專利名稱：一種多頻同時驅(qū)動式的超聲發(fā)生器及其實現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多頻同時驅(qū)動式的超聲發(fā)生器及其實現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
超聲發(fā)生器是超聲設(shè)備的關(guān)鍵部件之一，其作用是驅(qū)動超聲換能器產(chǎn)生超聲振動，以實現(xiàn)超聲鍵合、加工等功能。目前，雙頻超聲換能器(雙頻換能器)是超聲設(shè)備的發(fā)展趨勢。比如在超聲鍵合設(shè)備中，開始采用雙頻換能器(一支換能器具有fl和f2兩種頻率)，在使用過程中，對于常規(guī)的通用器件，采用Π頻率進行鍵合；對于特殊的器件，如果用 fl難以實現(xiàn)可靠鍵合，則采用f2頻率進行鍵合。這樣可以在一臺設(shè)備中擁有兩種頻率的鍵合能力，具有更好的適用范圍。采用這樣技術(shù)的專利包括美國5816476專利和48M005專利。多頻換能器(三種及三種以上頻率的換能器)將是未來換能器發(fā)展的趨勢。但是，在目前的雙頻超聲設(shè)備中(包括雙頻超聲鍵合設(shè)備)，超聲發(fā)生器一般只有一路頻率發(fā)生、反饋與跟蹤電路，在同一時刻只能實現(xiàn)一種頻率的跟蹤，因此，不能實現(xiàn)雙頻換能器的同時雙頻驅(qū)動，在任意時刻只能選擇性地驅(qū)動其中一種頻率，在同一時刻只能產(chǎn)生一種頻率的超聲振動。目前沒有能在同一時刻實現(xiàn)雙頻同時驅(qū)動的超聲發(fā)生器。實際上，在同一時刻同時激發(fā)兩種頻率的超聲振動，能提供更高的超聲能量密度(對于超聲鍵合，能有效降低鍵合力和鍵合溫度)，從而提供比上述專利提到的方法更大的適用范圍。因此，有必要研制一種能夠?qū)崿F(xiàn)上述新功能的雙頻或者多頻超聲發(fā)生器。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種多頻同時驅(qū)動式的超聲發(fā)生器及其實現(xiàn)方法，以驅(qū)動雙頻換能器或多頻換能器同時產(chǎn)生兩種或多種頻率的超聲振動進行超聲鍵合、 加工等。由于不同的多頻換能器工作頻率(fl、f2、···)不同，因此，多頻超聲發(fā)生器的多種頻率可單獨控制、調(diào)整，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種多頻同時驅(qū)動式的超聲發(fā)生器，包括控制器、驅(qū)動電路、雙頻換能器以及至少 2套結(jié)構(gòu)相同的超聲發(fā)生電路；驅(qū)動電路包括依次相連的數(shù)字信號合成器、D/A轉(zhuǎn)換器和功率放大器；功率放大器的輸出作為驅(qū)動電路的輸出；功率放大器的輸出端接雙頻換能器；超聲發(fā)生電路包括帶通濾波器、鑒相器、頻率控制器、幅值控制器、數(shù)字信號發(fā)生器以及A/D轉(zhuǎn)換器；帶通濾波器、鑒相器、頻率控制器、幅值控制器、數(shù)字信號發(fā)生器依次連接，帶通濾波器的采樣信號輸入端接驅(qū)動電路的輸出端；數(shù)字信號發(fā)生器的輸出端接數(shù)字信號合成器的輸入端；帶通濾波器器還通過A/D轉(zhuǎn)換器與幅值控制器相接；頻率控制器的參數(shù)輸入端、幅值控制器的參數(shù)輸入端和帶通濾波器的參數(shù)輸入端均與控制器連接。控制器傳輸給頻率控制器的參數(shù)包括中心頻率f，頻率跟蹤范圍fs與fe，頻率跟蹤算法的PID控制參數(shù)。PID參數(shù)需要根據(jù)不同的換能器、不同的加工對象和工作環(huán)境實時
