一种磁致伸缩换能器谐振频率自动追踪装置的制作方法

1.本发明设计了一种频率自动跟踪的装置，特别是涉及一种高频磁致伸缩换能器谐振频率自动追踪装置。该装置由机械信号采集模块、电信号采集模块、反馈模块、dsp控制模块、驱动电路模块以及逆变电路模块等部分构成，使换能器能够工作在谐振频率，以达到最佳的工作状态。


背景技术：

2.磁致伸缩换能器是利用磁致伸缩效应将电能转换为机械能的装置，在水声、超声以及精密控制等领域有着广泛的应用。
3.磁致伸缩换能器的功率、振幅、加速度等输出特性会受到驱动电源的影响。近年来对于磁致伸缩换能器结构设计的研究已经趋于成熟，但驱动电源的研究处于初步阶段，严重影响了换能器的实际使用。
4.为了提高磁致伸缩换能器的功率、振幅、加速度等输出特性，须使驱动电源能够跟踪换能器的谐振频率。在外界条件(温度、负载等)发生变化时换能器的谐振频率会发生漂移，导致换能器不能稳定高效工作。为使得换能器能够具有更优的工作性能，智能化的驱动电源对于换能器是十分必要的。目前，对于谐振频率的跟踪方法主要为基于换能器前端信号的动态跟踪与静态跟踪。
5.谐振频率静态跟踪原理是通过对换能器的加速度、阻抗值等进行一系列的测量寻找换能器的谐振频率。通过谐振频率的寻找使换能器工作在谐振频率从而提高换能器的工作效率和输出性能，此方法简单有效。但换能器工作过程中，由于环境温度、负载等的变化会引起换能器谐振频率发生漂移，导致换能器的输出性能下降。
6.谐振频率动态跟踪是通过对换能器的前端信号采集、判断追踪换能器的谐振频率，比如电压电流的相角差，最大电流法等。例如在文献超声波电源的改进频率跟踪方法(doi:10.13234/j.issn.2095-2805.2019.1.152)中通过电信号采集模块采集换能器输入电压、电流信号，信号经过反馈模块中的过零比较器转换为方波，并将方波进行异或后得到电压和电流相位关系来逐步改变电源的频率，当电压和电流同相位时达到谐振频率的跟踪目的。最大电流法是根据换能器可以等效为电阻与电感的串联，当电源的频率使匹配电容与换能器电感发生谐振时最大电流，从而达到追踪谐振频率的目的。在文献基于dsp的超磁致伸缩换能器驱动电源设计(doi:10.14022/j.cnki.dzsjgc.2012.12.026)中通过电信号采集模块采集换能器的输入电流，并将经过反馈模块处理过的电流输入dsp控制芯片中，通过比较电流的大小逐步改变驱动频率，当电流达到最大值时即为谐振频率。上述方法可以在换能器工作时根据情况在线实时改变驱动频率，但传统固定步长的频率追踪方式只能满足调节速度快或者追踪精度高、只基于前端信号跟踪谐振频率必须有合适的匹配电容使换能器的电谐振频率等于机械共振频率才能追踪到换能器最佳工作的频率值。
7.针对上述频率追踪速度与精度的矛盾、匹配电容必须匹配等问题，本发明提供了一种调节速度快、范围广、精度高的磁致伸缩换能器谐振频率自动追踪装置及其实现方法。
该装置采用电信号和机械信号的双反馈信号的方法并结合频率二分法使追踪的精度更高、速度更快，有效避免了匹配电容引起的频率追踪误差。


技术实现要素：

8.本发明的目的为针对当前技术中存在的不足，提供一种磁致伸缩换能器谐振频率自动追踪装置。该装置在目前由电信号采集模块、反馈模块、dsp控制模块、驱动电路模块以及逆变电路模块等部分构成的追踪装置的基础上增加了用于采集加速度信息的加速度传感器、信号调理器以及峰值保持器组成的机械信号采集模块。其中电信号采集模块采用高精度的采样电阻实现对电信号的采集，机械信号采集模块采用高精度加速度传感器对磁致伸缩换能器加速度进行采集，并经过后续的反馈模块进行处理；dsp控制模块对近三次经过反馈模块处理的信号进行判断采用二分法的思想对驱动频率进行二分、增加、减小；dsp控制模块的pwm输出通过驱动电路控制逆变电路的mosfet的开关频率，达到追踪谐振频率的目的。当工作的环境温度和负载变化引起换能器谐振频率漂移时，换能器谐振频率追踪装置可以快速、准确地跟踪换能器的谐振频率使换能器持续稳定地工作在谐振状态，显著提高换能器工作效率和工作性能。
