超声换能系统的频率跟踪与控制方法研究

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1、硕士学位论文超声换能系统的频率跟踪与控制方法研究RESEARCHONTHEFREQUENCYTRACKINGANDCONTROLMETHODOFULTRASOUNDTRANSDUCERSYSTEM李春风哈尔滨工业大学2014年12月国内图书分类号：TB552学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工学硕士学位论文超声换能系统的频率跟踪与控制方法研究硕士研究生：李春风导师：隆志力副教授申请学位：工学硕士学科：控制科学与工程所在单位：深圳研究生院答辩日期：2014年12月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TB552U.D.C:621.3Disse

2、rtationfortheMasterDegreeofEngineeringRESEARCHONTHEFREQUENCYTRACKINGANDCONTROLMETHODOFULTRASOUNDTRANSDUCERSYSTEMCandidate：LiChunfengSupervisor：Asso.Prof.LongZhiliAcademicDegreeAppliedfor：MasterDegreeofEngineeringSpecialty：ControlScienceandEngineeringAffiliation：ShenzhenGraduateSchoolDateofDefen

3、ce：Dec.2014Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要超声换能系统被广泛应用在工业生产中，如电子封装行业、超声加工行业等。超声换能系统包括两部分：超声发生器和换能器。当发生器输出的驱动信号频率与换能器谐振频率相等时，换能器输出功率最大。因此全篇论文以提高换能系统频率跟踪效率为核心，主要讨论了选择相位差作为控制量的理论依据、换能器两端电压电流相位差响应特性、以及谐振频率快速搜索方法与零相差前馈控制器的设计问题。基于力电声类比法，将换能器各部分机械杆件等效成电路网络拓扑图，

4、建立了阻抗与接触面的关系模型。进而等效成最简模型，得出谐振频率与支路中各参数的函数关系，并仿真研究了各参数对谐振频率的影响规律。利用该规律，提出了选择相位差作为控制量的理论依据。理论分析了超声换能系统，并建立了相应的数学模型。利用MATLAB/Simulink平台，搭建了仿真模型，得出换能器两端电压电流相位差在不同驱动频率下的响应特性。为设计谐振频率搜索算法以及设计零相差前馈控制器提供了参考量。提出了新型谐振频率搜索算法，即粗搜索与精搜索结合的双段搜索算法，用以满足频率跟踪的快速性与准确性要求。为了保证该频率驱动信号经过换能器后能被零相差输出，即完全跟踪上输入，设计了零相差前馈控制器

5、，并仿真验证了该控制器的合理性以及正确性。通过实验获取换能系统相位差响应特性，与理论仿真进行比较，验证了超声换能系统各部分数学建模的正确性。纯换能系统、加入阻抗匹配的换能系统、加入粗精搜索谐振频率算法和零相差前馈控制器的换能系统，对这三者频率跟踪的能力进行比较，验证了本文谐振频率搜索算法以及控制器使得相位差响应时间缩短了4ms，稳定值在静态驱动时达到0，动态驱动时在00.2之间波动，说明了该设计的可行性。以上研究内容，满足了超声换能系统频率跟踪的稳、准、快三个要求，对提高换能器工作效率有指导作用。关键词：换能系统；频率跟踪；相位差；零相差前馈控制器-I-哈尔滨工业大学工学硕士学

6、位论文AbstractUltrasoundtransducersystemsarewidelyusedinindustrialproduction,suchaselectronicpackagingindustryandultrasonicprocessingindustry.Ultrasoundtransducersystemsmainlyconsistoftwoparts:ultrasonicgeneratorandtransducer.Whenthedrivesignal’soutputfrequencyequalstotheresonantfrequencyofthetran

7、sducer,thetransduceroutputsthemaximumpower.Sothewholeworkisaimedforimprovingtheefficiencyoffrequencytracking,inwhichthetheoreticalofselectingphaseasacontrolledamount,phaseresponsecharacteristics,ZeroPhaseErrorTrackingControllerdes