一种新型超声发生器的设计方案

王荣

[摘    要]提出了一种新型超声发生器的设计方案，在传统方案的基础上添加电流环控制和一种改进的闭环控制算法，使压电式超声换能器（以下简称换能器）的振动幅度稳定。该方案解决了传统锁相控制算法在电流反馈幅度较小时失效以及电流环和锁相环的解耦等问题，提高了系统的快速性和稳定性。将变压器的等效电感匹配网络的设计中，提高了系统的声电转换效率。与传统单一锁相环相比，基于该超声发生器的超声焊接系统的振动幅度在响应的快速性和稳定性上均有显著提高。

[关键词]超声发生器;电流闭环控制;变压器等效电感;阻抗匹配网络

[中图分类号]TB559 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（21）04–00–03

A design Scheme of a New Type of Ultrasonic Generator

Wang Rong

[Abstract]This paper presents a design scheme for a new type of ultrasonic generator， adding current loop control and an improved closed-loop control algorithm on the basis of the traditional scheme to make piezoelectric ultrasonic transducers （hereinafter referred to as transducers） The vibration amplitude is stable. This solution solves the problems of failure of the traditional phase-locked control algorithm when the current feedback amplitude is small and the decoupling of the current loop and the phase-locked loop， and improves the rapidity and stability of the system. Considering the equivalent inductance of the transformer into the design of the matching network， the system's acoustic-electric conversion efficiency is greatly improved. Compared with the traditional single phase-locked loop， the vibration amplitude of the ultrasonic welding system based on the ultrasonic generator is significantly improved in response speed and stability.

[Keywords]ultrasonic generator; current closed-loop control; transformer equivalent inductance; impedance matching network

全自动金线键合机是芯片封测设备中技术要求最高的设备，它完成半导体芯片和支架之间的电气连接，采用的工艺是热压超声焊。半导体封装的工艺流程要求超声焊接设备具有振动频率高、振动幅度稳定且上升时间短等特点，这就需要采用与传统大功率超声焊接设备不同的设计思想，以便得到更好的频率跟随效果及更为稳定的振动幅度。传统频率跟随技术主要是以电流和电压的相位差或单独的电流作为频率环的反馈量，由于没有

电流闭环控制，当负载变化很大时，驱动电流也会产生较大的变化，导致振动幅度很不稳定，影响焊接质量。并且电流的相位信息也会变得不准确甚至完全消失，系统振动幅度的稳定性和频率跟随的鲁棒性都很差。另外，在设计阻抗匹配网络时，没有考虑到变压器的等效电感，使得实际匹配网络的性能远低于理论值，系统声电转换效率较低。本文提出了一种基于DSP和直接数字频率合成器（Directly Digital Synthesizer，DDS）的全数字超声发生器（Ultra-Sonic Generator，USG），在传统频率跟踪的基础上增加了电流闭环控制功能，提高了系统频率跟随的鲁棒性和振动幅度的稳定性。另一方面通过对变压器的模型进行的理论推导，得出等效电感的计算公式，据此设计的匹配网络具有良好

的匹配效果。

1 系统概述

如图1所示，本课题硬件包括5个模块：微控制器模块、信号发生模块、功率放大模块、匹配网络模块和反馈模块。

微控制器模塊内部的控制算法根据反馈模块的反馈信号和控制目标，通过信号发生和功率放大模块完成相位和电流的闭环控制。同时，微控制器模块还完成执行上位机的命令和向上位机发送状态数据等任务。

信号发生模块使用DDS代替传统的压控振荡器，具有频率精准、稳定性高、控制简易等优点。以程控运算放大器为核心的信号放大电路将DDS输出的电流信号转换成电压信号，正弦波的幅值由DSP通过DAC控制，为实现电流闭环提供硬件支持。

如图2所示，反馈模块包括相位反馈和电流反馈两部分，该模块先通过比较器（集电极开路）将电压和电流反馈转换为DSP的逻辑电平（+3.3V），使用D触发器和异或门得到相位差的方向和大小。电流反馈部分通过真有效值计算芯片将正弦波转换为与其有效值成正比的直流信号，DSP通过ADC采样该直流信号以便得到电流反馈的大小。

本课题软件部分包括在PC机上运行的上位机软件和在DSP上运行的嵌入式软件两部分。上位机软件完成的主要工作包括：控制是否启用锁相环，根据工艺要求选择不同的控制模式（电压恒定模式、电流恒定模式和功率恒定模式），调试控制参数和实时采集数据并绘制数据曲线。DSP软件的主要功能包括：初始化外围设备、运行控制算法、接收和执行上位机的命令、反馈内部数据和完成在指定频率范围内的搜索换能器共振频率。

