一種新型超聲發(fā)生器的設計方案

王榮

[摘? ? 要]提出了一種新型超聲發(fā)生器的設計方案，在傳統(tǒng)方案的基礎上添加電流環(huán)控制和一種改進的閉環(huán)控制算法，使壓電式超聲換能器（以下簡稱換能器）的振動幅度穩(wěn)定。該方案解決了傳統(tǒng)鎖相控制算法在電流反饋幅度較小時失效以及電流環(huán)和鎖相環(huán)的解耦等問題，提高了系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性。將變壓器的等效電感匹配網(wǎng)絡的設計中，提高了系統(tǒng)的聲電轉(zhuǎn)換效率。與傳統(tǒng)單一鎖相環(huán)相比，基于該超聲發(fā)生器的超聲焊接系統(tǒng)的振動幅度在響應的快速性和穩(wěn)定性上均有顯著提高。

[關鍵詞]超聲發(fā)生器;電流閉環(huán)控制;變壓器等效電感;阻抗匹配網(wǎng)絡

[中圖分類號]TB559 [文獻標志碼]A [文章編號]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

全自動金線鍵合機是芯片封測設備中技術(shù)要求最高的設備，它完成半導體芯片和支架之間的電氣連接，采用的工藝是熱壓超聲焊。半導體封裝的工藝流程要求超聲焊接設備具有振動頻率高、振動幅度穩(wěn)定且上升時間短等特點，這就需要采用與傳統(tǒng)大功率超聲焊接設備不同的設計思想，以便得到更好的頻率跟隨效果及更為穩(wěn)定的振動幅度。傳統(tǒng)頻率跟隨技術(shù)主要是以電流和電壓的相位差或單獨的電流作為頻率環(huán)的反饋量，由于沒有

電流閉環(huán)控制，當負載變化很大時，驅(qū)動電流也會產(chǎn)生較大的變化，導致振動幅度很不穩(wěn)定，影響焊接質(zhì)量。并且電流的相位信息也會變得不準確甚至完全消失，系統(tǒng)振動幅度的穩(wěn)定性和頻率跟隨的魯棒性都很差。另外，在設計阻抗匹配網(wǎng)絡時，沒有考慮到變壓器的等效電感，使得實際匹配網(wǎng)絡的性能遠低于理論值，系統(tǒng)聲電轉(zhuǎn)換效率較低。本文提出了一種基于DSP和直接數(shù)字頻率合成器（Directly Digital Synthesizer，DDS）的全數(shù)字超聲發(fā)生器（Ultra-Sonic Generator，USG），在傳統(tǒng)頻率跟蹤的基礎上增加了電流閉環(huán)控制功能，提高了系統(tǒng)頻率跟隨的魯棒性和振動幅度的穩(wěn)定性。另一方面通過對變壓器的模型進行的理論推導，得出等效電感的計算公式，據(jù)此設計的匹配網(wǎng)絡具有良好

的匹配效果。

1 系統(tǒng)概述

如圖1所示，本課題硬件包括5個模塊：微控制器模塊、信號發(fā)生模塊、功率放大模塊、匹配網(wǎng)絡模塊和反饋模塊。

微控制器模塊內(nèi)部的控制算法根據(jù)反饋模塊的反饋信號和控制目標，通過信號發(fā)生和功率放大模塊完成相位和電流的閉環(huán)控制。同時，微控制器模塊還完成執(zhí)行上位機的命令和向上位機發(fā)送狀態(tài)數(shù)據(jù)等任務。

信號發(fā)生模塊使用DDS代替?zhèn)鹘y(tǒng)的壓控振蕩器，具有頻率精準、穩(wěn)定性高、控制簡易等優(yōu)點。以程控運算放大器為核心的信號放大電路將DDS輸出的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，正弦波的幅值由DSP通過DAC控制，為實現(xiàn)電流閉環(huán)提供硬件支持。

如圖2所示，反饋模塊包括相位反饋和電流反饋兩部分，該模塊先通過比較器（集電極開路）將電壓和電流反饋轉(zhuǎn)換為DSP的邏輯電平（+3.3V），使用D觸發(fā)器和異或門得到相位差的方向和大小。電流反饋部分通過真有效值計算芯片將正弦波轉(zhuǎn)換為與其有效值成正比的直流信號，DSP通過ADC采樣該直流信號以便得到電流反饋的大小。

本課題軟件部分包括在PC機上運行的上位機軟件和在DSP上運行的嵌入式軟件兩部分。上位機軟件完成的主要工作包括：控制是否啟用鎖相環(huán)，根據(jù)工藝要求選擇不同的控制模式（電壓恒定模式、電流恒定模式和功率恒定模式），調(diào)試控制參數(shù)和實時采集數(shù)據(jù)并繪制數(shù)據(jù)曲線。DSP軟件的主要功能包括：初始化外圍設備、運行控制算法、接收和執(zhí)行上位機的命令、反饋內(nèi)部數(shù)據(jù)和完成在指定頻率范圍內(nèi)的搜索換能器共振頻率。

2 阻抗匹配網(wǎng)絡

目前普遍采用的阻抗匹配網(wǎng)絡方案是變壓器與電感配合使用。對于圖3所示的變壓器等效電路模型有如下等式：

（1）

其中，和分別為原副邊線圈匝數(shù);為磁路的磁通量;Rm為磁路的磁阻。對于理想變壓器的磁路磁導率是無窮大的，即磁路的磁阻Rm=0，此時原邊線圈的等效阻抗，這就是傳統(tǒng)匹配方案通過變壓器實現(xiàn)變阻功能的理論依據(jù)。