3進行調(diào)定，屬于成熟技術(shù)。控制器傳輸給幅值控制器的參數(shù)一組包含時間、幅值的數(shù)組參數(shù)(存儲在參數(shù)表中)，用于確定在超聲啟動后的每個時段的超聲波幅值；傳輸給帶通濾波器的參數(shù)帶通濾波的開始頻率fss與終止頻率fee ；控制器給多套超聲發(fā)生電路的多個中心頻率f = {fl，f2，f3，···}，中心頻率fi 之間為倍頻關(guān)系、分頻關(guān)系或者是非線性的頻率關(guān)系。所述的控制器包括控制單元、用于與上位機通信的通信端口以及用于輸出參數(shù)給超聲發(fā)生電路的輸出端口。一種多頻同時驅(qū)動式的超聲發(fā)生器的實現(xiàn)方法，采用權(quán)利要求1所述的多頻同時驅(qū)動式的超聲發(fā)生器；控制器輸出多套控制參數(shù)分別給多套超聲發(fā)生電路，多套超聲發(fā)生電路產(chǎn)生數(shù)字信號并傳輸給數(shù)字信號合成器進行數(shù)字信號合成，所述的控制參數(shù)包括(1)頻率控制器的參數(shù)中心頻率f，頻率跟蹤范圍fs與fe以及頻率跟蹤算法的PID控制參數(shù)；根據(jù)給定的中心頻率、頻率跟蹤范圍及頻率跟蹤算法，超聲發(fā)生器對不斷變化的換能器固有頻率進行實時跟蹤、鎖定，使得超聲發(fā)生器輸出與換能器諧振頻率一致的驅(qū)動信號，實現(xiàn)諧振驅(qū)動；通過采樣信號得到的電流和電壓的相位差，就可以知道超聲發(fā)生器輸出的當(dāng)前頻率與換能器的固有頻率之間是否存在差值，然后再采用PID控制器對換能器的當(dāng)前輸出頻率進行調(diào)整，直到超聲發(fā)生器發(fā)出的當(dāng)前頻率與換能器的固有頻率相同，從而實現(xiàn)頻率跟蹤和鎖定換能器的固有頻率(2)給幅值控制器的參數(shù)一組包含時間、幅值的數(shù)組參數(shù)，用于確定在超聲啟動后的每個時段的超聲波幅值；(3)給帶通濾波器的參數(shù)帶通濾波的開始頻率fss與終止頻率fee ；對驅(qū)動電路的輸出信號進行采樣，所得的采樣信號均輸入到多套超聲發(fā)生電路的帶通濾波器中作為反饋信號；帶通濾波器實現(xiàn)信號的特定頻率范圍提取，以實現(xiàn)該頻率范圍內(nèi)更準(zhǔn)確的相位提取和頻率跟蹤。采用一個控制器，同時控制多個超聲發(fā)生電路，分別實現(xiàn)多種頻率驅(qū)動信號的跟蹤和鎖定；通過控制器，接收來自上位機的控制參數(shù)，實現(xiàn)跟蹤頻率數(shù)目、跟蹤頻率范圍、中心頻率的在線調(diào)整和設(shè)置；超聲發(fā)生電路是現(xiàn)有技術(shù)，但是增加了帶通濾波器，以實現(xiàn)多種頻率范圍的分離， 和該頻率范圍內(nèi)的準(zhǔn)確相位提取和頻率跟蹤。而帶通濾波器也是成熟的技術(shù)。驅(qū)動電路與現(xiàn)有的超聲發(fā)生器相同，但是增加了數(shù)字信號合成器，以實現(xiàn)多種頻率的同時或者單獨輸
出ο有益效果本發(fā)明采用的控制器具有雙頻乃至多頻同時驅(qū)動所需的上位機命令解析、雙頻乃至多頻參數(shù)生成與控制功能。為了實現(xiàn)雙頻乃至多頻同時跟蹤而在超聲發(fā)生電路中增加的帶通濾波器；為了實現(xiàn)雙頻乃至多頻同時驅(qū)動而在驅(qū)動電路中增加的數(shù)字信號合成器。采用本發(fā)明的有益效果有1)能夠同時產(chǎn)生兩種頻率的超聲驅(qū)動信號，以同時激發(fā)雙頻換能器的兩種頻率，驅(qū)動雙頻換能器輸出兩種頻率的超聲振動進行超聲鍵合、加工等。由于可以實現(xiàn)雙頻換能器兩種頻率的同時激發(fā)，同時輸出兩種頻率的超聲振動，因此使得鍵合的效率、可靠性、適應(yīng)范圍更寬廣。2)能對不同頻率超聲驅(qū)動信號的幅值分別進行控制、調(diào)整，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。3)雙頻換能器的兩種頻率可以有選擇性地分別激發(fā)，也可以同時激發(fā)。對于不同的雙頻換能器，其諧振工作頻率l，2(fl和不同，此時，分別調(diào)整超聲發(fā)生電路的鎖定頻率為諧振工作頻率1，2，即可驅(qū)動不同的雙頻換能器。即同時對雙頻驅(qū)動信號的不同頻率范圍分別處理，實現(xiàn)不同頻率下的頻率跟蹤與控制，從而實現(xiàn)雙頻換能器的雙頻同時驅(qū)動。4)增加超聲發(fā)生電路的數(shù)量，增加控制器的控制信息輸出，可以擴展實現(xiàn)三種及以上的多頻換能器的驅(qū)動，可以選擇性地在任意時刻激發(fā)任意一種或者幾種諧振頻率，實現(xiàn)多種頻率的超聲振動輸出。5)可用于超聲引線鍵合或者倒裝鍵合，也可以用于其他需要需要用到雙頻或者多頻超聲驅(qū)動的場合，如超聲焊接、超聲鑄造、超聲鑄軋、超聲加工、超聲霧化等。