9.本发明的技术方案为：
10.一种磁致伸缩换能器谐振频率自动追踪装置，该装置的组成包括由电信号采集模块、机械信号采集模块、反馈模块、dsp控制模块、逆变电路模块、驱动电路模块和匹配电路；
11.其中，逆变电路模块分别与驱动电路、电信号采集模块相连，匹配电路、机械信号采集模块分别和磁致伸缩换能器相连；电信号采集模块、机械信号采集模块分别和反馈模块相连，反馈模块还通过dsp控制模块与驱动电路相连；逆变电路与直流电源相连，dsp控制模块与pc机相连；
12.所述的电信号采集模块包括六个精密的采样电阻：电阻r
31
、电阻r
32
、电阻r
33
、电阻r
34
、电阻r
35
、电阻r
36
；其中，电阻r
31
、电阻r
32
、电阻r
33
三个电阻依次串联，电阻r
31
、电阻r
32
一端的连接点为c点，电阻r
32
、电阻r
33
一端的连接点为d点，电阻r
31
的另一端连接逆变电路模块的a端，电阻r
33
的另一端连接逆变电路模块的b端；电阻r
34
、电阻r
35
、电阻r
36
三个电阻为串联关系，电阻r
34
、电阻r
35
一端的连接点为e点，电阻r
35
、电阻r
36
一端的连接点为f点，电阻r
34
的另一端连接逆变电路模块的b端，电阻r
36
另一端连接匹配电路的n端；电压的采集点v1点连接c点、v2点连接d点，电流的采集点i1点连接e点、i2点连接f点；采集点v1、v2、i1以及i2连接到反馈模块中相角检测电路的输入端；
13.所述的机械信号采集模块包括加速度传感器和信号调理器，二者相连；
14.所述的反馈模块包括机械信号峰值保持电路和电信号相角检测电路；
15.所述的机械信号峰值保持电路包括差分放大器和电压峰值保持电路；
16.所述的dsp控制模块为dsp处理器芯片；
17.所述的匹配电路为cbb电容。
18.一种磁致伸缩换能器谐振频率自动追踪方法，该方法包括如下步骤：
19.第一步，装置上电，pc机向dsp控制模块输入换能器追踪谐振频率的初始值ω0，接着执行第二步；
20.第二步，dsp控制模块利用第一步中输入的ω0计算ω1、ω2、ω3，并初始化相关变
量n、k、x和y；接着执行第三步；
21.其中，ω1＝ω
0-100,ω2＝ω0,ω3＝ω0 100,n＝1,k＝0,x＝y＝100；ω0为dsp控制模块设置的逆变电路的初始频率，ω1、ω2、ω3分别为三次测量加速度时的逆变电路模块的逆变频率；n为测量换能器输出加速度的次数，k是换能器谐振频率值是否处在区间(ω1，ω3)之间的标识，x为dsp控制模块增大逆变频率趋近谐振频率时的递增步长，y为dsp控制模块减小逆变频率趋近谐振频率时的递减步长；
22.第三步，dsp控制模块通过驱动电路来设定逆变电路模块的逆变频率ω＝ωn延迟10ms，再通过机械信号采集模块中的加速度传感器采集换能器输出加速度大小，连接加速度传感器的信号调理器将加速度传感器输出的加速度信号转化为电压信号的形式，最后通过反馈模块的机械信号峰值保持电路采集信号调理器输出电压峰值即换能器输出的加速度峰值α，执行第四步；
23.其中，ω为当前逆变电路模块的逆变频率，α为反馈模块输出的换能器加速度的峰值；
