左現(xiàn)剛 王應(yīng)軍

摘 要：針對超聲波篩分系統(tǒng)換能器在頻率漂移情況下的驅(qū)動問題，提出一種變頻和驅(qū)動回路參數(shù)自適應(yīng)方法。介紹了一種基于變頻自適應(yīng)超聲波振動篩電源的設(shè)計(jì)，利用STM32作為整個(gè)電源系統(tǒng)模型的“大腦”，通過整合和調(diào)配超聲波換能器模塊，采用頻率掃描和振幅檢測綜合的方法跟蹤換能器有效諧振頻率;依據(jù)串聯(lián)匹配最佳原理，系統(tǒng)能對驅(qū)動回路參數(shù)和功率自動調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)超聲波換能器在發(fā)生頻率漂移時(shí)的驅(qū)動最佳。超聲波電源采用了可變頻自適應(yīng)技術(shù)，在超聲波負(fù)載變化時(shí)，采用了驅(qū)動回路參數(shù)自適應(yīng)、功率自動調(diào)整的方法，從而實(shí)現(xiàn)超聲波振動篩電源的變頻自適應(yīng)。

關(guān)鍵詞：振動篩;超聲波;變頻自適應(yīng);電源效率

中圖分類號：TD452 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）09-0089-03

0引言

當(dāng)振動篩的網(wǎng)架上附加一定功率的超聲波振動時(shí)，絲網(wǎng)上的微粉物料就會得到一個(gè)較高頻率力的作用，物料始終保持懸浮狀態(tài)，從而能使絲網(wǎng)與物料之間的粘附、摩擦、平降、楔入等堵網(wǎng)因素得到較大改善。超聲波振動篩很好地解決了強(qiáng)吸附性、易團(tuán)聚、高靜電、高精細(xì)、高密度、輕比重等篩分難問題，特別在超細(xì)物料生產(chǎn)中有較高的篩分效率。因此，超聲波振動篩在食品、化工、金屬、冶金、煤炭、礦山、建材、電力、耐火材料、陶瓷、油脂、制藥、鋰電池、涂料等行業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用十分廣泛[1-2]。

我國在20世紀(jì)90年代開始引進(jìn)和仿制超聲波振動設(shè)備，如前蘇聯(lián)的ГУП系列、波蘭的WK-15系列。雖然超聲波振動篩產(chǎn)業(yè)在我國起步較晚，規(guī)模較小，但發(fā)展迅速。目前，隨著鋰電池、鈦白粉涂料等產(chǎn)業(yè)的興起，超聲波振動篩也被振動篩商家作為重要產(chǎn)品，是國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的物料篩分機(jī)械。

超聲波振動篩常見的類型有旋振篩、氣流篩、直線篩等，除機(jī)械結(jié)構(gòu)外，其核心技術(shù)主要表現(xiàn)在超聲波驅(qū)動電源和換能器方面。隨著我國化工行業(yè)的快速發(fā)展，各大行業(yè)對超聲波振動篩的質(zhì)量和品質(zhì)要求越來越高。由于我國超聲波設(shè)備自主創(chuàng)新研發(fā)技術(shù)比較落后，超聲波電源、換能器質(zhì)量與國外同類技術(shù)相比仍然有較大差距[3]。

1 篩分超聲波電源系統(tǒng)存在的技術(shù)問題分析

1.1超聲波換能器驅(qū)動問題

除了低頻振動機(jī)構(gòu)外，超聲波振動篩重要的核心部件是超聲波振動系統(tǒng)，包括超聲波電源和換能器。超聲波換能器的振動通過連桿、網(wǎng)架內(nèi)環(huán)和外環(huán)支架傳遞給振動篩的絲網(wǎng)，因此網(wǎng)架與換能器可組成一個(gè)振動系統(tǒng)[4]。

超聲波換能器在強(qiáng)電場條件下，其諧振點(diǎn)附近有四個(gè)頻率，較低的是振子橫向諧振頻率f0，其次是振子與不銹鋼粘合形成振動方向上的諧振頻率f1，第三是換能器固有頻率f2，最高是換能器晶片徑向振向頻率f3。應(yīng)用實(shí)踐表明，超聲波電源驅(qū)動的電壓頻率一般設(shè)定在f1或f2附近，此時(shí)換能器輸出的有用功率最大，超聲波篩分效率也最高。

