變頻自適應超聲波振動篩電源系統應用研究

左現剛 王應軍

摘 要：針對超聲波篩分系統換能器在頻率漂移情況下的驅動問題，提出一種變頻和驅動回路參數自適應方法。介紹了一種基于變頻自適應超聲波振動篩電源的設計，利用STM32作為整個電源系統模型的“大腦”，通過整合和調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;依據串聯匹配最佳原理，系統能對驅動回路參數和功率自動調整，最終實現超聲波換能器在發生頻率漂移時的驅動最佳。超聲波電源采用了可變頻自適應技術，在超聲波負載變化時，采用了驅動回路參數自適應、功率自動調整的方法，從而實現超聲波振動篩電源的變頻自適應。

關鍵詞：振動篩;超聲波;變頻自適應;電源效率

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

0引言

當振動篩的網架上附加一定功率的超聲波振動時，絲網上的微粉物料就會得到一個較高頻率力的作用，物料始終保持懸浮狀態，從而能使絲網與物料之間的粘附、摩擦、平降、楔入等堵網因素得到較大改善。超聲波振動篩很好地解決了強吸附性、易團聚、高靜電、高精細、高密度、輕比重等篩分難問題，特別在超細物料生產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、涂料等行業生產中應用十分廣泛[1-2]。

我國在20世紀90年代開始引進和仿制超聲波振動設備，如前蘇聯的ГУП系列、波蘭的WK-15系列。雖然超聲波振動篩產業在我國起步較晚，規模較小，但發展迅速。目前，隨著鋰電池、鈦白粉涂料等產業的興起，超聲波振動篩也被振動篩商家作為重要產品，是國內應用最廣泛的物料篩分機械。

超聲波振動篩常見的類型有旋振篩、氣流篩、直線篩等，除機械結構外，其核心技術主要表現在超聲波驅動電源和換能器方面。隨著我國化工行業的快速發展，各大行業對超聲波振動篩的質量和品質要求越來越高。由于我國超聲波設備自主創新研發技術比較落后，超聲波電源、換能器質量與國外同類技術相比仍然有較大差距[3]。

1 篩分超聲波電源系統存在的技術問題分析

1.1超聲波換能器驅動問題

除了低頻振動機構外，超聲波振動篩重要的核心部件是超聲波振動系統，包括超聲波電源和換能器。超聲波換能器的振動通過連桿、網架內環和外環支架傳遞給振動篩的絲網，因此網架與換能器可組成一個振動系統[4]。

超聲波換能器在強電場條件下，其諧振點附近有四個頻率，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。應用實踐表明，超聲波電源驅動的電壓頻率一般設定在f1或f2附近，此時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回路能夠有效地濾除開關型電源輸出的高次諧波，因此，串聯匹配饋電方式被振動篩的超聲波系統廣泛采用。換能器串聯匹配電路如圖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為換能器的負載。由于L0在超聲波電源設計時一般為固定值，因此實際振動系統存在兩個諧振頻率，即由L0和C0組成的諧振頻率F0，另一個為換能器串聯支路諧振頻率，即有效諧振頻率f1或f2。當F0和f1或f2一致時，換能器發生諧振，此時超聲波振動效率最高，篩分效果最佳。

換能器串聯支路等效電路如圖1（b）所示，由換能器的動態電感L1、動態電容C1和動態電阻R1組成，R1取決于機械內耗力阻和外部機械阻力。由于換能器的諧振頻率受材料、振動篩機械系統、工作溫度以及超聲波電源穩定性等因素影響較大，特別是換能器的機械內耗力阻發生變化（因絲網使用壽命限制，生產中需要經常更換網架），在應用中換能器的諧振頻率經常出現漂移現象。此時，f1或f2發生變化，f1或f2與F0發生偏離，串聯電路不能良好匹配，此時負載功率明顯下降。

當換能器發生頻率漂移時，普遍會采用改變電源驅動電壓頻率的方式加以修正。實際應用中，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，將會導致換能器發熱、超聲波振幅過低或停振，有時會導致換能器損壞，嚴重影響振動篩的篩分生產效率。

1.2現有技術及其缺陷

1.2.1頻率掃描驅動法

為了使換能器在頻率漂移時仍然能夠有較大的振幅輸出，目前國內超聲波振動篩廣泛采用兩種技術，一種是超聲波電源頻率掃描輸出技術，另一種是頻率跟蹤技術。其中頻率掃描技術主要應用在換能器它激式驅動系統中，超聲波信號通過系統產生，以一個頻率為中心點在一定波段范圍內掃描，由于換能器的諧振頻率始終都在系統的掃頻范圍內，從而可以使換能器在發生頻率漂移時仍有振動輸出。如國內MC-400型超聲波電源或國外引進的大部分超聲波電源。此種技術電源調試簡單，缺點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