24.第四步，dsp控制模块保存第三步采集到的加速度信息αn＝α到dsp芯片中，并更新n＝n 1，判断n≤3是否成立；成立则返回第三步，否则执行第五步；
25.其中，αn为近三次经过反馈模块处理后的换能器加速度峰值，n用于区分第几次测量的加速度信息，n分别可以为1、2、3；
26.第五步，dsp控制模块判断保存的数据α2≥α1是否成立，成立执行第六步，否则执行第九步；
27.第六步，dsp控制模块判断保存的数据α2≥α3是否成立，成立执行第七步，否则执行第十一步；
28.第七步，dsp控制模块重新计算频率ω1、ω3、递增步长x，递减步长y，并设置变量n和k；计算新的逆变频率ω1、ω3、递增步长x，递减步长y，并将变量n、k置1后接着执行第八步；
29.其中，
30.第八步，dsp控制模块通过驱动电路来调整逆变电路模块的驱动频率ω＝ωn，延迟10ms后，通过机械信号采集模块和反馈模块的机械信号峰值保持电路采集加速度峰值α；将新采集得到的加速度信息保存到dsp控制模块αn＝α，更新n＝n 2；判断n≤3是否成立，成立重复执行第八步，否则执行第十五步；
31.第九步，dsp控制模块判断α2≥α3是否成立，成立执行第十三步，否则执行第十步；
32.第十步，dsp控制模块调整逆变电路的驱动频率ω＝ω2，延迟10ms后通过电信号采集模块和反馈模块的电信号相位检测电路采集逆变电路输出电压电流相位关系q；判断q＝0是否成立，成立则执行第十二步，否则执行第十四步；
33.其中q为逆变电路模块输出的电压电流的相位关系，反馈模块将电信号采集模块采集的电压电流进行处理最后输出电压电流的相位关系q；
34.第十一步，dsp控制模块判断k＝1是否成立，成立则令即递增步长减小为原来的一半从而达到提高追踪的精度的目的，然后执行第十二步；否则直接执行第十二步；
35.第十二步，计算并更新dsp控制模块中储存的加速度信息ω1、ω2、ω3；其中，ω1＝ω2,α1＝α2,ω2＝ω3,α2＝α3,ω3＝ω3 x；更新结束后dsp控制模块通过驱动电路调整逆变电路的逆变频率ω＝ω3，延迟10ms后，通过机械信号采集模块中的加速度传感器采集换能器输出加速度大小，连接加速度传感器的信号调理器将加速度传感器输出的加速度信号转化为电压信号的形式，最后通过反馈模块的机械信号峰值保持电路采集信号调理器输出电压峰值即换能器输出的加速度峰值α，然后更新dsp控制模块中的α3＝α；执行第十五步；
36.第十三步，dsp控制模块判断k＝1是否成立，成立则令即递减步长减小为原来的一半提高追踪的精度，然后执行第十四步，否则直接执行十四步；
37.第十四步，计算并更新dsp控制模块中储存的加速度信息ω1、ω2、ω3；其中，ω2＝ω1,α2＝α1,ω3＝ω2,α3＝α2,ω1＝ω
1-y，计算结束后dsp控制模块通过驱动电路调整逆变电路的逆变频率ω＝ω1，延迟10ms后，通过机械信号采集模块中的加速度传感器采集换能器输出加速度大小，连接加速度传感器的信号调理器将加速度传感器输出的加速度信号转化为电压信号的形式，最后通过反馈模块的机械信号峰值保持电路采集信号调理器输出电压峰值即换能器输出的加速度峰值α，然后更新dsp控制模块中的α1＝α；执行第十五步；
38.第十五步，dsp控制模块判断ω
3-ω1≥10是否成立，成立则执行第五步，否则执行第十六步；
39.第十六步，输出电源最终追踪到的磁致伸缩换能器的谐振频率ω＝ω2并结束。
40.本发明的实质性特点为：
