專利名稱：壓電式超聲換能器驅動電源的制作方法
技術領域：
本發明屬于電子技術領域，涉及一種壓電式超聲換能器驅動電源。
背景技術：
壓電式超聲換能器及其驅動電源是熱超聲鍵合設備的核心部件。壓電式超聲換能 器包括壓電換能器、變幅桿以及鍵合工具等。其中，壓電換能器通過電致伸縮效應將超 聲頻率電信號轉換為同頻率的機械振動，機械振動通過變幅桿傳遞到鍵合工具上，使鍵 合工具產生一定振幅的振動。超聲頻率的振動促使兩金屬之間形成潔凈面并且相互擴散 而焊接在一起。
在熱超聲鍵合設備中，壓電式超聲換能器振幅輸出直接影響著焊線質量，要保證 壓電式超聲換能器正常工作就必須使其工作在諧振狀態，即激勵電信號的頻率與壓電式 超聲換能器固有頻率相同，但在焊接過程中，由于鍵合界面狀態的改變、界面連接阻尼 和剛度的改變、擾動、磨損、老化等各種原因，壓電式超聲換能器的諧振頻率是不斷變 化的，如果超聲電源的動態特性差，激勵頻率不能及時準確隨之改變，壓電式超聲換能 器將工作在失諧狀態而使輸出振幅降低，從而降低鍵合效率和鍵合質量。因此需要提高 現有超聲電源的動態特性，實現超聲頻率在大范圍內的實時跟蹤，以提高熱超聲鍵合的 質量，提高鍵合可靠性。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是，提供一種壓電式超聲換能器驅動電源，可在負載 與環境因素變化的情況下迅速使驅動電源的輸出頻率實時跟蹤變化中的壓電式超聲換 能器的固有頻率，確保壓電式超聲換能器始終工作在諧振狀態下，并具有最大的輸出振 幅，以提高焊線效率，保證焊線質量。
本發明為解決上述技術問題所采用的技術方案是
一種壓電式超聲換能器驅動電源，其特征在于，包括主控制器、采樣電路、調整電 路和驅動電路；所述的采樣電路和調整電路從壓電式超聲換能器獲取信號，所述的采樣
電路和調整電路的輸出端接所述的主控制器；所述的主控制器接收外部控制發來的信 號，所述的主控制器通過驅動電路連接壓電式超聲換能器；
所述的主控制器包括鑒相單元、控制單元、直接數字式頻率合成器、調幅限幅單 元；所述的鑒相單元接所述采樣電路的輸出信號；所述的鑒相單元、控制單元、直接數 字式頻率合成器和調幅限幅單元依次串聯后輸出信號給所述的驅動電路。
所述的主控制器還包括開機鎖定并延時單元，該開機鎖定并延時單元接收來自外部 控制的控制信號和主控制器內部的時鐘信號，并輸出控制信號到所述控制單元和直接數 字式頻率合成器的控制端。
所述的驅動電路包括D/A轉換器、低通濾波器和功放電路；所述的D/A轉換器、低 通濾波器和功放電路依次串接。
所述的主控制器采用FPGA實現。
所述的控制器為采用PD和PID混合控制算法的控制器。
所述的PD和PID混合控制算法為當電流和電壓的相位差大于30個計數脈沖時采 用PD控制；當電流和電壓的相位差小于30個脈沖時采用PID控制。
