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超声电源换能振动系统的阻抗匹配研究

电气应用 2006年第9期25卷 125-128页

作者：东栋清华大学电机系 100084

根据换能振动系统阻抗匹配的特点,通过改变磁心间的气隙来调谐匹配电感,从理论上给出磁心间气隙大小与电感量的变化关系,分析了匹配电感瞬间产生高温的原因及预防高温的措施和磁心材料的选取方法。

关键词：超声电源阻抗匹配磁心气隙磁阻

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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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步进追频及恒振幅控制的超声电源设计

应用声学 2023年第5期42卷 917-922页

作者：苏含玉安纯尧刘建停李喜峰上海大学上海200040

针对超声金属焊接过程中出现的负载变化导致谐振频率漂移和焊接振幅失恒问题,设计了一种基于步进追频及恒振幅控制的超声电源。在负载变化对谐振频率影响的研究基础上,根据可编程逻辑阵列-直接数字式频率合成器步进追频原理设计了负载... 详细信息

针对超声金属焊接过程中出现的负载变化导致谐振频率漂移和焊接振幅失恒问题,设计了一种基于步进追频及恒振幅控制的超声电源。在负载变化对谐振频率影响的研究基础上,根据可编程逻辑阵列-直接数字式频率合成器步进追频原理设计了负载变化追频逻辑;结合全桥逆变电路的移相控制方式,研究了不同占空比下的最大输入电流与最大焊接振幅的关系,提出了基于输入电流反馈下的步进移相恒振幅控制方案。实验结果表明,负载变化追频逻辑实现了谐振频率快速变化下的动态实时追踪,解决了因频率失谐导致的焊接振幅非线性下降问题。同时,在加入了振幅闭环控制后,实现了焊接振幅相对极差稳定在10%以内。

关键词：步进追频恒振幅控制超声电源

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

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

基于FPGA-DDS步进追频技术的超声电源设计

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电力电子技术 2022年第3期56卷 9-11页

作者：安纯尧张选峰苏含玉李喜峰上海大学机电工程与自动化学院上海200040

针对压电换能器谐振频率受焊接工具头发热的影响而产生漂移的问题,设计了一种以现场可编程门阵列(FPGA)为控制核心,并结合了直接数字式频率合成器(DDS)的步进追频超声电源。利用FPGA的并行运算方式实时处理电压及电流相位数据并对驱动... 详细信息

针对压电换能器谐振频率受焊接工具头发热的影响而产生漂移的问题,设计了一种以现场可编程门阵列(FPGA)为控制核心,并结合了直接数字式频率合成器(DDS)的步进追频超声电源。利用FPGA的并行运算方式实时处理电压及电流相位数据并对驱动频率做出实时反馈调节;利用DDS输出的高分辨频率对驱动频率实现精确的步进调节;FPGA的高速性及DDS的精确性避免了谐振相位失锁及频率超调的现象发生。实验结果表明,所设计的超声驱动电源能够在500μs内完成一次数据处理,频率跟踪精度可达2 Hz。该电源实现了在换能器阻抗及谐振频率不断随焊接工具头温度变化的情况下,仍能保证换能器以谐振频率工作。

关键词：超声电源步进追频现场可编程门阵列

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基于DSP的大功率超声电源的研制

微计算机信息 2008年第13期24卷 183-184,314页

作者：赵磊王建华刘建芸江苏科技大学 212003

介绍了一种基于DSP的大功率超声电源的原理、总体结构和软硬件设计及其特点。该电源由高频逆变电路和以高性能DSP芯片TMS320F2812为核心的控制系统组成。高频逆变电路实现了频率和功率均可调的超声频交流电的输出。控制系统完成了电参... 详细信息

介绍了一种基于DSP的大功率超声电源的原理、总体结构和软硬件设计及其特点。该电源由高频逆变电路和以高性能DSP芯片TMS320F2812为核心的控制系统组成。高频逆变电路实现了频率和功率均可调的超声频交流电的输出。控制系统完成了电参数的实时采集,并执行频率自动跟踪和振幅恒定的控制任务。软件上,分别使用了可变步长策略和PID算法,以满足上述两个闭环控制的需要。实验表明,该电源能够很好地驱动超声振动负载,并具有频率跟踪范围宽和负载适应能力强的特点。

关键词：超声电源频率跟踪恒幅输出 DSP

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基于PI-PLL的全桥移相式超声电源设计

电力电子技术 2010年第11期44卷 113-115页

作者：张善理屈百达江南大学江苏无锡214122

针对传统超声频率跟踪系统锁相范围窄,电源启动或负载突变时易失锁等问题,提出了一种将数字PI控制器与锁相环(PLL)电路相结合的复合式频率跟踪策略。该策略通过PI控制器进行频率粗调,通过PLL电路进行频率精确修正,并对超声电源的主电路... 详细信息

针对传统超声频率跟踪系统锁相范围窄,电源启动或负载突变时易失锁等问题,提出了一种将数字PI控制器与锁相环(PLL)电路相结合的复合式频率跟踪策略。该策略通过PI控制器进行频率粗调,通过PLL电路进行频率精确修正,并对超声电源的主电路、脉冲变压器隔离驱动电路和保护电路进行了设计及详细分析。最后,通过实验证明了该电源具有性能稳定,频率跟踪特性好和功率因数高等优点。

关键词：超声电源锁相环频率跟踪

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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