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基于改进粒子群算法的超声雾化电源频率跟踪

应用声学 2024年第1期43卷 198-203页

作者：胡航溢许龙郑伟成罗凯中国计量大学理学院杭州310018 宁波清大超声科技有限公司宁波315300

超声波雾化技术由于其良好的雾化效果获得了广泛关注,具有极大的研究价值和应用前景。但是在超声雾化的过程中,由于换能器的温度变化、刚度变化以及在水中的负载变化等因素,会产生谐振频率漂移的现象。当工作频率偏移谐振频率时,将造成... 详细信息

超声波雾化技术由于其良好的雾化效果获得了广泛关注,具有极大的研究价值和应用前景。但是在超声雾化的过程中,由于换能器的温度变化、刚度变化以及在水中的负载变化等因素,会产生谐振频率漂移的现象。当工作频率偏移谐振频率时,将造成换能器的工作效率降低和元器件损坏等问题。针对此问题,设计了基于改进粒子群算法优化PID参数的超声雾化电源频率跟踪算法,并对该算法进行频率跟踪的仿真验证和实验对比,在频率跟踪上实现了更好的效果,使换能器能够稳定工作在谐振状态,提高了电源的利用率。

关键词：超声电源超声波雾化频率跟踪粒子群算法 PID

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基于改进粒子群算法的超声雾化电源频率跟踪

应用声学 2023年

作者：胡航溢许龙郑伟成罗凯中国计量大学理学院宁波清大超声科技有限公司

超声波雾化技术由于其良好的雾化效果获得了广泛关注，具有极大的研究价值和应用前景。但是在超声雾化的过程中，由于换能器的温度变化、刚度变化以及在水中的负载变化等因素，会产生谐振频率漂移的现象。当工作频率偏移谐振频率时，将... 详细信息

超声波雾化技术由于其良好的雾化效果获得了广泛关注，具有极大的研究价值和应用前景。但是在超声雾化的过程中，由于换能器的温度变化、刚度变化以及在水中的负载变化等因素，会产生谐振频率漂移的现象。当工作频率偏移谐振频率时，将造成换能器的工作效率降低和元器件损坏等问题。针对此问题，设计了基于改进粒子群算法优化PID参数的超声雾化电源频率跟踪算法，并对该算法进行频率跟踪的仿真验证和实验对比，在频率跟踪上实现了更好的效果，使换能器能够稳定工作在谐振状态，提高了电源的利用率。

关键词：超声电源超声波雾化频率跟踪粒子群算法 PID

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基于无线传能技术的超声电源研制

基于无线传能技术的超声电源研制

作者：谭耀文武汉理工大学

学位级别：硕士

超声技术广泛应用于清洗、检测和加工等领域,超声辅助加工对于脆硬材料的加工在加工质量和效率上具备更优良的性能,因此该技术得到快速发展。在超声辅助加工系统中,超声电源为换能器提供能量,是超声系统中最重要的组成之一。无线传能技... 详细信息

