[發明專利]壓電換能器驅動頻率計算方法、系統及驅動電路設計方法

在審

• 申請號: 201910794145.6
• 申請日: 2019-08-27
• 公開（公告）號: CN110633510A
• 公開（公告）日: 2019-12-31
• 發明（設計）人: 董曉霄;袁越
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;G01R31/00
• 代理公司: 32224 南京縱橫知識產權代理有限公司
• 代理人: 史俊軍

本發明公開了一種壓電換能器驅動頻率計算方法，包括采集壓電換能器質量和恒速度測試結果；根據恒速度測試結果，計算壓電換能器不同頻率下的有功功率；根據質量、恒速度測試結果和有功功率，計算壓電換能器不同頻率下的機械品質因數；將最高機械品質因數對應的頻率作為壓電換能器最優驅動頻率。同時公開了相應的系統和壓電換能器驅動電路設計方法。本發明計算不同頻率下的機械品質因數，通過最高機械品質因數實現了最優驅動頻率的獲取；同時本發明在最優驅動頻率的基礎上，進行阻抗計算和匹配，改進現有驅動電路，可以使壓電換能器在工作中降低損耗，減小溫升，提高性能穩定性。

技術領域

本發明涉及一種壓電換能器驅動頻率計算方法、系統及驅動電路設計方法，屬于壓電換能器技術領域。

背景技術

壓電換能器是利用壓電材料的壓電效應，將高頻電能轉化為機械能的裝置。常用的壓電換能器結構(如Langevin換能器)被廣泛應用于壓電作動器(如超聲波電機)的振子結構。為了實現最大振幅輸出，壓電換能器通常以共振頻率作為其工作頻率。然而，工作在共振頻率下會導致壓電換能器具有較大的能量損耗和溫升，因此從降低損耗和提高工作穩定性的角度出發，共振頻率并不是最理想的驅動頻率。如何獲取壓電換能器的最優驅動頻率是急需解決的問題。

發明內容

本發明提供了一種壓電換能器驅動頻率計算方法、系統及驅動電路設計方法，解決了背景技術中披露的問題。

為了解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案是：

壓電換能器驅動頻率計算方法，包括，

采集壓電換能器質量和恒速度測試結果；

根據恒速度測試結果，計算壓電換能器不同頻率下的有功功率；

根據質量、恒速度測試結果和有功功率，計算壓電換能器不同頻率下的機械品質因數；

將最高機械品質因數對應的頻率作為壓電換能器最優驅動頻率。

恒速度測試為，保證壓電換能器振動速度相同的情況下，測試壓電換能器的電壓-頻率特性、電流-頻率特性和導納相位-頻率特性。

有功功率的計算公式為，

其中，P為壓電換能器的有功功率，U和I分別為壓電換能器的電壓和電流，為壓電換能器的導納相位。

機械品質因數的計算公式為，

其中，Q_m為機械品質因數，f為測試壓電換能器的頻率，P為壓電換能器的有功功率，m為壓電換能器的質量，v_rms為恒速度測試時壓電換能器振動速度。

壓電換能器驅動頻率計算系統，包括，

采集模塊：采集壓電換能器質量和恒速度測試結果；

有功功率計算模塊：根據恒速度測試結果，計算壓電換能器不同頻率下的有功功率；

機械品質因數計算模塊：根據質量、恒速度測試結果和有功功率，計算壓電換能器不同頻率下的機械品質因數；

最優驅動頻率獲取模塊：將最高機械品質因數對應的頻率作為壓電換能器最優驅動頻率。

采集模塊采集的恒速度測試結果包括壓電換能器的電壓-頻率特性、電流-頻率特性和導納相位-頻率特性。

有功功率計算模塊中采用的計算公式為，

其中，P為壓電換能器的有功功率，U和I分別為壓電換能器的電壓和電流，為壓電換能器的導納相位。

機械品質因數計算模塊中采用的計算公式為，