[發明專利]一種換能器驅動系統及方法

有效

• 申請號: 202110034866.4
• 申請日: 2021-01-12
• 公開（公告）號: CN112886850B
• 公開（公告）日: 2022-03-11
• 發明（設計）人: 李喜峰;張選峰;安純堯;蘇含玉
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: H02M7/5395
• 分類號: H02M7/5395;H02M7/5387
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 杜陽陽

本發明公開了一種換能器驅動系統用于驅動換能器工作；所述換能器驅動系統包括信號發生模塊、隔離放大模塊、逆變模塊、阻抗匹配模塊、電容分壓模塊、第一電壓采樣模塊、第二電壓采樣模塊及電流采樣模塊；信號發生模塊輸出第一脈沖信號經過隔離放大模塊及逆變模塊得到第二脈沖信號，信號發生模塊輸出第一控制信號控制阻抗匹配模塊對換能器進行阻抗匹配，信號發生模塊輸出第二控制信號控制電容分壓模塊，并在第二脈沖信號的驅動下，改變換能器兩端的電壓大小；根據第一電壓采樣模塊、第二采樣模塊及電流采樣模塊的采樣信號，最終實現換能器的自動阻抗匹配，進而實現對換能器的全自動驅動。

技術領域

本發明涉及壓電換能器驅動控制領域，特別是涉及一種換能器驅動系統及方法。

背景技術

超聲波的產生需要換能器進行工作，將電能轉換為機械能。超聲波換能器需要提供與其制造時標定好的頻率的電壓才能進行工作，同時換能器在工作過程中，由于各種因素的影響，其阻抗屬性產生改變，其諧振頻率也會產生漂移。因此換能器的工作需要換能器驅動電源的精密配合，才能進行順利的工作。

超聲換能器由壓電陶瓷表面鍍金屬材料制作而成，其等效電路模型如圖1所示，電阻抗一般為復阻抗。而功率源源阻抗和傳輸線特性阻抗一般為50歐姆，如直接將壓電陶瓷超聲換能器與傳輸線相連接，勢必在傳輸線末端產生極強的功率反射，使傳輸線中形成駐波，嚴重時還可能損壞功率源。因此，需要采用阻抗匹配網絡對壓電陶瓷超聲換能器和傳輸線進行阻抗匹配。

圖1為壓電陶瓷的等效電路，在電源頻率為ω_s時，壓電換能器達到諧振狀態，其包含靜態電容C₀支路的阻抗為:

另一支路的阻抗為：Z₂＝R₁(2)

總阻抗為:

為了使壓電換能器的等效負載為純電阻性質，減少虛功損耗，需要對電路進行電感匹配，采用串聯連接時，依據公式(3)，需要匹配的電感值為：

經過阻抗匹配，電路的總阻抗為：

分析可知，Z＜R₁，電路呈純阻性，同時電阻值降低，達到了最好的工作效果。

現階段的壓電換能器的驅動系統都是首先通過阻抗分析儀分析壓電換能器的內部參數，然后人工計算匹配電感，再用特定頻率的波形對壓電換能器進行驅動，使壓電換能器工作在諧振狀態。目前還有一些能夠進行自動阻抗匹配的驅動方式，如專利公開號為CN110051938A的發明專利，通過繼電器或者其它開關器件改變接入驅動電路的匹配電感或電容的值，以達到阻抗匹配的目的，從而使壓電換能器更好的達到諧振狀態，但對于換能器的諧振頻率并未涉及。這些驅動方式的主要缺陷在于限制性太強，一套驅動系統只能用于驅動一個換能器，更換壓電換能器后無法實現自動驅動，需要人為的測試壓電換能器數據的阻抗數據和計算確定阻抗匹配數值。如專利公開號為CN109067378A的發明專利，通過對換能器兩端施加一定頻率的激勵信號，獲取換能器兩端的瞬時電壓與瞬時電流信息，然后利用遺傳-粒子算法對換能器端口的瞬時電壓和瞬時電流信息進行擬合，估計換能器阻抗信息，再進行阻抗匹配。該方法較為復雜，對于激勵電路與采樣電路的要求都比較高，同時計算量大，難以實現自動化。

發明內容

本發明的主要目的在于提供一種換能器驅動系統及方法，實現換能器的全自動驅動。

為達上述目的，本發明提供了如下技術方案：

一種換能器驅動系統與換能器連接；

所述換能器驅動系統包括信號發生模塊、隔離放大模塊、逆變模塊、阻抗匹配模塊、電容分壓模塊、第一電壓采樣模塊、第二電壓采樣模塊及電流采樣模塊；

所述信號發生模塊用于產生第一脈沖信號、第一控制信號及第二控制信號；