变频自适应超声波振动筛电源系统应用研究

左现刚 王应军

摘 要：针对超声波筛分系统换能器在频率漂移情况下的驱动问题，提出一种变频和驱动回路参数自适应方法。介绍了一种基于变频自适应超声波振动筛电源的设计，利用STM32作为整个电源系统模型的“大脑”，通过整合和调配超声波换能器模块，采用频率扫描和振幅检测综合的方法跟踪换能器有效谐振频率;依据串联匹配最佳原理，系统能对驱动回路参数和功率自动调整，最终实现超声波换能器在发生频率漂移时的驱动最佳。超声波电源采用了可变频自适应技术，在超声波负载变化时，采用了驱动回路参数自适应、功率自动调整的方法，从而实现超声波振动筛电源的变频自适应。

关键词：振动筛;超声波;变频自适应;电源效率

中图分类号：TD452 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）09-0089-03

0引言

当振动筛的网架上附加一定功率的超声波振动时，丝网上的微粉物料就会得到一个较高频率力的作用，物料始终保持悬浮状态，从而能使丝网与物料之间的粘附、摩擦、平降、楔入等堵网因素得到较大改善。超声波振动筛很好地解决了强吸附性、易团聚、高静电、高精细、高密度、轻比重等筛分难问题，特别在超细物料生产中有较高的筛分效率。因此，超声波振动筛在食品、化工、金属、冶金、煤炭、矿山、建材、电力、耐火材料、陶瓷、油脂、制药、锂电池、涂料等行业生产中应用十分广泛[1-2]。

我国在20世纪90年代开始引进和仿制超声波振动设备，如前苏联的ГУП系列、波兰的WK-15系列。虽然超声波振动筛产业在我国起步较晚，规模较小，但发展迅速。目前，随着锂电池、钛白粉涂料等产业的兴起，超声波振动筛也被振动筛商家作为重要产品，是国内应用最广泛的物料筛分机械。

超声波振动筛常见的类型有旋振筛、气流筛、直线筛等，除机械结构外，其核心技术主要表现在超声波驱动电源和换能器方面。随着我国化工行业的快速发展，各大行业对超声波振动筛的质量和品质要求越来越高。由于我国超声波设备自主创新研发技术比较落后，超声波电源、换能器质量与国外同类技术相比仍然有较大差距[3]。

1 筛分超声波电源系统存在的技术问题分析

1.1超声波换能器驱动问题

除了低频振动机构外，超声波振动筛重要的核心部件是超声波振动系统，包括超声波电源和换能器。超声波换能器的振动通过连杆、网架内环和外环支架传递给振动筛的丝网，因此网架与换能器可组成一个振动系统[4]。

超声波换能器在强电场条件下，其谐振点附近有四个频率，较低的是振子横向谐振频率f0，其次是振子与不锈钢粘合形成振动方向上的谐振频率f1，第三是换能器固有频率f2，最高是换能器晶片径向振向频率f3。应用实践表明，超声波电源驱动的电压频率一般设定在f1或f2附近，此时换能器输出的有用功率最大，超声波筛分效率也最高。

由于换能器与电感组成的串联回路能够有效地滤除开关型电源输出的高次谐波，因此，串联匹配馈电方式被振动筛的超声波系统广泛采用。换能器串联匹配电路如图1（a）所示，其中电感L0与换能器的等效电容C成谐振回路，R为换能器的负载。由于L0在超声波电源设计時一般为固定值，因此实际振动系统存在两个谐振频率，即由L0和C0组成的谐振频率F0，另一个为换能器串联支路谐振频率，即有效谐振频率f1或f2。当F0和f1或f2一致时，换能器发生谐振，此时超声波振动效率最高，筛分效果最佳。

换能器串联支路等效电路如图1（b）所示，由换能器的动态电感L1、动态电容C1和动态电阻R1组成，R1取决于机械内耗力阻和外部机械阻力。由于换能器的谐振频率受材料、振动筛机械系统、工作温度以及超声波电源稳定性等因素影响较大，特别是换能器的机械内耗力阻发生变化（因丝网使用寿命限制，生产中需要经常更换网架），在应用中换能器的谐振频率经常出现漂移现象。此时，f1或f2发生变化，f1或f2与F0发生偏离，串联电路不能良好匹配，此时负载功率明显下降。

当换能器发生频率漂移时，普遍会采用改变电源驱动电压频率的方式加以修正。实际应用中，如果换能器横向振动频率或径向振动频率与电源输出频率重合时，将会导致换能器发热、超声波振幅过低或停振，有时会导致换能器损坏，严重影响振动筛的筛分生产效率。

1.2现有技术及其缺陷

1.2.1频率扫描驱动法

为了使换能器在频率漂移时仍然能够有较大的振幅输出，目前国内超声波振动筛广泛采用两种技术，一种是超声波电源频率扫描输出技术，另一种是频率跟踪技术。其中频率扫描技术主要应用在换能器它激式驱动系统中，超声波信号通过系统产生，以一个频率为中心点在一定波段范围内扫描，由于换能器的谐振频率始终都在系统的扫频范围内，从而可以使换能器在发生频率漂移时仍有振动输出。如国内MC-400型超声波电源或国外引进的大部分超声波电源。此种技术电源调试简单，缺点是换能器有用功率只占超声波电源输出功率的一部分（最大不超过25%），换能器效率较低[5]。

