一种超声驱动系统的消除二、三、四次低倍频谐波的方法及驱动电路技术方案

本发明专利技术公开了一种超声驱动系统的消除二、三、四次低倍频谐波的方法及驱动电路，其中方法包括：实时监测换能器的负载阻抗；计算驱动换能器的电压有效值；根据有效值计算适用于固定电压源的PWM信号的占空比数值，或者计算适用于固定占空比PWM信号的可变电压源的电压值。利用上面两种调制方式都可以在变压器的初级中产生不含低倍频谐波的第一交流电压；第一交流电压会在变压器的次级中感应出第二交流电压，此变压器可为第一和第二交流电压提供电气隔离并按实际负载需要升高或降低电压；第二交流电压传入低通滤波器中，输出第三交流电压。通过本发明专利技术可以实现以较低开关频率来驱动换能器以降低驱动电路的损耗，同时还能获得低失真的交流驱动电压。失真的交流驱动电压。失真的交流驱动电压。

【技术实现步骤摘要】
一种超声驱动系统的消除二、三、四次低倍频谐波的方法及驱动电路


[0001]本专利技术涉及驱动系统
，特别涉及一种超声驱动系统的消除二、三、四次低倍频谐波的方法及驱动电路。

技术介绍

[0002]如说明书附图1所示，在超声刀驱动系统中除了机械振动主谐振频率(大约为55.5kHz)外，阻抗存在很多高频的谐振峰，尤其是4倍频(大约222kHz)以内各种阻抗谐振峰非常明显。因此如果实际的功放驱动电压信号不是标准正弦波，存在4倍频以内的谐波分量，那么这些电压谐波分量就可能会在换能器上产生较大的谐波电流响应，造成不必要的功耗并加剧换能器的老化。
[0003]一般来说，为了不产生基波频率的低次谐波分量(比如基波的2倍频、3倍频、4倍频等)，传统方法是使用远大于基波频率的PWM开关频率(PWM载波频率为基波频率的6倍或更高)，然后使用LC滤波器将PWM开关频率中的高频分量给滤除掉，由于基频频率为换能器机械振动最佳谐振频率，大约为55.5kHz，6倍的载波频率就相当于333kHz，这个开关频率对于开关器件来说已经相当高，技术实现存在较多困难，即使实现了也会带来功耗上升等问题。