超声技术广泛应用于清洗、检测和加工等领域,超声辅助加工对于脆硬材料的加工在加工质量和效率上具备更优良的性能,因此该技术得到快速发展。在超声辅助加工系统中,超声电源为换能器提供能量,是超声系统中最重要的组成之一。无线传能技术因其能量传输可靠、经济,且主轴旋转速度上限高等特点,使用该方法为刀具进行超声供能成为旋转超声加工系统的研究热点。但无线传能技术所使用的松耦合变压器,漏磁较大且使超声电源监测换能器工作状态变得困难。需要针对无线传能超声加工系统提出一种可以实时监测换能器状态的超声电源,同时研究松耦合变压器补偿电路,实现对传输有效功率的补偿。本文在现有超声换能器和松耦合变压器的基础上进行了以下研究:(1)对超声电源装置的硬件系统进行了详细设计。分析了无线传能超声加工系统的需求,确定了分离式超声电源的设计总架构。完成了全桥整流电路、BUCK斩波调功电路、全桥逆变电路、驱动控制电路、死区生成电路、反馈采样电路等硬件电路设计。(2)设计了超声电源中的阻抗匹配网络。本文所使用的无线传能系统结构,包含了高频变压器、无线传能旋转变压器、变压器补偿电路和换能器电路。本文研究了换能器和松耦合变压器的等效电路并测量了对应的电学参数,根据所测电学参数研究了SS、SP、PS、PP四种补偿方式按最大传递效率和最大传递功率情况下的补偿方式。最后完成了阻抗匹配的超声电源的输出高频变压器的设计。(3)设计了超声电源装置的程序。本文设计了超声电源的控制逻辑,对比了各种短距无线通讯方式的优缺点,选择了2.4G无线通讯。设计了频率追踪控制流程,包含二分法扫频和变步长频率追踪,设计了基于电流反馈的振幅控制程序,最后完成超声电源装置的全部控制系统设计。(4)搭建了基于无线传能的超声电源测试实验平台,通过实验验证电路设计的正确性和可靠性,并根据实验结果对电路进行了优化设计。通过EDA绘制软件将所设计电路绘制成PCB电路板并制作出来,完成整个超声电源供能实验平台搭建,验证了超声电源无线供能系统具有频率追踪和电流反馈的功能。本文研制了一种能够解决无线传能超声加工系统能量传输效率低和换能器反馈采集困难的分离式超声电源,并通过实验验证了该电源能够实现换能器无线监测和频率追踪等功能。

关键词：超声电源无线传能变压器补偿无线反馈

面向超磁致伸缩换能器的超声电源设计与性能分析

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制造技术与机床 2023年第1期 29-35页

作者：韦泽川李均冯峰查慧婷许超马原赵学奇冯平法清华大学深圳国际研究生院先进制造学部广东深圳518055 清华大学机械工程系北京100084 深圳市青鼎装备有限公司广东深圳518133

面向超磁致伸缩换能器的超声电源相对于传统的压电换能器超声电源存在一定的区别,但是目前这方面的相关研究报道较少。本研究建立了带有无线能量传输装置的等效电路模型,设计了一种面向超磁致伸缩换能器的超声电源。频率源基于直接数字... 详细信息

面向超磁致伸缩换能器的超声电源相对于传统的压电换能器超声电源存在一定的区别,但是目前这方面的相关研究报道较少。本研究建立了带有无线能量传输装置的等效电路模型,设计了一种面向超磁致伸缩换能器的超声电源。频率源基于直接数字合成(DDS)技术并利用全桥开关放大电路进行功率放大,使用相位和有效值(RMS)计算实现频率追踪策略,从而使该电源具备定频信号输出以及实时频率追踪的功能。最后,对超磁致伸缩换能器超声电源的输出性能进行了测试与分析,结果表明,在开环定频驱动功能下可以输出15~50 KHz的超声信号,在闭环追频驱动功能下可以在工作频率点处长时间稳定驱动超磁致伸缩换能器。此外,文章对面向超磁致伸缩换能器的超声电源进行了升级,并进行实验验证该电源可以实现超过1 kW的大功率输出。

关键词：超磁致伸缩换能器超声电源频率追踪直接数字合成

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基于频率搜索和跟踪的压电超声电源设计

电子器件 2023年第6期46卷 1541-1545页

作者：陈旺武刘运毅广西大学计算机与电子信息学院广西南宁530000

针对洁牙机的超声电源在工作时难以快速搜索到压电陶瓷换能器谐振点,长时间工作引起大功率器件发热量过大致使系统产生谐振漂移、不能稳定工作的问题,提出了一种基于频率自动搜索与跟踪的超声洁牙机驱动电源设计。该设计通过STM32单片... 详细信息