頻率跟蹤技術主要應用在換能器自激式驅動電路中，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、功率輸出電路產生換能器的驅動電壓信號。當換能器頻率漂移時，驅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展趨勢。由于換能器驅動回路多采用電感串聯匹配方式，驅動頻率變化容易導致換能器驅動回路失諧，換能器發生頻率漂移時，雖然振幅下降不明顯但發熱嚴重，電源輸出功率較大時經常會出現換能器損壞現象。

1.2.3 間歇驅動法

超聲波振動篩目前還采用一種換能器間歇式驅動技術，即利用系統開啟和關斷使網架產生一個高頻和低頻振幅，間歇式驅動技術雖然簡單，但在應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采用。

以上問題是目前超聲波振動篩普遍存在的技術問題，也是困擾超聲波振動篩生產與開發行業一個重要技術難點。首先，換能器頻率漂移時，如果不改變超聲波電源系統的驅動頻率，防護措施又不到位，超聲波換能器很容易發熱而損壞;其次，換能器發生頻率漂移會導致電源驅動回路失諧，超聲波電源負載加重，自身很容易因防護措施不到位而損壞。另外，產生的低頻駐波加重絲網與物料之間的摩擦力，會導致絲網壽命大大降低，也在一定程度上影響物料的篩分質量。

2 技術路線和實施方案

當換能器加上一個低功率的頻率掃描信號，不管換能器諧振頻率如何變化，當電源輸出掃描頻率與換能器的有效頻率重合時，換能器此時諧振幅度最大。因此系統可以采用頻率和幅度綜合檢測手段，并通過調整電抗元件和開關電源功率的方法是電源對負載自適應調整，從而在換能器頻率漂移時保證換能器功率輸出穩定。系統組成見圖2所示，其中包括單片機系統，功率調整、驅動回路參數自適應調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，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個諧振頻點，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，系統得出換能器振幅最大的頻點，見圖4（b）所示[7]。

2.2串聯匹配參數自適應

換能器和匹配網絡構成的系統實際上是一個耦合系統，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系。當換能器的工作頻率發生改變時，在傳統逆變器頻率跟蹤的基礎上，同時動態地改變匹配電感，使系統獲得更高的效率。

超聲波振動篩的換能器可以看成一個二端網絡（見圖1（a）），通過L0進行功率耦合匹配，則換能器等效阻抗為：

由于換能器本身容易受溫度、振動篩網架等因素影響，C0、RL容易發生變化。由式（3）可知，參數L0不是一個定值。如果換能器要獲得最大功率，可設計一個可控電抗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，達到調節電抗元件參數的目的。因此項目采用串聯匹配參數自適應的方法，其原理見圖5所示。在諧振頻率檢測完成的基礎上，采用電流掃描對數控電流源進行控制。在系統進行電流掃描過程中，最佳匹配點可以通過對換能器兩端獲得的電壓幅度最大值進行系統分析，以確定的L0大小，達到參數自適應目的。

2.3功率自動調整

換能器的驅動功率必須跟隨驅動回路參數自適應調整而改變，才能保證換能器功率輸出穩定。功率自動調整原理見圖6，超聲波換能器的端電壓在功率設定后是一個定值，如果驅動回路參數變化一定引起換能器的端電壓變化，可通過單片機系統實時檢測、比較，控制開關管的導通角（小于180°），從而使換能器端電壓保持不變，達到功率自調整目的。電路中采用了微分和整形電路，反相器在輸入電壓1/2VCC處發生反轉[8]。

3 結語

本文應用變頻自適應技術應用于超聲波振動篩，控制振動篩電源，實現了對振動篩電源的節能控制的自動調節，減少了能量消耗，提高了生產效率，同時延長了設備的使用年限。具有較高的推廣應用價值。

參考文獻

[1] 楊碩.振動篩運行狀態觀測器的研究與設計[J].中國煤炭，2018，44（6）：81-86.

[2] 崔宇，徐廣晨.基于PLC振動篩調速和反接制動的控制系統設計[J].煤礦機械，2016，37（3）：157-159.

[3] 侯衛衛，張開如，李新衛，等.一種用于振動篩的逆變電源設計[J].電氣開關，2009，47（4）：37-39.

[4] 張楠，侯曉林，聞邦椿.雙轉子自同步系統同步行為分析[J].農業機械學報，2009，40（4）：184-188.

[5] 林春華.變頻調速技術在振動篩的應用[J].山東工業技術，2015（4）：33.

[6] 孟慶海，任占峰，楊培文.基于變頻技術的鉆井振動篩控制系統的應用[J].石油和化工設備，2013，16（11）：42-44.

[7] 李鵬.變頻調速節能控制技術在振動篩中的應用[J].機電信息，2013（12）：114-115.

[8] 張慧.高頻振動篩支撐彈簧的改造計算[J].煤礦機械，2010，31（4）：155-156.