器，利用了外环的饱和非线性达到截压的目的，克服了输出功率受电网电压波动及负载变化影响，保证了输出功率恒定。另外从自动控制理论角度来说，采用什么物理量作为反馈就能自动稳定该物理量，因此双闭环调节器对实现稳压、稳流功能是一真正准确有效的方法。
图5.1 压电流双闭环控制系统
在电压闭环和电流闭环中如果都采用PI调节器，那么外环根据用户给定的设定电流和反馈的负载电流进行PI调节后，设定给定电压值，内环根据该给定值和直流电压反馈值经过PI调节后通过调节斩波器占空比来控制高频电源的输出功率。当调节输入信号或负载变化时，电流调节会迅速做出响应。例如：当负载加重而电压下降时，电流调节器的输出会立刻增大，电压调节器的给定值立刻增大，其输出会使电压迅速增大，从而维持原来的电流即稳流作用。比例调节P成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用以减少偏差，较大的比例系数可以使系统很快达到设定值，但是也增加了系统的不稳定性；积分调节I用于消除静态误差，提高系统的无差度。
经过比较分析上面4种BUCK调功系统结构框图，文中电源系统采用电压电流双闭环控制方式来进行直流调功。
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6 超声波电源匹配电路
在超声波清洗、超声波加工和超声波焊接等大功率超声应用场合，始终会遇
到超声波换能器与发生器之间的阻抗匹配问题。超声波电源与换能器负载匹配包括两个方面，通过匹配使电源向换能器输出额定的电功率，将换能器的阻抗变换成最佳负载，即阻抗变换作用；通过匹配使电源负载为纯电阻，使电源输出效率最大，即调谐作用。匹配在很大程度上决定了超声波清洗机能否高效且安全工作，直接影响着超声波源信号的产生和效率，因而是一个非常重要的技术环节。
6．1超声波换能器动态调谐匹配
由于静电抗的原因，压电换能器有静电容Co存在，造成其在一定工作频率下，换能器上的电压U与电流，间存在着一个相位角缈，从而使超声波换能器得不到期望的最大输出声功率，使超声波电源输出效率降低。为了减小电压与电流的相位差伊，需要在换能器负载端并联或串联一个相反的抗，使超声波电源的负载为纯阻性，这种匹配叫做调谐作用。匹配调谐电路的目的是用来改善电发生器与超声波换能器之间的耦合过程，以便使电发生器输出的功率高效率地传输给换能器。
在调谐匹配的时候，通常采用的匹配方法有串联和并联两种，对于现在己经普遍流行的开关型超声电源来说，串联匹配能有效的滤除其输出电压方波信号中的谐波成分因而更具实用价值。串联匹配的原理可用图6．1来说明。
图6.I 换能器串联匹配示意图
在图6．1(a)所示的压电陶瓷换能器等效电路中，Ro,Co,R1,C1,L1分别是压电陶瓷换能器的介电损耗电阻、静态电容、动态电阻、动态电容和动态电感。静
1态电阻器的串联支路。换能器的串联支路的谐振频率为：fs?。当励信
2?L1C1号的频率等于串联支路的谐振频率时，串联支路谐振，等效电路就成为图6．1(b)所示。再对压电换能器进行串 并联电路之间的等效变换，即可得到图6．1(c)中的Co,和R1,组成的串联部分。L为匹配网络中的匹配电感，如果取匹配电感
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1等，则由压电换能器和匹配 电感L组成的系统在石上谐振 2,?sCo对外呈现纯阻性，此时的等效电路为图5．1(d)。这时,电感L组成的系统在石
L=
上谐振，对外呈现纯阻性，此时的等效电路为图5．1(d)。这时,超声波电源与换能器之间只有功率的定向传递，而无能量的往复交换，调节超声波电源输出的激励信号的电压，即可使超声波换能器上的功率达到额定值。
这种匹配是在换能器静止条件下，通过测量换能器参数Co,C1,L1,R1的值，
1带入 匹配电感L?2,等公式进行的，所以称为静态匹配。这种确定匹配电感