由于換能器與電感組成的串聯(lián)回路能夠有效地濾除開關(guān)型電源輸出的高次諧波，因此，串聯(lián)匹配饋電方式被振動篩的超聲波系統(tǒng)廣泛采用。換能器串聯(lián)匹配電路如圖1（a）所示，其中電感L0與換能器的等效電容C成諧振回路，R為換能器的負(fù)載。由于L0在超聲波電源設(shè)計(jì)時(shí)一般為固定值，因此實(shí)際振動系統(tǒng)存在兩個(gè)諧振頻率，即由L0和C0組成的諧振頻率F0，另一個(gè)為換能器串聯(lián)支路諧振頻率，即有效諧振頻率f1或f2。當(dāng)F0和f1或f2一致時(shí)，換能器發(fā)生諧振，此時(shí)超聲波振動效率最高，篩分效果最佳。

換能器串聯(lián)支路等效電路如圖1（b）所示，由換能器的動態(tài)電感L1、動態(tài)電容C1和動態(tài)電阻R1組成，R1取決于機(jī)械內(nèi)耗力阻和外部機(jī)械阻力。由于換能器的諧振頻率受材料、振動篩機(jī)械系統(tǒng)、工作溫度以及超聲波電源穩(wěn)定性等因素影響較大，特別是換能器的機(jī)械內(nèi)耗力阻發(fā)生變化（因絲網(wǎng)使用壽命限制，生產(chǎn)中需要經(jīng)常更換網(wǎng)架），在應(yīng)用中換能器的諧振頻率經(jīng)常出現(xiàn)漂移現(xiàn)象。此時(shí)，f1或f2發(fā)生變化，f1或f2與F0發(fā)生偏離，串聯(lián)電路不能良好匹配，此時(shí)負(fù)載功率明顯下降。

當(dāng)換能器發(fā)生頻率漂移時(shí)，普遍會采用改變電源驅(qū)動電壓頻率的方式加以修正。實(shí)際應(yīng)用中，如果換能器橫向振動頻率或徑向振動頻率與電源輸出頻率重合時(shí)，將會導(dǎo)致?lián)Q能器發(fā)熱、超聲波振幅過低或停振，有時(shí)會導(dǎo)致?lián)Q能器損壞，嚴(yán)重影響振動篩的篩分生產(chǎn)效率。

1.2現(xiàn)有技術(shù)及其缺陷

1.2.1頻率掃描驅(qū)動法

為了使換能器在頻率漂移時(shí)仍然能夠有較大的振幅輸出，目前國內(nèi)超聲波振動篩廣泛采用兩種技術(shù)，一種是超聲波電源頻率掃描輸出技術(shù)，另一種是頻率跟蹤技術(shù)。其中頻率掃描技術(shù)主要應(yīng)用在換能器它激式驅(qū)動系統(tǒng)中，超聲波信號通過系統(tǒng)產(chǎn)生，以一個(gè)頻率為中心點(diǎn)在一定波段范圍內(nèi)掃描，由于換能器的諧振頻率始終都在系統(tǒng)的掃頻范圍內(nèi)，從而可以使換能器在發(fā)生頻率漂移時(shí)仍有振動輸出。如國內(nèi)MC-400型超聲波電源或國外引進(jìn)的大部分超聲波電源。此種技術(shù)電源調(diào)試簡單，缺點(diǎn)是換能器有用功率只占超聲波電源輸出功率的一部分（最大不超過25%），換能器效率較低[5]。

1.2.2 頻率自動跟蹤法

頻率跟蹤技術(shù)主要應(yīng)用在換能器自激式驅(qū)動電路中，其原理是通過反饋電路獲取超聲波換能器的固有頻率f2，然后通過信號處理電路、功率輸出電路產(chǎn)生換能器的驅(qū)動電壓信號。當(dāng)換能器頻率漂移時(shí)，驅(qū)動功率信號始終跟隨換能器頻率變化，從而使換能器始終工作在固有頻率上。頻率跟蹤方法很好的解決了換能器工作效率低的問題，是目前超聲波電源的發(fā)展趨勢。由于換能器驅(qū)動回路多采用電感串聯(lián)匹配方式，驅(qū)動頻率變化容易導(dǎo)致?lián)Q能器驅(qū)動回路失諧，換能器發(fā)生頻率漂移時(shí)，雖然振幅下降不明顯但發(fā)熱嚴(yán)重，電源輸出功率較大時(shí)經(jīng)常會出現(xiàn)換能器損壞現(xiàn)象。

1.2.3 間歇驅(qū)動法

超聲波振動篩目前還采用一種換能器間歇式驅(qū)動技術(shù)，即利用系統(tǒng)開啟和關(guān)斷使網(wǎng)架產(chǎn)生一個(gè)高頻和低頻振幅，間歇式驅(qū)動技術(shù)雖然簡單，但在應(yīng)用中因篩分效果不佳，只作為一種附加功能被超聲波電源系統(tǒng)采用。