41.当前的磁致伸缩换能器谐振频率自动追踪装置，其组成主要包括采集换能器输入电压电流的电信号采集模块、反馈模块、dsp控制模块、驱动电路模块和逆变电路模块。由于换能器阻抗特性受外界条件的影响的原因(驱动电源频率与磁致伸缩换能器的机械共振频率相近时换能器的加速度是最大的。)，当外界条件变化时，换能器的电谐振频率势必会与机械共振频率发生偏差，此时基于换能器电压电流等前端信号追踪频率的方法追踪到的是电谐振频率并非换能器的机械共振频率，造成追踪失败。
42.本装置增加了加速度传感器、信号调理器以及峰值保持器等器件采集换能器的输出加速度作为机械反馈信号并配合传统的电信号反馈直接追踪换能器的机械共振频率更加有效、准确，同时采用二分法原理在频率追踪过程中逐步减小追踪步长比传统扫频追踪的方法更加快速。
43.在方法上将以往根据换能器输入电压电流的相角关系对频率采用二分法改进为根据近三次直接采集的换能器输出加速度大小作为反馈信号对频率采用二分法，这样可以提高追踪换能器谐振频率的速度和精度，从而实现磁致伸缩换能器谐振频率的自动追踪。
44.本发明的有益效果为：
45.1.该磁致伸缩换能器谐振频率自动追踪装置的追踪精度高最高可以达到
±
10hz，追踪频率可达15khz以上，匹配速度可达到毫秒级。
46.2.该谐振频率自动追踪装置采用机械信号采集模块采用加速度传感器对换能器的输出加速度进行实时采集并结合传统的电信号采集的方法对换能器的输入电压、电流进行实时采集；采集的信号经过反馈模块对电压电流的相角关系判断以及对换能器输出加速度的峰值采集处理后反馈到dsp控制模块，dsp控制模块依照程序采用二分法逐步改变pwm
的频率来趋近换能器的谐振频率，通过驱动电路模块对逆变电路的开关器件mosfet进行控制，完成对磁致伸缩换能器谐振频率的追踪。
47.3.该谐振频率自动追踪装置采用机械信号采集装置采集换能器的加速度作为机械信号反馈信息并结合电信号反馈两种反馈方式，避免了温度、负载等外界条件变化时电谐振频率与机械共振频率发生偏差造成追踪失败的可能性。
48.4.该谐振频率自动追踪装置利用了二分法的思想。在追踪至谐振频率附近时，逐步二分追踪步长，可有效缩短近20％的追踪时间，一定程度上解决了追踪速度快与追踪精度高之间的矛盾。
49.5.该谐振频率追踪装置中的逆变电路输出的电压波形为方波，电流波形为正弦波，在经过频率追踪后电压与电流的相位差为零、换能器的加速度达到最大值比追踪前提高了近50％。dsp处理器的运算速度更快，高频控制的情况下dsp控制芯片的使用比单片机更具有优势。
50.6.该谐振频率自动追踪装置结构简单、价格较低，性能稳定，在保证追踪频率的速度以及精度的同时尽可能地降低了成本。由于工作温度、负载以及自身因素造成换能器谐振频率漂移追踪时，该装置可使换能器稳定工作在谐振状态下。磁致伸缩换能器的输出功率、加速度、振幅等性能受驱动电源的频率的影响，通过对谐振频率的追踪可以让换能器工作在谐振频率从而提高换能器的工作效率以及输出性能，使换能器在水声、超声以及精密控制等领域得到广泛应用。
附图说明
51.图1是传统的换能器谐振频率自动追踪装置结构框图。
52.图2是换能器谐振频率自动追踪装置结构框图。
53.图3是电信号、机械信号的采集模块示意图。
54.图4是反馈模块的机械信号峰值保持电路结构图。
55.图5是反馈模块的电信号相角检测电路结构图。
56.图6是换能器谐振频率自动追踪装置的控制流程图。其中q为电压电流的相位关系，α为换能器的加速度峰值。
57.图7是逆变电路模块和驱动模块的结构图。
58.图8是换能器加速度随频率变化曲线。
59.图9是磁致伸缩换能器频率追踪前后加速度对比图。
60.具体的实施方法
61.下面结合附图中的配图对本发明进行详细讲解，但对本发明不产生任何的限制。
