谐振开关全桥变换器实现功率超声系统本征频率连续自适应调节

《Sensors and Actuators A: Physical》：Continuous eigenfrequency adaptation of power ultrasonic systems utilizing resonant-switching full-bridge converters

本文针对多换能器功率超声系统中，由于制造公差和材料特性不确定性导致的本征频率微小差异所引发的能量交换不均、扰动模态激发和声场不稳定等问题，提出了一种基于谐振开关全桥变换器、无需额外调谐元件或复杂分流网络的紧凑型硬件高效解决方案。该方法将电气边界条件的改变直接集成到换能器驱动过程中，通过在每个振动周期内引入受控的开路间隔，实现了有效本征频率从串联谐振fs到并联谐振fp的连续调节，实验测得最大频移达424.77 Hz，占fp- fs间距的84.7%，能量转换效率超过82%，为多换能器系统在共有本征频率下运行提供了低复杂度的有效策略。

　　

在工业制造和声化学等领域，功率超声系统正朝着采用多个换能器协同工作的方向发展。无论是为了获得更高的功率输出，还是为了生成定制的声学场，系统性能都高度依赖于各个换能器机械本征频率的一致性。然而，即使是微小的制造公差和材料特性不确定性，也会导致换能器之间关键参数（如串联谐振频率f_s、并联谐振频率f_p、品质因数和机电转换能力）发生偏移。在多换能器系统中，这些差异会引发不期望的能量交换、换能器间功率贡献不均以及激发系统的扰动振动模式，从而显著损害整体性能。此外，在超声分散、雾化和超声悬浮等需要生成定制声场的应用中，本征频率的微小差异会激发不利的低频结构模态，或导致声场中出现拍频现象，而原本期望的是稳定的驻波。为了获得所需的大振幅振动，系统必须在相移为零的本征频率下运行，以避免无功功率。尽管在超声组件制造方面拥有数十年的工业经验，但要提供具有近乎相同本征频率的换能器，仍然需要包括几何修改和后续严格筛选在内的密集调谐过程。因此，发展一种能够在制造后主动、连续地适配系统本征频率的方法，对于提升多换能器超声系统的性能和可靠性具有重要意义。这项研究旨在解决上述挑战，相关成果发表在《Sensors and Actuators A: Physical》期刊上。

为了验证所提出的频率自适应概念，研究人员采用了两种互补的建模方法和一套完整的实验系统。关键技术方法包括：1) 谐振开关策略建模：针对用于驱动压电超声换能器的全桥D类开关放大器，建立了两种仿真模型。一种是基于开关行为的谐波线性化模型，用于快速估算可实现的频率适配范围；另一种是基于切换状态分段线性表示的模型，用于更精确地描述系统动态。2) 实验验证平台：搭建了由快速控制原型系统、碳化硅半桥功率模块、PC和实验室电源组成的实验平台。实验对象是一个3λ/2振动系统，由一个λ/2传感器和一个λ/2驱动换能器通过λ/2变幅杆连接而成。3) 信号处理与控制算法：在可编程门阵列上实现了相敏解调算法，用于检测电流和电压之间的相位差，并在微控制器上实现了锁相环，以确保系统在其有效本征频率下运行。研究人员通过阻抗分析仪测量了振动系统的电气频率响应，并基于此识别了等效电路参数。

2. 动态系统行为建模：本章节首先介绍了谐振开关策略的原理，并详细阐述了两个仿真模型。2.1. 谐振开关策略：与传统脉宽调制不同，本文采用的开关放大器中的MOSFET在系统共振频率下进行切换。每个周期内，放大器经历四个状态，其中两个为非驱动状态。施加到换能器的电压基波幅值由非驱动状态的持续时间决定。2.2. 基于开关行为谐波线性化的模型：该模型将高度非线性的开关行为进行谐波线性化，推导出有效本征角频率平方与开路状态持续时间δ的函数关系。结果表明，随着开路状态持续时间的增加，有效本征频率从f_s向f_p移动，且这种转变具有很强的非线性。该模型计算效率高，可用于快速评估最大适配范围。2.3. 基于切换状态分段表示的模型：该模型将每个开关状态视为线性系统，并用线性状态空间表示。通过时间步进积分获得每个状态的时域响应，并采用打靶法计算频响特性以确定本征频率。该模型能更精确地捕捉开关行为和系统瞬态动力学，但计算量更大。

3. 实验装置：详细描述了实验装置，包括快速控制原型系统、功率模块、测量探头、PC和电源。实验使用的3λ/2振动系统的关键等效电路参数通过阻抗分析仪测量获得。控制部分在FPGA上实现了相敏解调算法，在微控制器上实现了锁相环控制。

4. 结果与讨论：4.1. 建模结果与实验验证：将两种模型的预测结果与实验结果进行对比。基于谐波线性化的模型预测的最大频率适配范围与实验测得趋势一致。基于切换状态分段表示的模型在预测电压和电流波形方面表现出更高精度，与测量结果吻合良好。实验测得的最大本征频率偏移为424.77 Hz，相当于f_p- f_s= 504.95 Hz间距的84.7%。4.2. 能量转换效率：评估了所提方法的功率容量。测量了不同开路状态持续时间下的能量转换效率。当总驱动间隔超过每个振动周期约40%时，转换器能保持高于82%的能量转换效率。4.3. 省略额外传感器硬件的可行性：探讨了在适配过程中省略额外传感器的可能性。分析表明，当总驱动间隔足够长时，系统可以在不添加额外传感器硬件的情况下运行，这进一步降低了系统复杂性。

本研究成功提出并验证了一种用于功率超声系统本征频率连续自适应的新方法。该方法的核心创新在于，通过修改用于驱动压电换能器的全桥变换器的开关策略，将电气边界条件的交替直接集成到驱动过程中。具体而言，在常规谐振开关波形中引入受控的开路状态，从而实现了系统有效本征频率从低于串联谐振f_s向并联谐振f_p的连续、精细调节。研究团队建立了谐波线性化模型和分段线性模型，分别用于快速评估和精确仿真，并通过实验进行了充分验证。实验结果表明，该方法能实现高达424.77 Hz的最大本征频率偏移，且当总驱动间隔占比超过约40%时，系统能在保持82%以上能量转换效率的同时，无需额外的传感器硬件即可运行。

这项研究的意义在于，它为解决多换能器功率超声系统中的频率失配问题提供了一个极其紧凑和硬件高效的解决方案。与以往需要额外调谐元件、无源组件或复杂电路的方法相比，该方法避免了对辅助硬件的需求，在不增加全桥变换器本身固有复杂性的前提下，显著降低了整体系统的复杂度和成本。这使得在超声增材制造、超声金属焊接、声化学以及需要定制声场的应用中，实现高性能、低成本的多换能器协同运行成为可能。该方法为未来开发更稳健、灵活且易于集成的功率超声系统奠定了重要的理论基础，并提供了切实可行的技术路径。