當壓電式超聲換能器工作在諧振狀態時，電壓和電流的相位差為零，圖1為壓電 式超聲換能器的相頻關系曲線，曲線在X軸上有兩個過零點，第一個過零點即為諧振點， 此時電壓和電流的相位差為零；第二個過零點為反諧振點。本發明主要依據這種特征實 現頻率跟蹤。采用FPGA控制的目的就是使電壓和電流的相位差保持為零，換能器工作 在諧振點處，同時在特殊工作條件下實現恒功率驅動和恒電流驅動，以及通過FPGA內 部的ROM存儲器存儲一系列的二進制數，通過査表的方式從存儲器中取出二進制數，再 和經過調整后的電壓信號一起輸入乘法器，調整電壓信號的幅值從而實現輸出功率隨時 間任意連續變化；通過同樣的方式輸出經過削峰的波形，削峰的幅度也可實現隨時間任 意連續變化。基于FPGA的智能壓電式超聲驅動電源可以應用于不同頻率和不同工作條 件下的超聲波換能器上，使超聲波換能器保持在良好的狀態下工作，可廣泛應用于各種 熱超聲鍵合設備中。
本發明的有益效果有
超聲波換能器在焊接過程中，由于焊盤表面質量不同，因此諧振頻率也隨之改變， 在FPGA中使用的混合頻率控制算法既保證了頻率跟蹤的速度，又保證了頻率跟蹤的準
確性，可以實時跟蹤到換能器在各種擾動情況下的諧振頻率變化，而且速度快(啟動到 穩定跟蹤小于lms)，精度高(誤差小于lHz)，跟蹤范圍寬(大于10KHz)，穩定性好； 同時，本發明可用于各種頻率小于200KHz的換能器，因此適應性好。
本發明使用的FPGA有很高的時鐘頻率，可保證高速鑒相和高效頻率反饋。 與基于DSP和其他控制器的超聲電源相比，本發明具有鎖相速度快(小于lms)、 精度高(誤差小于lHz)、輸出功率可編程調節等優點。
綜上所述，本發明巧妙地用各種模塊構成一個帶有反饋的自動控制系統，可以有 效的跟蹤諧振頻率的變化，輸出精確的控制量給功放電路驅動換能器，也就是說，本發 明充分綜合了 FPGA技術和自動控制技術，從而實現了超聲波換能器的高性能。
圖1為壓電式超聲換能器相頻關系曲線；
圖2為本發明總體結構框圖3為本發明FPGA模塊的內部結構框圖4為本發明的調整電路的結構框圖5通過多普勒測振儀得到的實測曲線(a)針對現有的壓電換能器驅動電源的振 幅隨時間的變化圖；(b)針對本發明的壓電換能器驅動電源的振幅隨時間的變化圖6為根據實測數據的仿真結果圖。
具體實施例方式
以下將結合附圖和具體實施例作進一步詳細說明。
實施例h
如圖2 4所示，壓電式超聲換能器驅動電源由采樣電路l、調整電路2、外部控 制器電路3、基于FPGA的處理器電路4、 D/A轉換電路5、低通濾波器6、功率放大電路 7等組成。
外部控制器電路(例如單片機)向FPGA發出脈沖控制信號，FPGA接收到脈沖信號 后開始工作；
如圖3所示，FPGA集成有鑒相、鎖相、DDS功能和PID頻率跟蹤算法(實現該算 法的單元為圖3中的控制單元)，DDS即直接數字式頻率合成器，首先裝載并寄存輸入的 頻率控制字；通過內部相位累加器將頻率控制字在每個時鐘周期內進行相位累加，得到
一個相位值；最后對該相位值計算數字化正弦波幅度。對輸入的相差信號、驅動電壓/ 電流/功率/阻抗信號，并跟蹤換能器固有頻率的變化，輸出與之一致的簡諧振蕩信號驅 動換能器。整個過程的啟停由外部控制器控制.