62.图1所示为传统的磁致伸缩换能器谐振频率自动追踪装置结构框图，传统频率追踪装置由单一的电信号采集模块采集换能器的输入电压、电流作为反馈信号，此外还包括反馈模块、dsp控制模块、逆变电路模块和驱动电路模块。
63.图2所示为本发明所述的磁致伸缩换能器谐振频率自动追踪装置的结构框图，该装置的组成包括由电信号采集模块、机械信号采集模块、反馈模块、dsp控制模块、逆变电路模块、驱动电路模块和匹配电路，相比于传统频率追踪装置增加了采集换能器输出加速度的机械信号采集模块。
64.其中，逆变电路模块分别与驱动电路、电信号采集模块相连，匹配电路、机械信号采集模块分别和磁致伸缩换能器相连；电信号采集模块、机械信号采集模块分别和反馈模块相连，反馈模块还通过dsp控制模块与驱动电路相连；逆变电路与直流电源相连，dsp控制模块与pc机相连；
65.逆变电路的输入端连接直流电源的输出端；电信号采集模块连接在逆变电路模块与换能器匹配电路之间、输出端连接在反馈模块的输入端；机械信号采集模块的输入端连接在换能器的输出端、输出端连接在反馈模块的输入端；反馈模块的输出端连接dsp控制模块的输入端，同时pc机也连接在dsp控制模块上；dsp控制模块的输出端连接在驱动电路的输入端；驱动电路连接逆变电路的控制端用于控制逆变电路中mosfet的开关频率。
66.在换能器谐振频率自动追踪装置中，电信号采集模块用于采集换能器实时工作的电压以及电流数据；机械信号采集模块用于采集换能器实时输出加速度数据；匹配电路将换能器的电谐振频率调整到机械共振频率附近；反馈模块用于将电信号采集模块和机械信号采集模块采集的信号进行放大、判断换能器的实时工作电压和电流的相角超前滞后的关系以及对机械信号采集模块采集到的加速度数据进行峰值采集；dsp控制模块将根据基于控制流程图的程序进行对换能器谐振频率的跟踪，对换能器驱动电源进行在线控制；驱动电路模块用于将dsp控制模块输出的pwm信号进行放大以及根据pwm信号对逆变电路的mosfet进行控制，实现频率追踪的目的。
67.图3所示为电信号采集模块31以及机械信号采集模块32的示意图，电信号采集模块包括六个精密的采样电阻：电阻r
31
、电阻r
32
、电阻r
33
、电阻r
34
、电阻r
35
、电阻r
36
；其连接关系：电阻r
31
、电阻r
32
、电阻r
33
三个电阻为串联关系，电阻r
31
、电阻r
32
一端的连接点为c点，电阻r
32
、电阻r
33
一端的连接点为d点，电阻r
31
另一端连接逆变电路模块的a端，电阻r
33
的另一端连接逆变电路模块的b端；电阻r
34
、电阻r
35
、电阻r
36
三个电阻为串联关系，电阻r
34
、电阻r
35
一端的连接点为e点，电阻r
35
、电阻r
36
一端的连接点为f点，电阻r
34
的另一端连接逆变电路模块的b端，电阻r
36
另一端连接匹配电路的n端；电压的采集点v1点连接c点、v2点连接d点，电流的采集点i1点连接e点、i2点连接f点；采集点v1、v2、i1以及i2连接到反馈模块中相角检测电路的输入端；
68.所述的机械信号采集模块包括加速度传感器和信号调理器，二者相连；信号调理器的输出端连接反馈模块的机械信号峰值保持电路，加速度传感器连接换能器的输出杆；采用加速度传感器采集换能器的输出加速度，传感器的输出端连接在信号调理器输入端，信号调理器将传感器测量的加速度信号转换成电压信号。
69.其中电信号采集模块使用的采样电阻是rx70-3w型精密线绕电阻。该类型电阻的稳定性高最高工作电压可以达1kv、阻值稳定温度系数为
±
5～
±
25
×
10-6
/℃、精度高可达
±
1％、绝缘耐潮、绝缘电压可达1400v等特点，其中电阻r
31
和电阻r
33