圖1為本發(fā)明的多頻同時驅(qū)動式的超聲發(fā)生器的結(jié)構(gòu)示意圖(該圖只示出了雙頻超聲信號的產(chǎn)生過程，2路以上超聲信號的情況可以依次擴展)；圖2不同超聲發(fā)生器驅(qū)動下的雙頻換能器的頻率輸出比較，(a)本發(fā)明的雙頻超聲發(fā)生器驅(qū)動下的雙頻換能器輸出示曲線；現(xiàn)有超聲發(fā)生器驅(qū)動下的雙頻換能器輸出曲線。
具體實施例方式以下將結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細(xì)說明一種能夠同時產(chǎn)生、檢測、控制兩路超聲信號的雙頻超聲發(fā)生器，包括用于產(chǎn)生、 檢測和控制第一頻率的第一超聲發(fā)生電路；用于產(chǎn)生、檢測和控制第二頻率的第二超聲發(fā)生電路；用于信號合成、D/A轉(zhuǎn)換和功率放大的驅(qū)動電路；用于與上位機通信和控制超聲發(fā)生電路、驅(qū)動電路的控制器。如圖1所示。所述的控制器包括通信端口(可以是串口、PCI、485、Can總線等接口)、控制單元 (可以是單片機、ARM等具有存儲、運算功能和具有輸入輸出端口的通用計算單元)、輸出端口。其功能是控制單元通過通信端口從上位機接受雙頻換能器頻率范圍、工作方式、狀態(tài)、 頻率控制策略等設(shè)置信息，然后存儲在控制單元中，同時根據(jù)設(shè)置信息，通過輸出端口控制超聲發(fā)生電路，進行相位、頻率、幅值、濾波控制，實現(xiàn)同時產(chǎn)生、檢測和控制兩種超聲頻率信號，并驅(qū)動雙頻換能器的功能。超聲發(fā)生電路包括鑒相器、頻率控制器、幅值控制器、數(shù)字信號發(fā)生器、帶通濾波器。其功能是根據(jù)控制器的設(shè)置，通過帶通濾波器，對雙頻換能器的驅(qū)動電流和電壓信號分別進行濾波，獲得頻率范圍為fsl-feKfsl <fl< fel,fl是雙頻換能器的工作頻率1)的電流和電壓信號ul和il ；通過鑒相器獲得反饋電流和電壓信號ul和il的相位差θ 1 (反饋電流和電壓信號ul和il都是從同一個地方獲得的，采集到的信號通過不同的濾波器才能得到不同工作頻率下的不同的相位差θ 1和相位差θ 2;不同工作頻率下的相差是不同的，因此需要兩路超聲發(fā)生電路，分別處理，分別跟蹤。)將相位差輸入頻率控制器，結(jié)合控制器提供的控制策略參數(shù)，實時輸出驅(qū)動頻率信號Π ；同時通過帶通濾波器1的電流信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器輸入幅值控制器，并跟控制器輸入的幅值信號進行對比然后輸出幅值A(chǔ)l， 以修正驅(qū)動幅值的誤差；最后數(shù)字信號發(fā)生器根據(jù)上述的頻率信號Π和修正后的驅(qū)動幅值A(chǔ)l，輸出波形為Al*COS(fl+0 1)的驅(qū)動信號。第二超聲發(fā)生電路與第一超聲發(fā)生電路結(jié)構(gòu)上完全相同，只是輸出波形為 A2*cos(f2+ θ 2)。所述的驅(qū)動電路包括數(shù)字信號合成器、D/A轉(zhuǎn)換器、功率放大器。其功能是將上述超聲發(fā)生電路1，2輸出的信號進行合成，合成為Al*C0S(fl+e l)+A2*COS(f2+02)的信號， 然后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號，經(jīng)功率放大器放大后得到所需的功率信號驅(qū)動雙頻換能器，在同一時刻同時激發(fā)兩種頻率的超聲振動，以提供更高的超聲能量密度，有效降低鍵合力和鍵合溫度，從而提供更大的鍵合適用范圍。