真有效值计算芯片AD637指示灯与按键
DSP
TMS320F2812
DDS
AD9831DAC AD5732R ADC AD7367
JTAG 仿真接口
跨导运算放大器
阻抗匹配网络
相位反馈基本的意思
换能器
相位差反馈电流反馈
TDA2003方向
串
行总线
图1 系统框图
微控制器模块内部的控制算法根据反馈模块的反馈信号和控制目标，通过信号发生和功率放大模块完成相位和电流的闭环控制。同时，微控制器模块还完成执行上位机的命令和向上位机发送状态数据等任务。
信号发生模块使用DDS 代替传统的压控振荡器，具有频率精准、稳定性高、控制简易等优点。以程控运算放大器为核心的信号放大电路将DDS 输出的电流信号转换成电压信号，正弦波的幅值由DSP 通过DAC 控制，为实现电流闭环提供硬件支持。
如图2所示，反馈模块包括相位反馈和电流反馈两部分，该
相位差方向
相位差大小
电流反馈
电压反馈
=1
D Q
CLK
+3.3 V
++--+3.3 V
真有效值计算芯片
真有效值
计算芯片
模数转换芯片
到微控制器模块
图2 反馈模块电路
本课题软件部分包括在PC 机上运行的上位机软件和在DSP 上运行的嵌入式软件两部分。上位机软件完成的主要工作包括：控制是否启用锁相环，根据工艺要求选择不同的控制模式（电压恒定模式、电流恒定模式和功率恒定模式），调试控制参数和实时采集数据并绘制数据曲线。DSP 软件的主要功能包括：初始化外围设备、运行控制算法、接收和执行上位机的命令、反馈内部数据和完成在指定频率范围内的搜索换能器共振频率。
2 阻抗匹配网络
目前普遍采用的阻抗匹配网络方案是变压器与电感配合使用。对于图3所示的变压器等效电路模型有如下等式：
（1）
初级线圈
-+次级线圈Z 2
u 2
u 1
i 2
i 1图3 变压器应用电路示例
根据电路图可以得到
。但是，原边电路的负载是的并联阻抗，所以只是根据原副边匝数比设计阻抗匹配的方式存在很大的误差。另外，在阻抗匹配设计中没有考虑变压器线圈等效电感的做法在很大程度上降低了阻抗匹配网络工作性能。
加入匹配电感后的换能器等效电路如图4所示。流入换能器与驱动电流i 之间的关系为：
初级线圈次级线圈
Z 2
Z 1
u 2
u 1
--++i 2i m 2i m 1L m 2
L m 1
i 2i 1
水浒传杨志i 1
图4 变压器等效电感电路图
在共振状态时，换能器工作的振动幅度为：
橘子的作用
）和式（5）可得：
）可以得出，在共振状态时，换能器的振动幅度与进Z
L 1
L
C 1C 0
R 1
u
i r
其实我想
i
图5 匹配电感工作原理
制算法的软件实现
由于超声换能系统的特性，换能器的固有谐振频率与焊接负载、环境温度和湿度等因素相关。控制算法应该能时刻跟踪换能器固有谐振频率的变化，使得换能器始终工作在谐振状态，以获得最大的电能到机械能的转换效率。如果频率跟踪功能不完善，会导致焊接不良，换能器发热严重，甚至对换能器造成不可逆转因为不同驱动信号频率对应的换能器阻抗值不一样，导致同样的电压下，电流值不同，即电流环和锁相环存在耦合。
超声
平凡的世界路遥发生器超声换能器
激光测振仪
串行总线驱动信号
电流信号
示波器
振速信号
PC机
激光
图7 一个控制周期内的控制算法流程
在本实验中，电感6到电感1的电感值不断增大，如图
换能器振动幅度和驱动电流始终保持正比关系。但是，它们的比例系数随着电感值的增大，比例系数先是不断变大，然后不断变小。因此，应该选择电感值小于电感2并且大于电感3的电感作为匹配电流环控制性能测试实验通过上位机和DSP软件完成电流有效值的采集工作，电流环控制性能如图9所示。可以看到电流环稳定时间小于3 ms，稳态误差为5 mA，无超调。另外，电流有效值曲线中有一个小的阶跃，那是锁相环正在调整，电流环暂时停止控制所造成的。
束语
提出了一种基于DSP和DDS的全数字超声发生器，它不但有DSP带来的可与模拟系统比拟的高速性和控制算法的灵活性，而且有DDS带来的高于模拟系统的频率稳定性。在传统的锁相环基础上增加了电流闭环控制功能和改进的控制算法，提高了系统频率跟随的鲁棒性和振动幅度的稳定性。将变压器等效阻抗考虑在内的阻抗匹配网络也使得系统的电声转换效率有较大的提高。
参考文献
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2015（2）：65-66.
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反馈式频率跟踪[J].哈尔滨工业大学学报，2000，32（3）：115-117.
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2004，2（5）：11-14.
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技术，2008，27（3）：361-364.
换能器振幅与驱动电流在不同匹配电感下的关系
匹配电感1努力地英文
匹配电感2
匹配电感3
匹配电感4
匹配电感5
匹配电感6
换
能交通量调查
器
振
幅
（
μ
m
）
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
20406080100120
驱动电流有效值（mA）
140160180200
图8 最优匹配电感实验
电流有效值（mA）
时间（ms）
0246
225
180
135
90
45
图9 最优匹配电感实验结果
2021.4 今日自动化 ｜ 99