的阻值为80kω，两个电阻起到分压的作用保护后续的采集电路以及减小电压采样电路的电流；r
32
电阻的阻值为1kω，r
32
电阻作用是采集电源供给换能器电压；r
34
、r
35
、r
36
电阻的阻值为1ω，电阻r
35
的作用是采集流过换能器的电流，精密的采样电阻可以避免采用其他芯片时产生的相角偏移，电阻值为1ω时流过电阻的电流等于电阻两端的电压，电阻r
34
、r
36
起到隔离作用避免反馈模块直接连接匹配电路和逆变电路模块。机械信号采集模块的高精度加速度传感器型号为东华1a802e，该传感器的测量频率可达到20khz以上，灵敏度为0.4803mv/m/s2；信号调理器
型号为m33，该信号调理器的频率最高可达30khz。
70.所述的反馈模块包括图4机械信号峰值保持电路、图5电信号相角检测电路两部分。相角检测电路是对电信号采集电路采集到的电信号进行处理，机械信号峰值保持电路是对机械信号采集电路采集到的加速度信号进行处理。
71.图4所示为反馈模块的机械信号峰值保持电路部分，该部分包括差分放大器41、电压峰值保持电路42。差分放大电路由lm324芯片和电阻组成，输入端连接信号调理器的输出端α1、α2，调整信号调理器输出电压。电压峰值保持电路由两个ths4011cd芯片、两个二极管、一个电容以及若干电阻组成，该电路处理信号调理器输出的交流信号，输出电压电平为输入交流电压的峰值。差分放大电路41的输出端连接电压峰值保持电路的输入端，将经过处理的信号输入电压峰值保持电路中。电压峰值保持器的输出α连接dsp控制模块的输入端。
72.差分放大器中的lm324芯片是4路结构相同且相互独立的运放器，该芯片具有工作电压低、带宽较宽、工作温度范围为0～70℃，偏置电流小等优点。电压峰值保持电路的ths4011cd芯片具有工作温度的范围为-40～85℃，对电源电压的要求较低、功耗小等优点。
73.图5所示为电信号采集模块输出电压的相角检测电路，相角检测电路用于判断电压与电流超前滞后关系。相角检测电路由两个差分放大器51、52，两个过零比较器53、54、一个d触发器和一个降压电路组成。该部分的差分放大器51、52与机械信号峰值保持器中差分放大器41相似，用于改变电压、电流信号的大小；过零比较器由lm393ad以及一个电阻组成，它的输入端连接差分放大器的输出端将差分放大器的输出信号转换为同频的方波信号；d触发器采用74ls74芯片，它的d端口、clk端口分别连接过零比较器51、52的输出端，将电流电压的相角超前或滞后的关系转换为高低电平。因为dsp控制模块的adc采样幅值最大为3v，所以需要降压电路将d触发器输出的5v高电平降低为3v。
74.过零比较器中的lm393芯片是双电压比较器，工作的温度范围广可在0～70℃之间工作，工作电源的电压范围广且输入失调电压小。该芯片有两个输入和两个输出，当输入端的的电压低于基准电压时输出高电平，否则输出低电平。在d触发器74ls74芯片中，该芯片有两个独立的d触发器，该触发器是上升沿触发。根据d端口输入的电平高低以及clk端口输入的上升沿或下降沿判断电压、电流的相位关系。上述反馈模块中的lm324芯片、ths4011cd芯片、lm393芯片以及74ls74芯片价格低廉、质量可靠、大小合适便于后期集成且市场都有供应符合设计要求。
75.图6为换能器谐振频率自动追踪装置的控制流程图，根据流程图所示换能器谐振频率自动追踪的具体步骤如下：
76.第一步，装置上电，pc机向dsp控制模块输入换能器追踪谐振频率的初始值ω0，接着执行第二步；
77.第二步，dsp控制模块利用第一步中输入的ω0计算ω1、ω2、ω3，并初始化相关变量n、k、x和y；接着执行第三步；