對于非理想的變壓器（圖3），Rm≠0，則可得：

根據(jù)電路圖可以得到。但是，原邊電路的負載是Lm1和的并聯(lián)阻抗，所以只是根據(jù)原副邊匝數(shù)比設計阻抗匹配的方式存在很大的誤差。另外，在阻抗匹配設計中沒有考慮變壓器線圈等效電感的做法在很大程度上降低了阻抗匹配網(wǎng)絡工作性能。

加入匹配電感后的換能器等效電路如圖4所示。流入換能器機械臂的電流ir與驅(qū)動電流i之間的關系為：

在共振狀態(tài)時，換能器工作的振動幅度為：

（5）

由式（4）和式（5）可得：

（6）

從式（6）可以得出，在共振狀態(tài)時，換能器的振動幅度與進入阻抗匹配網(wǎng)絡電流的有效值成正比，匹配程度越高，比例系數(shù)越大，系統(tǒng)電聲轉(zhuǎn)換效率越高。存在一個匹配電感，它與靜態(tài)電容完全匹配。這時，驅(qū)動電流產(chǎn)生的電能完全轉(zhuǎn)換為換能器振動的機械能，系統(tǒng)效率最高。在實驗中，通過激光測振儀測量不同匹配電感值對應的驅(qū)動器電流和換能器振動幅度之間的比例系數(shù)，驗證本節(jié)對匹配電感的公式推導的正確性，如圖5所示。

3 控制算法的軟件實現(xiàn)

由于超聲換能系統(tǒng)的特性，換能器的固有諧振頻率與焊接負載、環(huán)境溫度和濕度等因素相關?？刂扑惴☉撃軙r刻跟蹤換能器固有諧振頻率的變化，使得換能器始終工作在諧振狀態(tài)，以獲得最大的電能到機械能的轉(zhuǎn)換效率。如果頻率跟蹤功能不完善，會導致焊接不良，換能器發(fā)熱嚴重，甚至對換能器造成不可逆轉(zhuǎn)的損害。

因為不同驅(qū)動信號頻率對應的換能器阻抗值不一樣，導致同樣的電壓下，電流值不同，即電流環(huán)和鎖相環(huán)存在耦合。

為了解決上述兩個問題，控制算法軟件的工作主要包括：頻率掃描、頻率跟蹤和電流環(huán)PID控制算法。為了獲得高效穩(wěn)定的控制效果，本文提出了如圖6所示的改進型控制算法。頻率掃描在用戶指定的頻率范圍內(nèi)（可以通過上位機軟件設定），以一定的步長由小到大不斷增加輸出驅(qū)動信號的頻率，同時不斷采集反饋電壓和電流的相位信息。當反饋電壓和電流的相位差為0時，記錄此時的驅(qū)動信號頻率值，并將該值作為鎖相環(huán)控制算法調(diào)整時的中心頻率。

如果反饋電流信號太小，會導致相位差反饋信號變得不穩(wěn)定，所以需要根據(jù)實際情況設定一個閾值。只有反饋電流大于該閾值時，才將此時的相位差信號作為鎖相環(huán)的反饋輸入，并啟動鎖相環(huán)算法的運行。如果小于該閾值，則不能啟動鎖相環(huán)算法運行，以掃頻時確定的中心頻率輸出驅(qū)動信號，同時加大輸出電壓。

由于電流環(huán)和鎖相環(huán)存在耦合，并且鎖相環(huán)的調(diào)整會改變換能器等效阻抗，所以需要確保鎖相環(huán)控制算法進入調(diào)整誤差帶后再進行電流環(huán)控制算法的調(diào)整。這樣就可以保證電流環(huán)和鎖相環(huán)始終工作在高效穩(wěn)定的狀態(tài)。

4 實驗結(jié)果及分析

最優(yōu)匹配電感實驗利用激光測振系統(tǒng)觀察在不同匹配電感條件下，驅(qū)動電流和換能器末端振動幅度之間的關系，實驗系統(tǒng)框圖如圖7所示。

在本實驗中，電感6到電感1的電感值不斷增大，如圖8所示，換能器振動幅度和驅(qū)動電流始終保持正比關系。但是，它們的比例系數(shù)隨著電感值的增大，比例系數(shù)先是不斷變大，然后不斷變小。因此，應該選擇電感值小于電感2并且大于電感3的電感作為匹配電感。

電流環(huán)控制性能測試實驗通過上位機和DSP軟件完成電流有效值的采集工作，電流環(huán)控制性能如圖9所示。可以看到電流環(huán)穩(wěn)定時間小于3 ms，穩(wěn)態(tài)誤差為5 mA，無超調(diào)。另外，電流有效值曲線中有一個小的階躍，那是鎖相環(huán)正在調(diào)整，電流環(huán)暫時停止控制所造成的。

5 結(jié)束語

提出了一種基于DSP和DDS的全數(shù)字超聲發(fā)生器，它不但有DSP帶來的可與模擬系統(tǒng)比擬的高速性和控制算法的靈活性，而且有DDS帶來的高于模擬系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。在傳統(tǒng)的鎖相環(huán)基礎上增加了電流閉環(huán)控制功能和改進的控制算法，提高了系統(tǒng)頻率跟隨的魯棒性和振動幅度的穩(wěn)定性。將變壓器等效阻抗考慮在內(nèi)的阻抗匹配網(wǎng)絡也使得系統(tǒng)的電聲轉(zhuǎn)換效率有較大的提高。

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