從DDS模塊直接輸出的驅動電壓信號可以驅動超聲換能器，在特殊要求情況下驅 動電壓信號的幅值需要調整，因此從DDS輸出的電壓信號要先經過調幅限幅模塊再輸 出到超聲換能器。
D/A轉換電路(高速D/A轉換電路)，將FPGA輸出的數字信號轉換為模擬信號； 低通濾波器，對其D/A轉換電路輸出的模擬信號進行濾波平滑；
功率放大電路，對經濾波后的模擬信號進行功率放大，并輸出到壓電式超聲換能 器，驅動壓電式超聲換能器工作；
混合頻率控制算法，在FPGA中根據輸入的調整電路信號通過混合頻率控制算法確 定輸出信號的頻率，使輸出的驅動電壓信號頻率和壓電式超聲換能器的諧振頻率一致。
基于FPGA的智能超聲電源應用方法，其特征在于由調整電路實時檢測超聲波換 能器的電壓和電流信號，轉換為方波信號，并將其輸入到FPGA中，目的是鑒相；同時 采樣電路采集到的電壓和電流信號直接輸入到FPGA中，目的是實現恒功率驅動。FPGA 是一種高速的處理器芯片，內部通過軟件控制各種邏輯單元形成所需要的各種功能模 塊，上電時各種模塊并行工作。可以通過改變FPGA內部的邏輯電路實現驅動功率隨時 間任意連續變化，輸出削峰波形，削峰幅度隨時間可任意連續變化。FPGA中由硬件實現 的混合頻率控制算法對驅動壓電式超聲換能器的電壓信號頻率和幅值進行實時修正和 補償，輸出與壓電式超聲換能器固有頻率一致的數字離散簡諧波形信號給D/A轉換器， 經低通濾波器、功率放大器后驅動壓電式超聲換能器，可大幅度提高壓電式超聲換能器 的工作性能。
本發明的工作流程為
上電后，首先調整電路2對壓電式超聲換能器8的驅動電壓和電流進行一次檢測， 把檢測到的電壓和電流信號通過比較器轉換為方波信號，輸入到FPGA4中，FPGA4據此 自動檢測壓電式超聲換能器8的固有頻率。(相差和頻率的關系可從圖1的相頻曲線上 看出)即在開機時，FPGA4工作一次，使輸出的驅動電壓信號頻率落在壓電式超聲換能 器8的諧振頻率附近，減少工作時的跟蹤時間。
然后進入待工作狀態，等待外部控制器(例如單片機)3發送脈沖信號，觸發FPGA4 工作。外部控制器3沒有發出脈沖控制信號時，整個電路都處于待工作狀態。FPGA4未 接收到外部控制器3的觸發信號時，沒有輸出。外部的D/A轉換電路5也不工作，壓電 式超聲換能器8處在待工作狀態。
當外部控制器3發出脈沖信號時，采樣電路1立即將采集的電壓和電流信號輸入 到FPGA4中；同時調整電路2立即將方波信號輸入到FPGA4中。
采樣電路采集到的電壓和電流信號經過數字化后輸入到FPGA中，用以實現特殊情 況下恒功率或者恒電流驅動要求；調整電路將電壓和電流信號調整為方波信號，輸入到 FPGA中的為調整后的方波信號，用以實現鑒相。在FPGA4中通過PID混合頻率控制算跟 蹤輸出驅動壓電式超聲換能器8的電壓頻率，然后由DDS對其進行調整后輸出直到輸出 電壓的頻率和壓電式超聲換能器8的諧振頻率一致為止。PID混合頻率控制算法是由增 量式PID控制和積分分離式PID控制結合使用的控制算法。開機時刻或者有較大的外界 干擾時，驅動電壓的頻率可能會偏離壓電換能器振動系統的諧振頻率較遠，為了使激勵 電壓的頻率盡快的接近諧振頻率，故在增量式PID控制的基礎上采用積分分離式PID控 制算法，加快跟蹤速度。具體做法是當相位差大于30個計數脈沖時采用PD控制，使 系統有較快的響應；相位差小于30個脈沖時采用PID控制，可保證系統的精度。
從FPGA4中輸出的數字信號到達D/A轉換電路5，轉換為模擬電信號，再通過低通 濾波器電路6濾波，功率放大電路7放大，輸出并驅動壓電式超聲換能器8工作。