2 阻抗匹配网络

目前普遍采用的阻抗匹配网络方案是变压器与电感配合使用。对于图3所示的变压器等效电路模型有如下等式：

（1）

其中，和分别为原副边线圈匝数;为磁路的磁通量;Rm为磁路的磁阻。对于理想变压器的磁路磁导率是无穷大的，即磁路的磁阻Rm=0，此时原边线圈的等效阻抗，这就是传统匹配方案通过变压器实现变阻功能的理论依据。

对于非理想的变压器（图3），Rm≠0，则可得：

根据电路图可以得到。但是，原边电路的负载是Lm1和的并联阻抗，所以只是根据原副边匝数比设计阻抗匹配的方式存在很大的误差。另外，在阻抗匹配设计中没有考虑变压器线圈等效电感的做法在很大程度上降低了阻抗匹配网络工作性能。

加入匹配电感后的换能器等效电路如图4所示。流入换能器机械臂的电流ir与驱动电流i之间的关系为：

在共振状态时，换能器工作的振动幅度为：

（5）

由式（4）和式（5）可得：

（6）

从式（6）可以得出，在共振状态时，换能器的振动幅度与进入阻抗匹配网络电流的有效值成正比，匹配程度越高，比例系数越大，系统电声转换效率越高。存在一个匹配电感，它与静态电容完全匹配。这时，驱动电流产生的电能完全转换为换能器振动的机械能，系统效率最高。在实验中，通过激光测振仪测量不同匹配电感值对应的驱动器电流和换能器振动幅度之间的比例系数，验证本节对匹配电感的公式推导的正确性，如图5所示。

3 控制算法的软件实现

由于超声换能系统的特性，换能器的固有谐振频率与焊接负载、环境温度和湿度等因素相关。控制算法应该能时刻跟踪换能器固有谐振频率的变化，使得换能器始终工作在谐振状态，以获得最大的电能到机械能的转换效率。如果频率跟踪功能不完善，会导致焊接不良，换能器发热严重，甚至对换能器造成不可逆转的损害。

因为不同驱动信号频率对应的换能器阻抗值不一样，导致同样的电压下，电流值不同，即电流环和锁相环存在耦合。

为了解决上述两个问题，控制算法软件的工作主要包括：频率扫描、频率跟踪和电流环PID控制算法。为了获得高效稳定的控制效果，本文提出了如图6所示的改进型控制算法。频率扫描在用户指定的频率范围内（可以通过上位机软件设定），以一定的步长由小到大不断增加输出驱动信号的频率，同时不断采集反饋电压和电流的相位信息。当反馈电压和电流的相位差为0时，记录此时的驱动信号频率值，并将该值作为锁相环控制算法调整时的中心频率。

如果反馈电流信号太小，会导致相位差反馈信号变得不稳定，所以需要根据实际情况设定一个阈值。只有反馈电流大于该阈值时，才将此时的相位差信号作为锁相环的反馈输入，并启动锁相环算法的运行。如果小于该阈值，则不能启动锁相环算法运行，以扫频时确定的中心频率输出驱动信号，同时加大输出电压。

由于电流环和锁相环存在耦合，并且锁相环的调整会改变换能器等效阻抗，所以需要确保锁相环控制算法进入调整误差带后再进行电流环控制算法的调整。这样就可以保证电流环和锁相环始终工作在高效稳定的状态。

4 实验结果及分析

最优匹配电感实验利用激光测振系统观察在不同匹配电感条件下，驱动电流和换能器末端振动幅度之间的关系，实验系统框图如图7所示。

在本实验中，电感6到电感1的电感值不断增大，如图8所示，换能器振动幅度和驱动电流始终保持正比关系。但是，它们的比例系数随着电感值的增大，比例系数先是不断变大，然后不断变小。因此，应该选择电感值小于电感2并且大于电感3的电感作为匹配电感。

电流环控制性能测试实验通过上位机和DSP软件完成电流有效值的采集工作，电流环控制性能如图9所示。可以看到电流环稳定时间小于3 ms，稳态误差为5 mA，无超调。另外，电流有效值曲线中有一个小的阶跃，那是锁相环正在调整，电流环暂时停止控制所造成的。

5 结束语

提出了一种基于DSP和DDS的全数字超声发生器，它不但有DSP带来的可与模拟系统比拟的高速性和控制算法的灵活性，而且有DDS带来的高于模拟系统的频率稳定性。在传统的锁相环基础上增加了电流闭环控制功能和改进的控制算法，提高了系统频率跟随的鲁棒性和振动幅度的稳定性。将变压器等效阻抗考虑在内的阻抗匹配网络也使得系统的电声转换效率有较大的提高。

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