atic system fo r dynamic control of resonance inhigh pow er and hig h Q ultrasonic transducer s ULTRASON IC July,19854 蔡崇诚,李志谆.大功率超声用有源频率自动跟踪系统.应用声学,1987,9(4)AU T O M A T ICA L FREQ U EN CY T R ACKING IN T HEU L T RA SON IC V IBRA T IO N SY ST EMH uang J ingrongAbstract Based on the pr actical exper im ent,the paper prov ides the necessary o f autom atical frequency tracking in the ultraso nic vibr ation tooling ;explains the principle of the auto matica frequency tracking in the ultrasonic v ibration systems;intr oduces and analy ses som e special system s at hom e and abroad.The research in the paper has practi-cal significance in the ultraso inc apply .Key Words reso nant frequeney ,tracking automtical ,frequency tracking ,ultroso ricvibration姓名 黄景荣 出生于 1962 年 3 月 学位 硕士 职称 讲师主要研究方向 精密加工技术及其自动化主要成果及获奖情况 完成机械工业部基金项目1项,发表论文多篇。
联系地址 合肥工业大学招生办公室 邮编 230009 (本文责任编辑瞿尔仁)87第6期 黄景荣:超声振动加工中的自动频率跟踪。