?sCo的方法虽简单常用，但在实际使用时，却存在一些缺点：(1)为了确定匹配电感三的值，必须先测量换能器的参数岛，a，三I和Rl的值。这一方面使得设计工作量加大，另一方面，小信号下测量出来的换能器的参数的数值并不能完全代表大功率下换能器参数的实际值，在测量和计算之后，并不能使匹配达到最佳状态，仍然需要调试，削弱了计算意义。(2)在激励电压一定的条件下，换能器可以在正率点获得最大功率，但是对于串联匹配后的超声波换能器，其最大功率点并不在．石处，因此，选取．疋作为换能器工作频率的理由并不充分。(3)当换能器的频率发生漂移时，只有同时改变超声波电源输出的电信号频率和匹配电感L的电感值，才能使换能器的串联支路和匹配回路都重新谐振于新的串联谐振频率上。而通常的频率跟踪，都只能调节激励信号的频率，并不改变匹配电感值。这样，整个系统虽然恢复谐振，但是串联支路却并不谐振，图5．1的等效变换过程不再成立。 因此，这种理论不支持频率跟踪，这显然不够实用。
图6.2 换能器电抗与频率曲线图
为了获得最佳效率，除了使用静态频率来确定超声波换能器的中心工作频率
外，文中还在大功率条件下，动态的模拟了超声波换能器实际的工作状态，采用动态匹配的方法来研究匹配电感的电感量与换能器工作频率的关系。一般情况下，压电陶瓷换能器的基频电抗曲线如图5．2所示(图中纯为串联谐振角频率，
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绒为并联谐振角频率)。在如图5．3所示的串联匹配电路中，T21和122端连接逆变器输出变压器T的副边绕组，这个耦合振荡回路的初级由匹配电感k、初级回路损耗电阻凡和换能器静态电容c0组成，次级由C0和换能器动态电感Ll、
1动态电容Cl以及动态电阻尺I组成。可见，初级回路 的自然频率为?o?LoCo换能器加上匹配电路后，其振动特性曲线将发生变化，把换能器和匹配电感看作一个整体分析，可得到如图5-4所示的电抗曲线。
在大功率条件下，动态测试超声波换能器耦合频率的原理见图5—5。图中，匹配电感上0的电感量可以调节，电阻R为流过换能器电流的取样电阻。测量时，要保持功率放大器的输出电压不变，以一定步长调节信号发生器输出的方波信号频率，每调节到一个频率，就用示波器查看超声波换能器与匹配电感组成的匹配电路两端的电压波形以及流过换能器电流波形，通过示波器，可以知道此两个波形是否有相位差。当相位差为零时，系统处于谐振状态。
图6.3 匹配后耦合电路图
图6.4 匹配后电抗曲线图
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图6.5 换能器动态匹配测试实验图
在测量时，首先调节匹配电感Lo，设定好一个电感值，此电感值对应着一个
初级回路的自然频率?o。然后调节信号发生器，使得频率由小到大变化。观察双踪示波器，当电压波形和电流波形相位差为零时，匹配回路谐振。找到此电感值下匹配回路的所有谐振频率，这些频率即该缟下的耦合频率。记录此?o下的所有耦合频率后，调节匹配电感L的电感量，电感值对应着初级回路的另一个自然频率，同样在这个自然频率下，也会有数个谐振频率。用以上方法重复测量，得到一系列自然频率下的多个谐振频率。在测量的同时，要注意匹配电感岛和换能器的发热。以自然频率绋为横坐标，以耦合频率为纵坐标，描出所有耦合频率的点，连接后如图5-6所示。图中有三条曲线?1,?2,?3组成，由图5-6可知，对应于任何自然频率?o，都存在三个耦合频率，这就是说，耦合电感的取值并不是唯一的。不管L0取何值，都可以使耦合回路谐振。换能器的静态谐振频率?s，也是曲线上的一个点，所以不一定非要将超声波换能器的工作频率选定在它的静态谐振频率哆上。选定换能器工作频率的重要依据应该是系统的工作效率。系统在谐振时呈现纯阻性，当系统谐振点靠近以时，系统的工作效率较高；当系统谐振点远离缎时，系统的工作效率降低，电感和换能器发热较高且振动效果不好。无论匹配回路是工作在?1,?2还是工作在?3上，只要有足够的激励电压，换能器就能达到需要的振动强度，这说明换能器不是只能工作在一个特定的频率上，而是可以工作在一定的频率范围内。但是，在?1附近，只需较小的驱动功率，就能使得换能器达到需要的振动强度，说明在?1附近，换能器的效率较高：距?1远，需要的驱动功率大，换能器发热高，说明换能器效率差。在?3附近换能器的工作效率最高，需要的激励电压也高，同时电流波形也差。可以确定，对于换能器而言，靠近以附近的频率点，都是较好的工作频率点。动态匹配跟频率跟踪是相容的，因为从定义上讲，动态匹配与静态工作频率fs无 关。当在工作中，换能
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