超声换能系统的动态匹配研究

发布时间：2017-04-01 08:06

  本文关键词：超声换能系统的动态匹配研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：超声技术被广泛应用在工业生产中,如电子封装行业、超声加工行业等。一般大功率的超声设备必须具有匹配电路,但目前的匹配电路大多数采用静态匹配电路,而且是在系统没有加任何负载的情况下进行的研究。实际上,换能器在加工过程中,温度变化、负载变化和工具磨损等都会影响换能器参数改变,必然会导致静态匹配失调,这就会造成无功功率产生、振动幅度减小等问题。显然,静态匹配不适于大功率设备长期作业。因此,本文着手对超声系统进行动态调谐匹配研究。根据换能器的机电等效模型分析其电阻抗特性,对采用串联电感来抵消换能器容性特性的匹配电路进行研究。根据电路知识,推导出换能器等效参数与匹配参数的函数关系。用MATLAB分析得出换能器动态电阻参数变化对匹配参数值影响较大。利用MATLAB/Simulink平台,搭建仿真模型,分析换能器参数变化和匹配参数变化对相位差的影响,理论分析动态匹配电路的可行性。采用能够实现自动控制的数字式可调电感的动态匹配方案。基于STM32平台搭建动态匹配电路,根据动态匹配参数与换能器参数变化规律选择数字式电感的具体值。采用在线检测换能器阻抗,计算精度较高的过零比较法测量控制信号相位差,由ARM进行信息处理,控制继电器切换相应的匹配电感,实现对超声系统的实时动态匹配。采用模糊自适应PID控制器对动态匹配下的超声系统频率跟踪进行控制,提高系统动态匹配的准确性。基于MATLAB模糊工具箱和Simulink仿真平台,搭建基于动态匹配频率跟踪控制算法的Simulink仿真模型,仿真分析当系统切换不同电感时系统的频率跟踪速度可达到0.2 ms,提高了系统的频率跟踪速度,保证系统动态匹配效果。在完成硬件平台搭建和控制器仿真分析的基础上,对超声系统切换不同电感进行了试验,分别在空载和加负载情况下进行分析。实验证明,动态匹配电路能够满足系统参数变化时相位差仍保持在0 o,满足超声换能系统动态匹配目的,提高了大功率超声设备的工作效率。
【关键词】：换能系统 动态匹配 频率跟踪 模糊自适应PID控制器
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB552
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 绪论9-16
• 1.1 课题的背景及研究意义9-11
• 1.2 国内外的研究现状及分析11-14
• 1.2.1 静态匹配状况11-12
• 1.2.2 动态匹配状况12-14
• 1.2.3 国内外研究现状总结14
• 1.3 主要研究内容14-16
• 第2章 换能器电端匹配模型研究16-29
• 2.1 引言16
• 2.2 换能器的电阻抗特性16-20
• 2.3 换能器的匹配原理20-21
• 2.4 换能器匹配模型的建立及仿真21-28
• 2.5 本章小结28-29
• 第3章 动态匹配方案的设计29-40
• 3.1 引言29
• 3.2 控制方案29-30
• 3.3 动态匹配模块30-35
• 3.3.1 动态匹配电路30-32
• 3.3.2 阻抗在线检测32-35
• 3.4 DDS信号发生器35-37
• 3.5 软件设计37-39
• 3.5.1 主程序设计37-38
• 3.5.2 阻抗角检测程序设计38-39
• 3.6 本章小结39-40
• 第4章 动态匹配的频率控制40-52
• 4.1 引言40
• 4.2 模糊自适应PID控制原理40-42
• 4.2.1 PID控制40-41
• 4.2.2 模糊自适应PID41-42
• 4.3 模糊自适应PID控制器设计42-47
• 4.3.1 语言变量及隶属函数设计42-45
• 4.3.2 模糊规则的制定45-47
• 4.4 模糊自适应PID控制器的仿真与结果分析47-51
• 4.4.1 仿真模型的搭建47-48
• 4.4.2 仿真结果分析48-51
• 4.5 本章小结51-52
• 第5章 实验52-58
• 5.1 驱动电路实验52-53
• 5.2 动态匹配电路实验53-57
• 5.2.1 静态匹配实验54-55
• 5.2.2 动态匹配实验55-57
• 5.3 本章小结57-58
• 结论58-60
• 参考文献60-63
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果63-65
• 致谢65

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本文编号：280268