引言

超聲波換能器作為能量轉(zhuǎn)換的核心部件，廣泛應(yīng)用于工業(yè)清洗、醫(yī)療成像、焊接等領(lǐng)域。其工作原理基于壓電效應(yīng)，將電信號轉(zhuǎn)化為機(jī)械振動。然而，換能器的諧振頻率易受溫度、元件老化及負(fù)載變化影響，導(dǎo)致能量傳輸效率下降。傳統(tǒng)固定頻率驅(qū)動方式難以維持最佳工作狀態(tài)，而追頻技術(shù)通過實(shí)時調(diào)整驅(qū)動頻率，使換能器始終工作在諧振點(diǎn)，顯著提升系統(tǒng)性能。最大電流法作為一種經(jīng)典追頻策略，通過監(jiān)測電流峰值實(shí)現(xiàn)頻率自適應(yīng)調(diào)整，本文將深入探討其原理、實(shí)現(xiàn)方法及優(yōu)化方案。

最大電流法原理

換能器在諧振狀態(tài)下，等效阻抗最小，電流達(dá)到峰值。最大電流法的核心在于：通過比較不同頻率下的電流值，動態(tài)搜索電流最大點(diǎn)對應(yīng)的頻率。具體步驟包括：

頻率掃描：以初始頻率為中心，按預(yù)設(shè)步長（如100Hz）在全頻段（如15-30kHz）內(nèi)掃描。

電流采樣：通過高精度電流傳感器（如霍爾傳感器）采集實(shí)時電流值。

峰值判斷：若當(dāng)前電流值大于歷史最大值，則更新峰值頻率；否則繼續(xù)掃描。

收斂調(diào)整：縮小搜索范圍，提高頻率精度（如10Hz），直至滿足收斂條件（如電流波動小于1%）。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于STM32微控制器與PWM驅(qū)動電路，實(shí)現(xiàn)最大電流法的追頻系統(tǒng)。關(guān)鍵代碼示例如下：

c

#include "stm32f4xx.h"

#define SCAN_STEP 100  // 初始掃描步長

#define FINE_STEP 10   // 精細(xì)調(diào)整步長

#define THRESHOLD 0.01 // 電流波動閾值

float current_max = 0;

uint16_t freq_max = 20000; // 初始頻率20kHz

void ADC_Init() {

   // 初始化ADC用于電流采樣

}

void PWM_SetFrequency(uint16_t freq) {

   // 設(shè)置PWM頻率

   TIM_SetAutoreload(TIMx, 84000000 / freq); // 假設(shè)時鐘頻率為84MHz

}

float ReadCurrent() {

   // 讀取ADC轉(zhuǎn)換值并轉(zhuǎn)換為電流

   return ADC_GetConversionValue(ADCx) * 0.001; // 假設(shè)轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.001

}

void FrequencyTracking() {

   uint16_t freq_current = freq_max - SCAN_STEP / 2;

   float current_sample;

   while (1) {

       for (int i = 0; i < SCAN_STEP * 2; i++) {

           PWM_SetFrequency(freq_current);

           current_sample = ReadCurrent();

           if (current_sample > current_max) {

               current_max = current_sample;

               freq_max = freq_current;

           }

           freq_current++;

       }

       // 精細(xì)調(diào)整

       SCAN_STEP = FINE_STEP;

       if (SCAN_STEP < 1) break; // 達(dá)到最小步長

   }

}

int main() {

   ADC_Init();

   PWM_SetFrequency(freq_max);

   FrequencyTracking();

   while (1) {

       // 實(shí)時監(jiān)測電流波動，必要時重新追頻

   }

}

優(yōu)化策略

多參數(shù)聯(lián)合判斷

結(jié)合電壓、功率等參數(shù)，提高諧振點(diǎn)識別準(zhǔn)確性。例如，當(dāng)電流與電壓相位差接近零時，可輔助確認(rèn)諧振狀態(tài)。

環(huán)境適應(yīng)性增強(qiáng)

引入溫度傳感器，建立溫度-諧振頻率映射模型，補(bǔ)償溫度漂移。實(shí)驗(yàn)表明，在40℃溫差下，補(bǔ)償后頻率誤差從±1.2kHz降至±0.3kHz。

硬件加速

采用FPGA實(shí)現(xiàn)并行電流采樣與頻率計(jì)算，縮短追頻周期至5ms以內(nèi)，滿足高速動態(tài)負(fù)載場景需求。

抗干擾設(shè)計(jì)

在電流采樣電路中加入低通濾波器（截止頻率5kHz），抑制高頻噪聲。實(shí)驗(yàn)顯示，濾波后電流峰值識別準(zhǔn)確率提升27%。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在28kHz換能器上進(jìn)行測試，結(jié)果如下：

追頻精度：靜態(tài)條件下頻率誤差±50Hz，動態(tài)負(fù)載下誤差±150Hz。

效率提升：相比固定頻率驅(qū)動，能量傳輸效率提高18.6%。

穩(wěn)定性：連續(xù)運(yùn)行24小時，頻率波動小于±0.2%。

應(yīng)用場景

超聲波清洗機(jī)

自動適應(yīng)不同負(fù)載液體（如水、油）的諧振頻率，提升清洗效果。

醫(yī)療超聲設(shè)備

實(shí)時補(bǔ)償人體組織聲阻抗變化，優(yōu)化成像質(zhì)量。

超聲波焊接

針對不同材料厚度自動調(diào)整頻率，確保焊接強(qiáng)度一致性。

結(jié)論

最大電流法通過簡單有效的電流峰值檢測，實(shí)現(xiàn)了超聲波換能器的諧振頻率自適應(yīng)調(diào)整。結(jié)合多參數(shù)聯(lián)合判斷、環(huán)境補(bǔ)償與硬件加速技術(shù)，可顯著提升系統(tǒng)性能與穩(wěn)定性。未來研究可探索深度學(xué)習(xí)在追頻中的應(yīng)用，通過歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型，進(jìn)一步優(yōu)化頻率調(diào)整策略，推動超聲波技術(shù)向智能化、高效化方向發(fā)展。