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1、第30卷第2期苏州大学学报(工科版)Vol.30No.22010年4月JOURNALOFSUZHOUUNIVERSITY(ENGINEERINGSCIENCEEDITION)Apr.2010文章编号:1673-047X(2010)-02-0067-04功率超声电源的频率跟踪电路马立,李艺,李祖胜(苏州大学机电工程学院,江苏苏州215021)摘要:功率超声技术广泛使用在许多领域。由于其核心器件换能器的谐振频率在长时间工作情况下会漂移,就需要超声电源能够跟踪谐振频率的变化。提出一种基于锁相环的频率跟踪技术,设计了频率跟踪电路,详细说明电路参数的
2、计算,利用仿真验证了设计的可行性,为实现频率跟踪提供了依据。关键词:超声电源;频率跟踪;锁相环;CD4046中图分类号:TP29文献标识码:A0引言功率超声电源广泛使用在超声电机、超声清洗、超声焊接、超声加工等许多领域,它是各种超声设备驱动换能器的关键器件。它产生超声频率的电压波形驱动压电换能器,换能器再将电能转换为同频率的机械振动,产生超声波。换能器有其谐振频率,当工作在谐振频率下,换能器有着最大的功率输出和振幅。由于超声压电换能器的机械品质因数较小,而处于高频振动中的弹性体本身也会发热,因此压电换能器的介电系数、等[1]效电容及漏电阻都
3、会随温度的升高发生变化,这将导致谐振频率有±1kHz的变化,振幅成指数下降。为了稳定地驱动换能器,有必要根据温度的变化自动跟踪换能器谐振频率的变化。针对在工作中换能器的谐振频率漂移问题,本文提出一种基于锁相环技术的频率跟踪方法,利用锁相环芯片CD4046实现了谐振频率的自动跟踪,解决了这个问题,保证了换能器的输出效率。1换能器任何一压电式超声换能器,在其谐振频率附近均可等效成图1(a)的电学模型。其中C0为静态电容,它是在远低于谐振频率的频率上测出的换能器电容,是一个真实的电学量。C1、L1、R1为动态电容、动态电感和动态电阻,它们不是真正
4、的电学量,而是从换能器的质量、机械特性和损耗等分别折算过来的等效参数,一般常测到的C1、L1、R1值是其在谐振频率上的值。C0所在的支路称为静态支路,[2](a)(b)(c)C1、L1、R1所在的支路则称为动态支路。图1压电式换能器等效电路1换能器在其谐振频率附近工作时,即ω=,动态支路等L1C1效成电阻为R1,换能器进一步等效如图1(b)所示。工作在谐振频率时,由于C0的影响,整个换能器呈容性,需要有电感与换能器匹配才可以谐振,从而提高功率因数。最简单有效地匹配电感与换能器的匹配电路如图1(c)所示。依参考文献[2]的结论,匹配电感可以计
5、算得收稿日期:2009-10-20作者简介:马立(1985-),男,硕士研究生,主要研究方向为电力电子变换。68苏州大学学报(工科版)第30卷2C0R1L=222(1)1+ωC0R1由于处于高频振动中的弹性体本身也会发热,因此压电换能器的介电系数、等效电容及漏电阻都会随温度的升高发生变化,这将导致谐振频率漂移,功率因数降低。为了稳定地驱动换能器,保证驱动电路始终处于谐振状态,有必要自动跟踪换能器谐振频率的变化。2锁相环原理和电路参数锁相法是实现频率自动跟踪最理想的方法之一。锁相环(PLL)法的原理就是检测出两组输入信号相位差的大小和符号,用
6、此偏差信号去调节振荡器的频率,使相位差减小,直至相位差被锁定在零上。它主要由3[3]个基本单元构成:相位比较器(又称鉴相器)PD、压控振荡器VCO和外接的RC无源低通滤波器LPF。由于锁相环是一个相位反馈系统,在环路中流通的是相位,而不是电压,因此研究锁相环的相位模型就可得环路的完整性能。图2为锁相环的相位模型。由图2可得锁相环的相位传递函数为图2锁相环的结构图Kd·Ko·F(S)H(S)=(2)S+Kd·Ko·F(S)式中,Kd为鉴相器的鉴相增益,也是鉴相器的传递函数;Ko为压控振荡器的灵敏度,Ko/S为VCO的传递函数;F(S)为低通滤
7、波器的传递函数。2.1锁相环CD4046CD4046是通用的CMOS锁相环集成电路,其特点是电源电压范围宽为3～18V,输入阻抗高约100MΨ,动态功耗小。主要由相位比较器Ⅰ、相位比较器Ⅱ、压控振荡器、源跟随器等部分构成。本文采用由CD4046(采用鉴相器Ⅱ)构成的基本锁相环电路图如图3所示,环路在锁定状态下的工作波形如图4所示。图3锁相环CD4046电路图图4鉴相器Ⅱ工作波形图图3中右侧的C2、R13、R14和二极管D1组成了它激启振电路。由于电路启动瞬间电流反馈信号为零,VCO始终在最低频率处振荡,这样就存在启动时不能自动入锁问题,故采
8、用它激到自激的转换电路来实现启动问题。电路刚启动时,随着电容C2的充电,1点的电压由VCC逐渐降低,VCO输出频率从最大值fmax滑向最小值fmin。只要换能器的谐振频率在fma