针对洁牙机的超声电源在工作时难以快速搜索到压电陶瓷换能器谐振点,长时间工作引起大功率器件发热量过大致使系统产生谐振漂移、不能稳定工作的问题,提出了一种基于频率自动搜索与跟踪的超声洁牙机驱动电源设计。该设计通过STM32单片机控制输出步进PWM,基于最大反馈电流设计变步长法快速搜索谐振频率;再利用相位检测技术将换能器输出的电压电流相位差作为电路谐振状态的反馈信号,结合STM32单片机进行PID控制,改变PWM占空比调节电路的振荡频率使系统始终工作于谐振状态,实现谐振频率的自动跟踪,并基于此设计出超声电源电路与控制软件。实验结果表明,该超声电源能快速搜索到换能器的谐振频率,并对谐振频率自动跟踪,使系统能稳定、长时间地工作。

关键词：超声电源频率跟踪反馈电流 PWM 谐振频率

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超声电源匹配特性的研究

超声电源匹配特性的研究

作者：王磊太原理工大学

学位级别：硕士

超声加工过程中,往往要在超声电源与振动系统之间设置匹配电路,调谐和变阻是匹配电路的主要作用,占有相当重要的地位。超声电源匹配性能的优劣不仅决定着整个系统能否高效率的运转,还将左右整个设备的技术性能,甚至会影响超声电源及振... 详细信息

超声加工过程中,往往要在超声电源与振动系统之间设置匹配电路,调谐和变阻是匹配电路的主要作用,占有相当重要的地位。超声电源匹配性能的优劣不仅决定着整个系统能否高效率的运转,还将左右整个设备的技术性能,甚至会影响超声电源及振动系统各器件的使用寿命。然而,由于各种外界因素及超声振动系统自身因数的原因,常常会造成匹配电路不能准确地进行调谐和变阻,造成振动系统输出功率下降,系统效率降低。针对这一现象,本文对匹配电路进行改进和创新。匹配电路分为静态匹配和动态匹配两种方式。对于静态匹配电路,本文选用调节方便、可调电参数多的T型匹配电路。目前关于T型网络的研究仅停留在其结构的调节方式及其作用层面上,并未对各个电参量数值的正确选取做过说明。一般T型匹配电路中电参数的确定是通过换能器自身参数而定的,然后通过分析发现,换能器与整个超声振动系统连接后,由于传振杆、变幅器、支撑架等器件及其连接问题的存在,换能器的动态电阻R,将有较大幅度的变动,而动态电阻R1是确定T型匹配电路最重要的因素。因此,仅考虑换能器自身而忽视振动系统其他器件所设计的匹配电路不能很好地起到调谐匹配的作用,这将会使振动系统在施加动态负载前就处于失谐的状态。此外,对于动态匹配电路,超声振动系统在施加负载后,由于负载的剧烈变动,常常会引起振动的失谐现象。因此,本文主要通过研究静态和动态两种匹配方式来改善超声电源的匹配特性。本文主要研究内容如下：（1）介绍超声加工技术和超声电源的兴起及在当前世界各国的发展状况,并分别介绍了超声电源的三个发展阶段及超声电源在电路匹配中存在的问题,提出总体的解决的方法。（2）分析超声电源的工作原理及其内部各个模块的工作过程,针对本实验所用超声电源的特性对超声电源内部各个模块电路进行选择,为匹配电路和超声振动系统的分析做准备。（3）根据超声振动系统压电换能器和超声变幅器的工作情况,利用力-电等效模型,推导了压电换能器的等效电路及阻抗圆图,并对换能器等效电路中相关电参数的计算及换能器谐振时的振动频率进行分析说明。（4）针对换能器静态匹配电路中匹配不准确问题,将振动系统其他器件所引起的动态电阻的变化统一进行考虑,利用动态电阻R1与T型网络电参数间的影响关系及匹配电路的两个匹配条件,重新优化调整T型匹配电路中的三个电参量。（5）利用Multisim软件对超声电源内部主电路的工作进行仿真分析,验证仿真结果与理论计算是否相一致。将优化后的T型匹配电路接入换能器等效电路并进行仿真,验证优化后T型匹配电路在动态电阻R,变化时的匹配效果。（6）用阻抗分析仪实际测量振动系统负载变化时引起的等效电路中电参数的变化,将建立好的T型匹配电路和动态调谐匹配电路实物接入超声振动系统,利用示波器验证其实际匹配效果。