其工作過程為當(dāng)雙頻超聲發(fā)生器上電啟動后，控制器從上位機獲取控制信息，確定雙頻換能器的兩個頻率fl和f2，并存儲在失電保護的內(nèi)存中，同時計算出頻率控制參數(shù)、功率控制參數(shù)，分別發(fā)送給超聲發(fā)生電路1，2。超聲發(fā)生電路獲得參數(shù)后，按照預(yù)先設(shè)定的頻率跟蹤算法，對設(shè)定的換能器頻率進行跟蹤、鎖頻，實現(xiàn)諧振頻率下的驅(qū)動，以獲得最大的振幅輸出。 由于兩個超聲發(fā)生電路同時工作，因此能同時激發(fā)雙頻換能器的兩種頻率，實現(xiàn)兩種頻率的超聲振動輸出。對于三種或者頻率更多的多頻換能器，只要增加超聲發(fā)生電路的數(shù)量(每一種頻率增加一個超聲發(fā)生電路)，并增加控制器的控制信息輸出，就可以實現(xiàn)多種頻率超聲換能器的驅(qū)動，實現(xiàn)多種頻率的同步輸出。實施例1 雙頻超聲發(fā)生器驅(qū)動雙頻換能器的基本實施方案雙頻超聲發(fā)生器驅(qū)動雙頻換能器進行超聲鍵合的基本實施方案如圖1所示。對于具有兩個工作頻率參數(shù)fl(138KhZ)和f2(97Khz的雙頻換能器，采用單片機實現(xiàn)的控制器通過串口與上位機進行通信，獲得雙頻換能器的兩個工作頻率參數(shù)fl (138Khz)和 f2(97Khz)，跟蹤范圍 fsl(i;35KHz)，fs2 (94KHz), fel(142KHz), fe2 (IOOKHz)等參數(shù)，并存儲在失電保護的內(nèi)存中，同時計算出1)頻率控制參數(shù)(中心頻率f，頻率跟蹤范圍fs與 fe，頻率跟蹤算法的PID控制參數(shù))；2)幅值控制參數(shù)(一組包含時間、幅值的數(shù)組，用于確定在超聲啟動后的每個時段的超聲波幅值)；幻帶通濾波器參數(shù)(開始頻率fs與終止頻率 fe)。然后，分別發(fā)送給超聲發(fā)生電路1，2。超聲發(fā)生電路獲得參數(shù)后，按照預(yù)先設(shè)定濾波方法，對反饋信號進行濾波，然后對濾波后的信號，按照預(yù)定的頻率跟蹤算法，對設(shè)定的換能器頻率進行跟蹤、鎖頻，實現(xiàn)諧振頻率下的驅(qū)動，以獲得最大的振幅輸出。由于兩個超聲發(fā)生電路同時工作，因此能同時激發(fā)雙頻換能器的兩種頻率，實現(xiàn)兩種頻率的超聲振動輸出。在本發(fā)明的雙頻超聲發(fā)生器驅(qū)動下，雙頻換能器的輸出如圖2(a)，雙頻換能器可以在Tl時刻啟動第一頻率(如138Khz)的振動輸出，然后在T2時刻再啟動第二頻率(如 97Khz)的振動輸出，然后在T3時刻關(guān)閉第一頻率的振動輸出，只保留第二頻率的振動輸出。即可以在任意時刻啟動或者停止任意工作頻率的輸出。而現(xiàn)有超聲發(fā)生器驅(qū)動下的雙頻換能器輸出如圖2(b)，由于不具備本發(fā)明所述的同時產(chǎn)生兩種頻率的超聲驅(qū)動信號，以驅(qū)動雙頻換能器進行超聲鍵合的功能，因此，在任意時刻只能有一種頻率的超聲輸出。鑒相器、頻率控制器、數(shù)字信號合成器等在電子電路領(lǐng)域都是現(xiàn)成技術(shù)，前二者已經(jīng)用于現(xiàn)有的超聲發(fā)生電路中(見超聲驅(qū)動器專利CN 101372066B)，后者目前沒有用與超聲發(fā)生器中。多種頻率(大于或等于3種)驅(qū)動的情況，只需在雙頻驅(qū)動的基礎(chǔ)上擴展即可。
權(quán)利要求