技术实现思路

[0004]为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种超声驱动系统的消除二、三、四次低倍频谐波的方法及驱动电路。
[0005]具体的，在第一方面，本专利技术的技术方案如下：
[0006]实时监测换能器的负载阻抗值，计算出当前时刻所述换能器需要的驱动电压有效值；
[0007]基于所述驱动电压有效值和固定电压源的电压值，计算得到满足第一占空比和第二占空比的不同PWM信号；
[0008]利用所述不同PWM信号对所述固定电压源进行调制，使得所述固定电压源在功率变压器的初级中产生不含低倍频谐波分量的第一交流电压；
[0009]将所述第一交流电压传入所述功率变压器的初级，并在所述功率变压器的次级中产生第二交流电压，此变压器可将第一交流电压和第二交流电压之间进行电气隔离并按实际负载需要抬高或者降低电压；
[0010]所述第二交流电压传入至低通滤波器中，输出第三交流电压。
[0011]在一些实施方式中，所述的基于所述驱动电压有效值和固定电压源的电压值，计算得到满足第一占空比和第二占空比的不同PWM信号，包括：
[0012]所述第一占空比和所述第二占空比的计算公式为：
[0013][0014][0015]其中，τ1为第一占空比，τ2为第二占空比，T为PWM信号周期，v
rms
为所述换能器需要的驱动电压有效值，v
dc
为所述固定电压源电压。
[0016]在另一方面，本专利技术还提出一种驱动电路，包括依次连接的电压源单元、调制电压单元、变压单元、滤波单元、换能单元，
[0017]所述电压源单元包括固定电压源，用于输出稳定的供电电压；
[0018]所述换能单元，用于实时监测换能器的负载阻抗值，计算出当前时刻所述换能器需要的驱动电压有效值；
[0019]所述调制电压单元，用于基于所述驱动电压有效值和固定电压源的电压值，计算得到满足第一占空比和第二占空比的不同PWM信号；
[0020]所述调制电压单元，还用于利用所述不同PWM信号对所述固定电压源进行调制，使得所述固定电压源在功率变压器的初级中产生不含低倍频谐波分量的第一交流电压；
[0021]所述变压单元，用于将所述第一交流电压传入所述功率变压器的初级，并在所述功率变压器的次级中产生第二交流电压，此变压器可在第一交流电压和第二交流电压之间进行电气隔离并按实际负载需要抬高或者降低电压；
[0022]所述滤波单元，用于对所述第二交流电压进行低通滤波，输出第三交流电压。
[0023]所述换能单元，还用于将所述第三交流电压的电能转换为实际的物理振动机械能。
[0024]在一些实施方式中，所述调制电压单元包括第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管；
[0025]所述第一MOS管、所述第三MOS管的漏极均接所述电压源单元的正极端，所述第一MOS管的源极接所述第二MOS管的漏极，所述第三MOS管的源极接所述第四MOS管的漏极，所述第二MOS管、所述第四MOS管的源级接所述电压源单元的负极端，所述第一MOS管、所述第二MOS管、所述第三MOS管、所述第四MOS管分别接对应的不同PWM信号。
[0026]在一些实施方式中，所述变压单元包括功率变压器，所述功率变压器包括初级线圈和次级线圈，所述初级线圈的第一端接所述第一MOS管的源极和所述第二MOS管的漏极的连接中间点，所述初级线圈的第二端接所述第三MOS管的源极和所述第四MOS管的漏极的连接中间点；
[0027]所述滤波单元包括第一电感和第一电容，用于滤除所述第二交流电压的高倍频谐波分量；所述第一电感的第一端接所述次级线圈的第一端，所述第一电感的第二端接所述第一电容的第一端和所述换能单元的第一端，所述第一电容的第二端接所述次级线圈的第二端和所述换能单元的第二端。
[0028]在另一个方面，本专利技术还提出一种超声驱动系统的消除二、三、四次低倍频谐波的方法，包括：
[0029]实时检测流过所述换能器的交流电流值，获取所述换能器当前负载阻抗值；
[0030]可变电压源基于所述当前负载阻抗值，输出第一供电电压；
[0031]利用固定占空比的PWM信号对所述第一供电电压进行调制，使得所述第一供电电压在功率变压器的初级中产生不含低倍频谐波分量的第一交流电压；
[0032]将所述第一交流电压通过变压器，得到第二交流电压，此变压器可在第一交流电压和第二交流电压之间进行电气隔离并按实际负载需要抬高或者降低电压；
[0033]将所述第二交流电压传入低通滤波器，得到第三交流电压。
[0034]在一些实施方式中，所述可变电压源的电压数值v
dc
计算公式为：
[0035][0036]v
rms
为所述换能器需要的驱动电压有效值。
[0037]在另一方面，本专利技术还提出一种驱动电路，包括依次连接的电压源单元、调制电压单元、变压单元、滤波单元、换能单元，
[0038]所述换能单元，用于实时检测流过所述换能器的交流电流值，获取所述换能器当前负载阻抗值；
[0039]所述电压源单元包括可变电压源，用于根据所述当前负载阻抗值，输出第一供电电压；
[0040]所述调制电压单元，用于利用固定占空比的不同PWM信号对所述第一供电电压进行调制，使得所述第一供电电压在功率变压器初级中产生不含低倍频谐波分量的第一交流电压，
[0041]所述变压单元，用于将所述第一交流电压通过所述变压器的初级在所述变压器的次级中产生第二交流电压，此变压器可在第一交流电压和第二交流电压之间进行电气隔离并按实际负载需要抬高或者降低电压；
[0042]所述滤波单元，用于对所述第二交流电压进行低通滤波，输出第三交流电压。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超声驱动系统的消除二、三、四次低倍频谐波的方法，其特征在于，包括：实时监测换能器的负载阻抗值，计算出当前时刻所述换能器需要的驱动电压有效值；基于所述驱动电压有效值和固定电压源的电压值，计算得到满足第一占空比和第二占空比的不同PWM信号；利用所述不同PWM信号对所述固定电压源进行调制，使得所述固定电压源在功率变压器的初级中产生不含低倍频谐波分量的第一交流电压；将所述第一交流电压传入所述功率变压器的初级，并在所述功率变压器的次级中产生第二交流电压，此变压器可将第一交流电压和第二交流电压之间进行电气隔离并按实际负载需要抬高或者降低电压；所述第二交流电压传入至低通滤波器中，输出第三交流电压。2.根据权利要求1所述的一种超声驱动系统的消除二、三、四次低倍频谐波的方法，其特征在于，所述的基于所述驱动电压有效值和固定电压源的电压值，计算得到满足第一占空比和第二占空比的不同PWM信号，包括：所述第一占空比和所述第二占空比的计算公式为：所述第一占空比和所述第二占空比的计算公式为：其中，τ1为第一占空比，τ2为第二占空比，T为PWM信号周期，v
rms
为所述换能器需要的驱动电压有效值，v
dc
为所述固定电压源电压。3.根据权利要求2所述方法应用于一种驱动电路，其特征在于，包括依次连接的电压源单元、调制电压单元、变压单元、滤波单元、换能单元，所述电压源单元包括固定电压源，用于输出稳定的供电电压；所述换能单元，用于实时监测换能器的负载阻抗值，计算出当前时刻所述换能器需要的驱动电压有效值；所述调制电压单元，用于基于所述驱动电压有效值和固定电压源的电压值，计算得到满足第一占空比和第二占空比的不同PWM信号；所述调制电压单元，还用于利用所述不同PWM信号对所述固定电压源进行调制，使得所述固定电压源在功率变压器的初级中产生不含低倍频谐波分量的第一交流电压；所述变压单元，用于将所述第一交流电压传入所述功率变压器的初级，并在所述功率变压器的次级中产生第二交流电压，此变压器可在第一交流电压和第二交流电压之间进行电气隔离并按实际负载需要抬高或者降低电压；所述滤波单元，用于对所述第二交流电压进行低通滤波，输出第三交流电压。所述换能单元，还用于将所述第三交流电压的电能转换为实际的物理振动机械能。4.根据权利要求3所述的一种驱动电路，其特征在于，所述调制电压单元包括第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管；所述第一MOS管、所述第三MOS管的漏极均接所述电压源单元的正极端，所述第一MOS管的源极接所述第二MOS管的漏极，所述第三MOS管的源极接所述第四MOS管的漏极，所述第二
MOS管、所述第四MOS管的源级接所述电压源单元的负极端，所述第一MOS管、所述第二MOS管、所述第三MOS管、所述第四MOS管分别接对应的不同PWM信号。5.根据权利要求4所述的一种驱动电路，其特征在于，所述变压单元包括功率变压器，所述功率变压器包括初级线圈和次级线圈，所述初级线圈的第一端接所述第一MOS管的源极和所述第二MOS管的漏极的连接中间点，所述初级线圈的第二端接所述第三MOS管的源极和所述第四MOS管的漏极的连接中间点；所述滤波单元包括第一电感和第一电容，用于滤除所述第二...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹大为，余嘉，
申请(专利权)人：上海硕慧科技有限公司，
类型：发明
国别省市：