對超聲波細胞粉碎機頻率跟蹤技術的研究

翁蕓，李偉

（寧波職業技術學院，浙江寧波，315800）

0 引言

自動頻率跟蹤技術對超聲波細胞粉碎機的高效穩定運行發揮著重要作用[1]。鎖相式頻率跟蹤技術因其具有良好的窄帶特性，且換能器電壓、電流的波形好壞對頻率跟蹤影響不大等原因，被廣泛應用在它激式大功率超聲設備中，但這種頻率跟蹤技術也有缺點，其一、它會因換能器具有多個諧振頻率而出現誤跟蹤，這時頻率死鎖于鎖相環頻率的頂端或換能器的二次諧波，致使設備工作異常。第二、因換能器的電抗無法完全匹配，剩余的電抗導致鎖定的頻率偏離換能器串聯諧振頻率，使得換能器工作效率降低。本文通過分析換能器的電路等效模型，采用MATLAB軟件計算出鎖相環鎖定時相位差對頻率和輸出功率的影響，設計出采用數控移相電路實現頻率微調的復合式頻率跟蹤控制系統，并通過實驗驗證其可行性。

1 壓電換能器的等效阻抗特性

超聲波壓電換能器是超聲振動系統的主要組成部分，由電學臂支路和機械臂支路兩部分組成，可視為非線性容性負載，其靜態等效電路[2]如圖1(a)所示，表1為各部分等效情況[3]。其復阻抗和相位角計算公式為：

表1 超聲波壓電換能器的靜態等效

當換能器在正常工作的時候，機械臂L1、C1所在支路產生串聯諧振，此時換能器等效電路如圖1(b)所示，表現出一定的容抗特性。為保證發生器主功率系統與換能器系統之間最有效地進行能量傳輸，必須建立合理的匹配網絡，以改變負載的阻抗特性。……