关键词：超声电源匹配电路谐振动态电阻

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基于模糊PID控制的超声电源频率跟踪设计

电力电子技术 2021年第10期55卷 80-82,86页

作者：刘宁庄张远宝许龙倪冯俨西安科技大学电气与控制工程学院陕西西安710054 中国计量大学物理学院浙江杭州310018

超声波电源系统是一种工作在谐振频率将电能转化为超声能的装置,其核心就是频率跟踪控制和功率调节控制。但换能器的温度、刚度变化都会引起谐振频率漂移现象,它不仅会降低系统工作效率,还会损坏电路元器件。为了解决此问题,提出了一种... 详细信息

超声波电源系统是一种工作在谐振频率将电能转化为超声能的装置,其核心就是频率跟踪控制和功率调节控制。但换能器的温度、刚度变化都会引起谐振频率漂移现象,它不仅会降低系统工作效率,还会损坏电路元器件。为了解决此问题,提出了一种基于FPGA的谐振自动跟踪策略,将快速傅里叶变换(FFT)算法与模糊比例积分微分(PID)控制算法相结合,能够快速捕捉到系统的最佳工作频率。首先,将采样得到的电压、电流时域信号经过FFT算法处理后转换为频域信号,得到其相位信息。然后将相位差和输出功率作为模糊PID控制器的输入来实现谐振自动跟踪。此外,还设计了一种连续可调阻抗匹配网络,根据采样反馈信号设定阻抗网络匹配的参数。最后,搭建实验平台验证了所提控制策略的有效性和准确性。

关键词：超声电源比例积分微分阻抗匹配网络

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可控双极性高压脉冲超声激励电源设计

信息技术 2022年第3期46卷 17-23页

作者：张硕聂鹏飞庞存锁韩焱中北大学信息探测与处理山西省重点实验室太原030051

超声检测作为一种传统无损检测技术,因其穿透性强、定向性好的优势被广泛应用于工业领域。针对超声检测应用中对驱动电压幅值、重复频率、周期数可调以及换能器频率匹配的需求,设计了一种可控双极性高压脉冲超声激励电源。电源以ARM为... 详细信息

超声检测作为一种传统无损检测技术,因其穿透性强、定向性好的优势被广泛应用于工业领域。针对超声检测应用中对驱动电压幅值、重复频率、周期数可调以及换能器频率匹配的需求,设计了一种可控双极性高压脉冲超声激励电源。电源以ARM为控制核心,激励产生模块基于全桥驱动原理利用Si8273全桥驱动芯片结合高压MOSFET以及数控高压直流源模块实现电源参数控制。测试结果表明,所设计电源实现了激励信号极性、周期数、电压可控,激励信号频率、重复频率精确可调,其中激励电压峰-峰值为1000V,频率精度误差最大为3.5%。

关键词：无损检测双极性全桥驱动参数控制超声电源

基于PSO-PID的超声电源频率跟踪系统设计

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电子器件 2021年第3期44卷 575-578页

作者：丁艳华郑宏肖凤马海乐江苏大学机械工程学院江苏镇江212013 江苏大学食品与生物工程学院江苏镇江212013 江苏大学电气信息工程学院江苏镇江212013

针对多数超声波电源存在频率漂移、跟踪性能差、易失谐,造成能量转换效率低、甚至设备损坏等诸多问题,设计了一种基于数字控制、可实现快速频率跟踪的超声波电源。将改进的粒子群算法(particle swarm optimization,PSO)结合比例积分微分... 详细信息

针对多数超声波电源存在频率漂移、跟踪性能差、易失谐,造成能量转换效率低、甚至设备损坏等诸多问题,设计了一种基于数字控制、可实现快速频率跟踪的超声波电源。将改进的粒子群算法(particle swarm optimization,PSO)结合比例积分微分(proportional integral derivative,PID)控制应用于频率控制过程,实现了启动瞬间及工作过程均能快速检测超声波换能器的谐振频率,并调整对应输出脉冲频率,使换能器工作于谐振状态,高效地将电能转换成声能。

关键词：超声电源频率跟踪粒子群算法 PID