1.一種多頻同時驅(qū)動式的超聲發(fā)生器，其特征在于包括控制器、驅(qū)動電路、雙頻換能器以及至少2套結(jié)構(gòu)相同的超聲發(fā)生電路；驅(qū)動電路包括依次相連的數(shù)字信號合成器、D/A轉(zhuǎn)換器和功率放大器；功率放大器的輸出作為驅(qū)動電路的輸出；功率放大器的輸出端接雙頻換能器；超聲發(fā)生電路包括帶通濾波器、鑒相器、頻率控制器、幅值控制器、數(shù)字信號發(fā)生器以及A/D轉(zhuǎn)換器；帶通濾波器、鑒相器、頻率控制器、幅值控制器、數(shù)字信號發(fā)生器依次連接， 帶通濾波器的采樣信號輸入端接驅(qū)動電路的輸出端；數(shù)字信號發(fā)生器的輸出端接數(shù)字信號合成器的輸入端；帶通濾波器器還通過A/D轉(zhuǎn)換器與幅值控制器相接；頻率控制器的參數(shù)輸入端、幅值控制器的參數(shù)輸入端和帶通濾波器的參數(shù)輸入端均與控制器連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多頻同時驅(qū)動式的超聲發(fā)生器，其特征在于，控制器傳輸給頻率控制器的參數(shù)包括中心頻率f，頻率跟蹤范圍fs與fe，頻率跟蹤算法的PID控制參數(shù)?？刂破鱾鬏斀o幅值控制器的參數(shù)一組包含時間、幅值的數(shù)組參數(shù)(存儲在參數(shù)表中)，用于確定在超聲啟動后的每個時段的超聲波幅值；傳輸給帶通濾波器的參數(shù)帶通濾波的開始頻率fss與終止頻率fee ；控制器給多套超聲發(fā)生電路的多個中心頻率f= {fl，f2，f3，…}，中心頻率fi之間為倍頻關(guān)系、分頻關(guān)系或者是非線性的頻率關(guān)系。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多頻同時驅(qū)動式的超聲發(fā)生器，其特征在于，所述的控制器包括控制單元、用于與上位機通信的通信端口以及用于輸出參數(shù)給超聲發(fā)生電路的輸出端□。
4.一種多頻同時驅(qū)動式的超聲發(fā)生器的實現(xiàn)方法，其特征在于，采用權(quán)利要求1所述的多頻同時驅(qū)動式的超聲發(fā)生器；控制器輸出多套控制參數(shù)分別給多套超聲發(fā)生電路，多套超聲發(fā)生電路產(chǎn)生數(shù)字信號并傳輸給數(shù)字信號合成器進行數(shù)字信號合成，所述的控制參數(shù)包括(1)頻率控制器的參數(shù)中心頻率f，頻率跟蹤范圍fs與fe以及頻率跟蹤算法的PID 控制參數(shù)；根據(jù)給定的中心頻率、頻率跟蹤范圍及頻率跟蹤算法，超聲發(fā)生器對不斷變化的換能器固有頻率進行實時跟蹤、鎖定，使得超聲發(fā)生器輸出與換能器諧振頻率一致的驅(qū)動信號，實現(xiàn)諧振驅(qū)動；(2)給幅值控制器的參數(shù)一組包含時間、幅值的數(shù)組參數(shù)，用于確定在超聲啟動后的每個時段的超聲波幅值；(3)給帶通濾波器的參數(shù)帶通濾波的開始頻率fss與終止頻率fee；對驅(qū)動電路的輸出信號進行采樣，所得的采樣信號均輸入到多套超聲發(fā)生電路的帶通濾波器中作為反饋信號；帶通濾波器實現(xiàn)信號的特定頻率范圍提取，以實現(xiàn)該頻率范圍內(nèi)更準(zhǔn)確的相位提取和頻率跟蹤。
全文摘要
本發(fā)明提供一種多頻同時驅(qū)動式的超聲發(fā)生器及其實現(xiàn)方法，所述的多頻同時驅(qū)動式的超聲發(fā)生器包括控制器、驅(qū)動電路、雙頻換能器以及至少2套結(jié)構(gòu)相同的超聲發(fā)生電路；驅(qū)動電路包括依次相連的數(shù)字信號合成器、D/A轉(zhuǎn)換器和功率放大器；功率放大器的輸出作為驅(qū)動電路的輸出；功率放大器的輸出端接雙頻換能器；超聲發(fā)生電路包括帶通濾波器、鑒相器、頻率控制器、幅值控制器、數(shù)字信號發(fā)生器以及A/D轉(zhuǎn)換器。多頻超聲發(fā)生器的多種頻率、功率及功率曲線可單獨控制、調(diào)整，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。
文檔編號B06B1/02GK102350409SQ20111019428
公開日2012年2月15日 申請日期2011年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月12日
發(fā)明者王福亮, 鄒長輝, 韓雷 申請人:中南大學(xué)