1.2.2 频率自动跟踪法

频率跟踪技术主要应用在换能器自激式驱动电路中，其原理是通过反馈电路获取超声波换能器的固有频率f2，然后通过信号处理电路、功率输出电路产生换能器的驱动电压信号。当换能器频率漂移时，驱动功率信号始终跟随换能器频率变化，从而使换能器始终工作在固有频率上。频率跟踪方法很好的解决了换能器工作效率低的问题，是目前超声波电源的发展趋势。由于换能器驱动回路多采用电感串联匹配方式，驱动频率变化容易导致换能器驱动回路失谐，换能器发生频率漂移时，虽然振幅下降不明显但发热严重，电源输出功率较大时经常会出现换能器损坏现象。

1.2.3 间歇驱动法

超声波振动筛目前还采用一种换能器间歇式驱动技术，即利用系统开启和关断使网架产生一个高频和低频振幅，间歇式驱动技术虽然简单，但在应用中因筛分效果不佳，只作为一种附加功能被超声波电源系统采用。

以上问题是目前超声波振动筛普遍存在的技术问题，也是困扰超声波振动筛生产与开发行业一个重要技术难点。首先，换能器频率漂移时，如果不改变超声波电源系统的驱动频率，防护措施又不到位，超声波换能器很容易发热而损坏;其次，换能器发生频率漂移会导致电源驱动回路失谐，超声波电源负载加重，自身很容易因防护措施不到位而损坏。另外，产生的低频驻波加重丝网与物料之间的摩擦力，会导致丝网寿命大大降低，也在一定程度上影响物料的筛分质量。

2 技术路线和实施方案

当换能器加上一个低功率的频率扫描信号，不管换能器谐振频率如何变化，当电源输出扫描频率与换能器的有效频率重合时，换能器此时谐振幅度最大。因此系统可以采用频率和幅度综合检测手段，并通过调整电抗元件和开关电源功率的方法是电源对负载自适应调整，从而在换能器频率漂移时保证换能器功率输出稳定。系统组成见图2所示，其中包括单片机系统，功率调整、驱动回路参数自适应调整和换能器谐振频率检测部分[6]。

2.1换能器谐振频率检测

换能器谐振频率检测采用低功率扫描技术，原理见图3所示。筛分超声波振子一般选用谐振频率在20kHz～38kHz之间的压电陶瓷换能器，由于换能器存在4个谐振频点，因此需要利用幅度检测测量换能器的有效谐振频率。换能器谐振频率检测采用图4（a）步骤，通过频率—幅度波形分析，系统得出换能器振幅最大的频点，见图4（b）所示[7]。

2.2串联匹配参数自适应

换能器和匹配网络构成的系统实际上是一个耦合系统，因此利用耦合振荡的基本原理分析匹配电感和耦合谐振频率的关系。当换能器的工作频率发生改变时，在传统逆变器频率跟踪的基础上，同时动态地改变匹配电感，使系统获得更高的效率。

超声波振动筛的换能器可以看成一个二端网络（见图1（a）），通过L0进行功率耦合匹配，则换能器等效阻抗为：

由于换能器本身容易受温度、振动筛网架等因素影响，C0、RL容易发生变化。由式（3）可知，参数L0不是一个定值。如果换能器要获得最大功率，可设计一个可控电抗L0，通过改变电抗器激磁绕组的直流激磁电流，去改变磁芯单位截面的磁通量，达到调节电抗元件参数的目的。因此项目采用串联匹配参数自适应的方法，其原理见图5所示。在谐振频率检测完成的基础上，采用电流扫描对数控电流源进行控制。在系统进行电流扫描过程中，最佳匹配點可以通过对换能器两端获得的电压幅度最大值进行系统分析，以确定的L0大小，达到参数自适应目的。

2.3功率自动调整

换能器的驱动功率必须跟随驱动回路参数自适应调整而改变，才能保证换能器功率输出稳定。功率自动调整原理见图6，超声波换能器的端电压在功率设定后是一个定值，如果驱动回路参数变化一定引起换能器的端电压变化，可通过单片机系统实时检测、比较，控制开关管的导通角（小于180°），从而使换能器端电压保持不变，达到功率自调整目的。电路中采用了微分和整形电路，反相器在输入电压1/2VCC处发生反转[8]。

3 结语

本文应用变频自适应技术应用于超声波振动筛，控制振动筛电源，实现了对振动筛电源的节能控制的自动调节，减少了能量消耗，提高了生产效率，同时延长了设备的使用年限。具有较高的推广应用价值。

参考文献

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[2] 崔宇，徐广晨.基于PLC振动筛调速和反接制动的控制系统设计[J].煤矿机械，2016，37（3）：157-159.

[3] 侯卫卫，张开如，李新卫，等.一种用于振动筛的逆变电源设计[J].电气开关，2009，47（4）：37-39.

[4] 张楠，侯晓林，闻邦椿.双转子自同步系统同步行为分析[J].农业机械学报，2009，40（4）：184-188.

[5] 林春华.变频调速技术在振动筛的应用[J].山东工业技术，2015（4）：33.

[6] 孟庆海，任占峰，杨培文.基于变频技术的钻井振动筛控制系统的应用[J].石油和化工设备，2013，16（11）：42-44.

[7] 李鹏.变频调速节能控制技术在振动筛中的应用[J].机电信息，2013（12）：114-115.

[8] 张慧.高频振动筛支撑弹簧的改造计算[J].煤矿机械，2010，31（4）：155-156.