摘要
摘要
超声换能器广泛应用于金属焊接、钻削、芯片封装、医疗等领域。目前对
超声换能器驱动控制的研究，主要集中于小功率、大带宽超声换能器的驱动控
制，对于大功率、窄带宽超声换能器的阻抗-频率特性分析与驱动控制不足。本
文对应用于水口冲切的大功率超声换能器在变负载下的阻抗-频率特性进行分
析、建模，设计输出振幅控制算法，并进行仿真与实验验证，主要工作如下：
针对传统LC匹配范围存在限制的缺点，提出新型LC匹配，对传统LC匹
配的范围进行了补充，并推导两种LC匹配的适用范围。提出一种根据输出电
路最大限制电流的LC匹配参数设计方法，并根据输出电路与超声换能器参数
计算LC匹配参数并仿真验证。进行阻抗匹配实验，阻抗匹配后的输出电流达
到2A以上，相比商用发生器提高了96%；输出振幅达到80μm以上，相比商
用发生器提高了54%。
在超声换能器机械振动模型的基础上，引入结合面动力学模型构建了超声
换能器的加载模型，并将加载模型与电学模型进行分析，得到等效参数与加载
压力的关系式、动态支路电流与输出振幅的关系式。进行变负载下超声换能器
加载实验，根据实验数据拟合等效参数与压力、动态支路电流与输出振幅的关
系系数，建立超声换能器加载数学模型。
设计了由频率跟踪与电流控制两种算法组成的振幅控制算法。频率跟踪算
法由快速频率跟踪与动态支路锁相两种算法构成，快速频率跟踪在驱动开始时
快速估算出串联谐振频率，动态支路锁相在驱动过程中持续跟踪串联谐振频率。
设计由专家PI与模糊PI构成的电流控制器，根据超声换能器两端电压、电流
及其相位差计算PI增量来调整移相全桥占空比跟踪目标电流，其中目标电流通
过目标振幅、反馈数据与加载换能器模型计算得到。频率跟踪输出频率为19680
Hz，与串联谐振频率的绝对误差为1Hz；输出振幅为140mV，与目标振幅的
绝对误差10mV、相对误差6.7%。
关键词:超声换能器；阻抗匹配；频率跟踪；模糊PID
-I-
Abstract
Abstract
Ultrasonictransducersarewidelyusedinmetalwelding,metaldrilling,chip
packaging,medicalandotherfields.Theresearchmainlyfocuseslow-power,large-
bandwidthultrasonictransducers,andtheanalysisofimpedance-frequency
characteristicanddrivecontrolofhigh-power,narrow-bandwidthtransducersare
insufficient.Thisdissertationanalyzesandmodelstheimpedance-frequency
characteristicsofhigh-powerultrasonictransducers,designsamplitudecontrol
algorithms,andconductssimulationandexperimentalverification.Themainworkis
asfollows:
AnewtypeofLCmatchingisproposed,whichsupplementstherangeof
traditionalLCmatching,andtheappli