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动态匹配超声波换能器谐振电感的方法与实现

来源:    作者:     发布时间:2013-01-11 09:32:33     点击数:

引言超声波换能器是一种将超音频的电能转变为机械振动的器件.广泛用于超声波加工、诊断、清洗等领域.它与发生器之间需要进行阻抗匹配。才能工作在最佳状态。串联匹配能够有效滤除开关型电源输出方波存在的高次谐波成分,因此应用较为广泛。但是.环境温度或元件老化等原因会导致换能器的谐振频率发生漂移。使谐振系统失谐。传统解决失谐的方法是频率跟踪【1.21,但无论是声跟踪法、电跟踪法、锁相式频率自动跟踪法或电流负反馈法等.都是以调节超声逆变器的开关频率为唯一手段的,当换能器的参数变化时.会导致按静态匹配的谐振工作点漂移。此时。匹配电感工作在非谐振状态.导致换能器功率损耗和发热。致使输出能量大幅度下降,甚至停振,在实际应用中受到限制。所以,逆变器在跟踪谐振点调节开关频率时,应同时改变匹配电感才能使谐振系统工作在最高效能状态。

换能器和匹配网络构成的系统实际上是一个耦v合系统.因此利用耦合振荡的基本原理分析匹配电感和耦合谐振频率的关系。当换能器的工作频率发生改变时。在传统逆变器频率跟踪的基础上,同时动态地改变匹配电感,使系统获得更高的效率。

串联匹配原理图l示出换能器的等效电路。其中,并联电路由换能器的静态电容c0和串联支路组成。串联支路由动态电感£。、动态电容C。和动态电阻R。组成。这种匹配方法酌特点是:①换能器的固有谐振频率厶与匕的谐振工作频率一致;②如的选取方便,计算只涉及换能器的固有参数。由于这种匹配方法按固定谐振点选择电感参数,因此£。是固定不变的13]。

实验环境:设定额定输入电压为50V,额定输出电压为25V.最大输出限制电流可根据实验需要由程序设定;并设定启动时间t=6s,程序中设定输出电压跟踪量,经过N=2000步才达到变换器的额定输出电压量。图4a,b,e示出变换器输出电压M。的实验波形。图4d,e,f示出输入电压ii。从50V突变到55V时输出电压“。和输出电流屯的实验波形。图4e为设定最大输出电流03.5A时,负载由1012突变到812,以及由8Q突变到lOQ时的M。和i。的波形。图4f为设定I。=3A时,负载在10~8fl之间切换的M。和i。波形。可见,屯限制在3A,与程序中设定的,鲫一致;‰降低到了约24V,与理论值一致。简单介绍了基于数字控制的Buck变换器闭环系统结构:详细叙述了实现软启动的思想和具体过程;给出了变换器实现恒压限流输出的具体设计方案,并将这些控制思想和方案用于小功率实验平台,得到了具体的实测波形。实验结果表明,设计的软启动和恒压限流方案具有很好的实应价值。而且同样适合用于其他DC/DC变换器。1

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