78.其中，ω1＝ω
0-100,ω2＝ω0,ω3＝ω0 100,n＝1,k＝0,x＝y＝100；ω0为dsp控制模块设置的逆变电路的初始频率，ω1、ω2、ω3分别为三次测量加速度时的逆变电路模块的逆变频率；n为测量换能器输出加速度的次数，k是换能器谐振频率值是否处在区间(ω1，ω3)之间的标识，x为dsp控制模块增大逆变频率趋近谐振频率时的递增步长，y为dsp控制模块减小逆变频率趋近谐振频率时的递减步长；
79.n用于区分每次测量的加速度并起到计数功能；k用于控制dsp控制模块趋近谐振频率步长，当换能器谐振频率值处在区间(ω1，ω3)之间时k为1否则为0。
80.第三步，dsp控制模块通过驱动电路来设定逆变电路模块的逆变频率ω＝ωn延迟10ms，再通过机械信号采集模块中的加速度传感器采集换能器输出加速度大小，连接加速度传感器的信号调理器将加速度传感器输出的加速度信号转化为电压信号的形式，最后通过反馈模块的机械信号峰值保持电路采集信号调理器输出电压峰值即换能器输出的加速度峰值α，执行第四步；
81.其中，ω为当前逆变电路模块的逆变频率，α为反馈模块输出的换能器加速度的峰值；
82.第四步，dsp控制模块保存第三步采集到的加速度信息αn＝α到dsp芯片中，并更新n＝n 1，判断n≤3是否成立；成立则返回第三步，否则执行第五步；
83.其中，αn为近三次经过反馈模块处理后的换能器加速度峰值，n用于区分第几次测量的加速度信息，n分别可以为1、2、3；
84.返回第三步的目的是采集逆变电路频率分别为ω1、ω2、ω3时换能器的输出加速度，但每执行一次第三步只能测一个频率下的加速度，所以第三步需要重复执行三次才能测得ω1、ω2、ω3三个频率下的加速度大小。执行第五步的意义是判断频率为ω1、ω2时换能器输出加速度的大小关系。
85.第五步，dsp控制模块判断保存的数据α2≥α1是否成立，成立执行第六步，否则执行第九步；
86.执行第六步和第九步的目的是判断频率为ω2、ω3时换能器输出加速度的大小关系，并结合第五步判断换能器在频率为ω1、ω2时的加速度大小关系可以得到ω1、ω2、ω3三个频率与换能器谐振频率的大小关系。α2≥α1成立意味着谐振频率大于ω1，不成立则意味着谐振频率小于ω2。
87.第六步，dsp控制模块判断保存的数据α2≥α3是否成立，成立执行第七步，否则执行第十一步；
88.执行第七步的目的是计算新的频率ω1、ω3，减小换能器谐振频率的追踪区间的大小，将变量n、k置1，用于控制后续步骤中的递增步长和递减步长减半。执行第十一步的目的是判断变量k的值是否为1，根据判断结果决定递增步长是否减半。α2≥α3成立意味着谐振频率小于ω3，不成立则意味着谐振频率大于ω2。
89.第七步，dsp控制模块重新计算频率ω1、ω3、递增步长x，递减步长y，并设置变量n和k；计算新的逆变频率ω1、ω3、递增步长x，递减步长y，并将变量n、k置1后接着执行第八步；
90.其中，n为测量换能器输出加速度的次数，k是换能器谐振频率是否处在区间(ω1，ω3)之间的标识。
91.第八步，dsp控制模块通过驱动电路来调整逆变电路模块的驱动频率ω＝ωn，延迟10ms后，通过机械信号采集模块和反馈模块的机械信号峰值保持电路采集加速度峰值α；将新采集得到的加速度信息保存到dsp控制模块αn＝α，更新n＝n 2；判断n≤3是否成立，成立重复执行第八步，否则执行第十五步；
92.重复执行第八步骤的意义是采集逆变电路频率分别为ω1、ω3时换能器的输出加速度，但每执行一次第八步只能测一个频率下的加速度，所以第八步需要执行两次才能测得ω1、ω3两个频率下的加速度大小。执行第十五步的意义是判断区间(ω1，ω3)长度是否满足追踪谐振频率的精度，决定是否输出追踪到的谐振频率。