以上問題是目前超聲波振動篩普遍存在的技術(shù)問題，也是困擾超聲波振動篩生產(chǎn)與開發(fā)行業(yè)一個(gè)重要技術(shù)難點(diǎn)。首先，換能器頻率漂移時(shí)，如果不改變超聲波電源系統(tǒng)的驅(qū)動頻率，防護(hù)措施又不到位，超聲波換能器很容易發(fā)熱而損壞;其次，換能器發(fā)生頻率漂移會導(dǎo)致電源驅(qū)動回路失諧，超聲波電源負(fù)載加重，自身很容易因防護(hù)措施不到位而損壞。另外，產(chǎn)生的低頻駐波加重絲網(wǎng)與物料之間的摩擦力，會導(dǎo)致絲網(wǎng)壽命大大降低，也在一定程度上影響物料的篩分質(zhì)量。

2 技術(shù)路線和實(shí)施方案

當(dāng)換能器加上一個(gè)低功率的頻率掃描信號，不管換能器諧振頻率如何變化，當(dāng)電源輸出掃描頻率與換能器的有效頻率重合時(shí)，換能器此時(shí)諧振幅度最大。因此系統(tǒng)可以采用頻率和幅度綜合檢測手段，并通過調(diào)整電抗元件和開關(guān)電源功率的方法是電源對負(fù)載自適應(yīng)調(diào)整，從而在換能器頻率漂移時(shí)保證換能器功率輸出穩(wěn)定。系統(tǒng)組成見圖2所示，其中包括單片機(jī)系統(tǒng)，功率調(diào)整、驅(qū)動回路參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整和換能器諧振頻率檢測部分[6]。

2.1換能器諧振頻率檢測

換能器諧振頻率檢測采用低功率掃描技術(shù)，原理見圖3所示。篩分超聲波振子一般選用諧振頻率在20kHz～38kHz之間的壓電陶瓷換能器，由于換能器存在4個(gè)諧振頻點(diǎn)，因此需要利用幅度檢測測量換能器的有效諧振頻率。換能器諧振頻率檢測采用圖4（a）步驟，通過頻率—幅度波形分析，系統(tǒng)得出換能器振幅最大的頻點(diǎn)，見圖4（b）所示[7]。

2.2串聯(lián)匹配參數(shù)自適應(yīng)

換能器和匹配網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)耦合系統(tǒng)，因此利用耦合振蕩的基本原理分析匹配電感和耦合諧振頻率的關(guān)系。當(dāng)換能器的工作頻率發(fā)生改變時(shí)，在傳統(tǒng)逆變器頻率跟蹤的基礎(chǔ)上，同時(shí)動態(tài)地改變匹配電感，使系統(tǒng)獲得更高的效率。

超聲波振動篩的換能器可以看成一個(gè)二端網(wǎng)絡(luò)（見圖1（a）），通過L0進(jìn)行功率耦合匹配，則換能器等效阻抗為：

由于換能器本身容易受溫度、振動篩網(wǎng)架等因素影響，C0、RL容易發(fā)生變化。由式（3）可知，參數(shù)L0不是一個(gè)定值。如果換能器要獲得最大功率，可設(shè)計(jì)一個(gè)可控電抗L0，通過改變電抗器激磁繞組的直流激磁電流，去改變磁芯單位截面的磁通量，達(dá)到調(diào)節(jié)電抗元件參數(shù)的目的。因此項(xiàng)目采用串聯(lián)匹配參數(shù)自適應(yīng)的方法，其原理見圖5所示。在諧振頻率檢測完成的基礎(chǔ)上，采用電流掃描對數(shù)控電流源進(jìn)行控制。在系統(tǒng)進(jìn)行電流掃描過程中，最佳匹配點(diǎn)可以通過對換能器兩端獲得的電壓幅度最大值進(jìn)行系統(tǒng)分析，以確定的L0大小，達(dá)到參數(shù)自適應(yīng)目的。

2.3功率自動調(diào)整

換能器的驅(qū)動功率必須跟隨驅(qū)動回路參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整而改變，才能保證換能器功率輸出穩(wěn)定。功率自動調(diào)整原理見圖6，超聲波換能器的端電壓在功率設(shè)定后是一個(gè)定值，如果驅(qū)動回路參數(shù)變化一定引起換能器的端電壓變化，可通過單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測、比較，控制開關(guān)管的導(dǎo)通角（小于180°），從而使換能器端電壓保持不變，達(dá)到功率自調(diào)整目的。電路中采用了微分和整形電路，反相器在輸入電壓1/2VCC處發(fā)生反轉(zhuǎn)[8]。

3 結(jié)語

本文應(yīng)用變頻自適應(yīng)技術(shù)應(yīng)用于超聲波振動篩，控制振動篩電源，實(shí)現(xiàn)了對振動篩電源的節(jié)能控制的自動調(diào)節(jié)，減少了能量消耗，提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)延長了設(shè)備的使用年限。具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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