在焊接過程中不斷循環上述控制過程，在外部控制器發出脈沖信號后lms內可以 鎖定超聲波換能器的諧振頻率，使驅動信號的頻率與的壓電式超聲換能器諧振頻率一 致，保持超聲波換能器在焊接過程中始終工作在諧振狀態，直到焊接結束，再次進入待 工作狀態。
圖5a是通過多普勒測振儀測得的現有壓電換能器驅動電源的振幅隨時間的變化 圖，圖5b是多普勒測振儀測得的本發明的振幅隨時間變化圖。從圖5中可以看出，本 發明基于FPGA的智能壓電式超聲換能器驅動電源驅動的壓電換能器振幅響應明顯較快， 能有效提高焊接效果。并將多普勒測振儀多次采集到的數據用MATLAB仿真，得到的結 果如圖6所示。曲線l組為本發明的仿真結果，曲線2組是現有壓電換能器驅動電源的 仿真結果。曲線1組的位移響應速度快(小于lms)，穩定后能到達的最大位移值較現有 驅動電源的最大值大，而且多次測量的結果曲線比較接近，即離散程度小，說明本發明 的驅動電源穩定性好。
權利要求
1.一種壓電式超聲換能器驅動電源，其特征在于，包括主控制器、采樣電路、調整電路和驅動電路；所述的采樣電路和調整電路從壓電式超聲換能器獲取信號，所述的采樣電路和調整電路的輸出端接所述的主控制器；所述的主控制器接收外部控制發來的信號，所述的主控制器通過驅動電路連接壓電式超聲換能器；所述的主控制器包括鑒相單元、控制單元、直接數字式頻率合成器、調幅限幅單元；所述的鑒相單元接所述采樣電路的輸出信號；所述的鑒相單元、控制單元、直接數字式頻率合成器和調幅限幅單元依次串聯后輸出信號給所述的驅動電路。
2. 根據權利要求1所述的壓電式超聲換能器驅動電源，其特征在于，所述的主控制 器還包括開機鎖定并延時單元，該開機鎖定并延時單元接收來自外部控制的控制信號和主 控制器內部的時鐘信號，并輸出控制信號到所述控制單元和直接數字式頻率合成器的控制 端。
3. 根據權利要求1所述的壓電式超聲換能器驅動電源，其特征在于，所述的驅動電 路包括D/A轉換器、低通濾波器和功放電路；所述的D/A轉換器、低通濾波器和功放電路 依次串接。
4. 根據權要求1~3任一項所述的壓電式超聲換能器驅動電源，其特征在于，所述的 主控制器采用FPGA實現。
5. 根據權利要求4所述的壓電式超聲換能器驅動電源，其特征在于，所述的控制器 為采用PD和PID混合控制算法的控制器。
6. 根據權利要求5所述的壓電式超聲換能器驅動電源，其特征在于，所述的PD和PID 混合控制算法為當電流和電壓的相位差大于30個計數脈沖時釆用PD控制；當電流和電 壓的相位差小于30個脈沖時采用PID控制。
全文摘要
本發明公開了一種壓電式超聲換能器驅動電源，包括主控制器、采樣電路、調整電路和驅動電路；所述的采樣電路和調整電路從壓電式超聲換能器獲取信號，其輸出端接所述的主控制器；所述的主控制器接收外部控制發來的信號，并通過驅動電路連接壓電式超聲換能器；所述的主控制器包括鑒相單元、控制單元、直接數字式頻率合成器、調幅限幅單元；所述的鑒相單元接所述采樣電路的輸出信號；所述的鑒相單元、控制單元、直接數字式率頻合成器和調幅限幅單元依次串聯后輸出信號給所述的驅動電路。與基于DSP和其他控制器的超聲電源相比，本發明具有鎖相速度快、精度高、輸出功率可編程調節等優點。
文檔編號B23K20/10GK101372066SQ20081014332
公開日2009年2月25日 申請日期2008年10月15日 優先權日2008年10月15日
發明者喬家平, 王福亮, 鄒長輝 申請人:中南大學