一种压电换能器的全状态频率跟踪方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种压电换能器的全状态频率跟踪方法及系统，该方法包括：基于梅森等效模型构建换能器电压电流相位差与换能器发波频率的关系式；获取发波频率和对应的换能器电压电流相位差值并求解关系式，得到关系式的解；根据关系式的解判断换能器是否具有阻性点；判断到存在阻性点，计算换能器的谐振频率和反谐振频率；判断到不存在阻性点，计算换能器的最小容性点；根据用户需求选择换能器的谐振频率或反谐振作为变化目标值。该系统包括：关系式构建模块、解模块、判断模块和输出模块。本发明专利技术作为一种压电换能器的全状态频率跟踪方法及系统，可广泛应用于换能器跟踪控制领域。域。域。

【技术实现步骤摘要】
一种压电换能器的全状态频率跟踪方法及系统


[0001]本专利技术涉及换能器跟踪控制领域，尤其涉及一种压电换能器的全状态频率跟踪方法及系统。

技术介绍

[0002]目前，由于超声波可以产生机械效应、空化效应、化学效应及热效应，被广泛应用于清洗、检测、加工、焊接等领域。超声电源是超声波发生系统的核心组成部分，目标是生成特定频率交流电，使压电换能器工作在谐振状态。压电换能器的谐振频率受负载、驱动电压的影响，在工作的过程中往往随时间呈现非线性变化。因此，频率跟踪技术是超声电源的关键技术之一。在换能器处于大负载的情况下，会出现无阻性点状态。能够同时适配压电换能器的无阻性点和有阻性点的频率跟踪的方法称为全状态频率跟踪方法。

技术实现思路

[0003]为了解决上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种压电换能器的全状态频率跟踪方法及系统，能够同时适配于谐振频率与反谐振频率，具有误跟踪自复位和全状态频率跟踪能力。
[0004]本专利技术所采用的第一技术方案是：一种压电换能器的全状态频率跟踪方法，包括以下步骤：
[0005]基于梅森等效模型构建换能器电压电流相位差与换能器发波频率的关系式；
[0006]获取发波频率和对应的换能器电压电流相位差值并求解关系式，得到关系式的解；
[0007]根据关系式的解判断换能器是否具有阻性点；
[0008]判断到存在阻性点，计算换能器的谐振频率和反谐振频率；
[0009]判断到不存在阻性点，计算换能器的最小容性点；
[0010]根据用户需求选择换能器的谐振频率或反谐振作为变化目标值。
[0011]进一步，还包括：
[0012]根据设定的跟踪速度和跟踪精度对变化目标值进行后处理。
[0013]进一步，所述换能器电压电流相位差与换能器发波频率的关系式公式表示如下：
[0014][0015][0016][0017][0018]进一步，所述根据关系式的解判断换能器是否具有阻性点这一步骤中的判断规则如下：
[0019]当K
22
‑
4K1K3≥0，换能器当前存在阻性点；
[0020]当K
22
‑
4K1K3<0，换能器当前不存在阻性点。
[0021]进一步，所述换能器的谐振频率和反谐振频率的计算公式如下：
[0022][0023]上式中，f
r
表示谐振频率，f
a
表示反谐振频率。
[0024]进一步，所述换能器的最小容性点的计算公式如下：
[0025][0026]上式中，f表示换能器的最小容性点。
[0027]进一步，所述根据设定的跟踪速度和跟踪精度对变化目标值进行后处理这一步骤，其具体包括：
[0028]设定最大步长值、稳态抖动值和抖动相位差值；
[0029]判断到换能器电压电流相位差值小于抖动相位差值，将下一步的目标值调整为稳态发波频率与稳态抖动值之和；
[0030]判断到换能器电压电流相位差值大于抖动相位差值且下一步的目标值与当前发波频率的差小于最大步长值时，输出变化目标值；
[0031]判断到换能器电压电流相位差值大于抖动相位差值且下一步的目标值与当前发波频率的差大于最大步长值时，输出最大步长值。
[0032]本专利技术所采用的第二技术方案是：一种压电换能器的全状态频率跟踪系统，包括：
[0033]关系式构建模块，基于梅森等效模型构建换能器电压电流相位差与换能器发波频率的关系式；
[0034]解模块，用于获取发波频率和对应的换能器电压电流相位差值并求解关系式，得到关系式的解；
[0035]判断模块，用于根据关系式的解判断换能器是否具有阻性点；判断到存在阻性点，计算换能器的谐振频率和反谐振频率；判断到不存在阻性点，计算换能器的最小容性点；
[0036]输出模块，用于根据用户需求选择换能器的谐振频率或反谐振作为变化目标值。
[0037]本专利技术方法及系统的有益效果是：本专利技术具有误跟踪自复位能力，能很好的解决频率误跟踪的问题；同时自适配各种不同的振子和应用场景，可较为简单的选择跟踪目标，无需PID那种繁琐的参数调试过程，跟踪速度快，精度高；能够适配无阻性点状态下换能器的控制，实现换能器的全状态控制。
附图说明
[0038]图1是本专利技术一种压电换能器的全状态频率跟踪方法的步骤流程图；
[0039]图2是本专利技术一种压电换能器的全状态频率跟踪方法的梅森等效电路图；
[0040]图3是本专利技术压电换能器的特征频率图；
[0041]图4是本专利技术一种压电换能器的全状态频率跟踪方法的程序流程图；
[0042]图5是本专利技术一种压电换能器的全状态频率跟踪系统的结构框图。
具体实施方式
[0043]下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
[0044]如图1所示，本专利技术提供了一种压电换能器的全状态频率跟踪方法，该方法包括以下步骤：
[0045]S1、基于梅森等效模型构建换能器电压电流相位差与换能器发波频率的关系式；
[0046]S2、获取发波频率和对应的换能器电压电流相位差值并求解关系式，得到关系式的解；
[0047]具体地，根据三个不同的发波频率及其对应的换能器电压电流相位差值求解相位差
‑
发波频率关系式的三个未知数，关系式具体为：
[0048][0049]参照图2，式中，L1为换能器的动态电感，R1为换能器的动态电阻，C1为换能器的动态电容，C0为换能器的静态电容，tanθ为换能器电压电流相位差角的正切值，ω为换能器当前的工作频率。
[0050]待求解的方程组具体为：
[0051][0052]其中ω1、ω2、ω3、tanθ1、tanθ2、tanθ3为最近三次发波频率和对应的换能器电压电流相位差值，式方程组中的已知值，为三个待求解的未知数，为了表述方便，以K1、K2、K3代替所述三个未知数。
[0053]S3、根据关系式的解判断换能器是否具有阻性点，判断到存在阻性点，计算换能器的谐振频率和反谐振频率，判断到不存在阻性点，计算换能器的最小容性点；
[0054]换能器此时是否具有阻性点的具体判据为：
[0055]K
22
‑
4K1K3的结果是否大于0，是则表明换能器此时存在阻性点，否则表明换能器此时不存在阻性点。
[0056]换能器谐振频率的具体计算公式为：
[0057][0058]换能器反谐振频率的具体计算公式为：
[0059][0060]换能器最小容性点的具体计算公式为：
[0061][0062]S4、存在阻性点时，根据用户需求选择换能器的谐振频率或反谐振作为变本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种压电换能器的全状态频率跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：基于梅森等效模型构建换能器电压电流相位差与换能器发波频率的关系式；获取发波频率和对应的换能器电压电流相位差值并求解关系式，得到关系式的解；根据关系式的解判断换能器是否具有阻性点；判断到存在阻性点，计算换能器的谐振频率和反谐振频率并根据用户需求选择换能器的谐振频率或反谐振作为变化目标值；判断到不存在阻性点，计算换能器的最小容性点并将最小容性点作为变化目标值。2.根据权利要求1所述一种压电换能器的全状态频率跟踪方法，其特征在于，还包括：根据设定的跟踪速度和跟踪精度对变化目标值进行后处理。3.根据权利要求2所述一种压电换能器的全状态频率跟踪，其特征在于，所述换能器电压电流相位差与换能器发波频率的关系式公式表示如下：压电流相位差与换能器发波频率的关系式公式表示如下：压电流相位差与换能器发波频率的关系式公式表示如下：压电流相位差与换能器发波频率的关系式公式表示如下：上式中，L1表示换能器的动态电感，R1表示换能器的动态电阻，C1表示换能器的动态电容，C0表示换能器的静态电容，tanθ表示换能器电压电流相位差角的正切值，ω为换能器当前的工作频率。4.根据权利要求3所述一种压电换能器的全状态频率跟踪方法，其特征在于，所述根据关系式的解判断换能器是否具有阻性点这一步骤中的判断规则如下：当K
22
‑
4K1K3≥0，换能器当前存在阻性点；当K
22
‑
4K1K3<0，换能器当前不存在阻性点。5.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚震，罗子伦，刘凯捷，丁荣杰，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：