93.第九步，dsp控制模块判断α2≥α3是否成立，成立执行第十三步，否则执行第十步；
94.执行第十步的目的是根据逆变频率为ω2时逆变电路输出的电压、电流之间的相角关系q判断ω2与谐振频率的大小关系。执行第十三步的目的是判断变量k的值，根据判断结果决定递减步长是否减半。α2≥α3成立意味着谐振频率小于ω3，不成立则意味着谐振频率大于ω2。
95.第十步，dsp控制模块调整逆变电路的驱动频率ω＝ω2，延迟10ms后通过电信号采集模块和反馈模块的电信号相位检测电路采集逆变电路输出电压电流相位关系q；判断q＝0是否成立，成立则执行第十二步，否则执行第十四步；
96.其中q为逆变电路模块输出的电压电流的相位关系，反馈模块将电信号采集模块采集的电压电流进行处理最后输出电压电流的相位关系q。
97.执行第十二步的目的是计算增大逆变频率后新的逆变频率ω1、ω2、ω3，并采集在新的逆变频率ω3下换能器的输出加速度的峰值；执行第十四步的目的是计算减小逆变频率后新的逆变频率ω1、ω2、ω3，并采集在新的逆变频率ω1下换能器的输出加速度的峰值。当q＝0成立时意味着ω2小于谐振频率此时电压滞后电流，否则意味着ω2大于谐振频率此时电压超前电流。
98.第十一步，dsp控制模块判断k＝1是否成立，成立则令即递增步长减小为原来的一半从而达到提高追踪的精度的目的，然后执行第十二步；否则直接执行第十二步；
99.第十二步，计算并更新dsp控制模块中储存的加速度信息ω1、ω2、ω3；其中，ω1＝ω2,α1＝α2,ω2＝ω3,α2＝α3,ω3＝ω3 x；更新结束后dsp控制模块通过驱动电路调整逆变电路的逆变频率ω＝ω3，延迟10ms后，通过机械信号采集模块中的加速度传感器采集换能器输出加速度大小，连接加速度传感器的信号调理器将加速度传感器输出的加速度信号转化为电压信号的形式，最后通过反馈模块的机械信号峰值保持电路采集信号调理器输出电压峰值即换能器输出的加速度峰值α，然后更新dsp控制模块中的α3＝α；执行第十五步；
100.执行第十二步的目的是计算新的ω1、ω2、ω3、α1、α2、α3，为下一轮α1、α2、α3比较做准备从而达到更高的追踪精度，但下一轮比较之前需要进行第十五步判断追踪精度是否已经满足要求从而决定是否需要进行下一轮的比较。
101.根据第六步的判断α2≥α3不成立或第十步q＝0成立都意味着谐振频率大于ω2，为更精确追踪谐振频率的所在区间所以需要增大频率ω1、ω2、ω3，但为减少加速度的测量次数将ω1＝ω2,α1＝α2,ω2＝ω3,α2＝α3，而新的频率ω3＝ω3 x只需要测量一次频率为ω3时的加速度。
102.第十三步，dsp控制模块判断k＝1是否成立，成立则令即递减步长减小为原来的一半提高追踪的精度，然后执行第十四步，否则直接执行十四步；
103.第十四步，计算并更新dsp控制模块中储存的加速度信息ω1、ω2、ω3；其中，ω2＝
ω1,α2＝α1,ω3＝ω2,α3＝α2,ω1＝ω
1-y，计算结束后dsp控制模块通过驱动电路调整逆变电路的逆变频率ω＝ω1，延迟10ms后，通过机械信号采集模块中的加速度传感器采集换能器输出加速度大小，连接加速度传感器的信号调理器将加速度传感器输出的加速度信号转化为电压信号的形式，最后通过反馈模块的机械信号峰值保持电路采集信号调理器输出电压峰值即换能器输出的加速度峰值α，然后更新dsp控制模块中的α1＝α；执行第十五步。
104.根据第九步的判断α2≥α3成立或第十步q＝0不成立都意味着谐振频率小于ω2，为更精确追踪谐振频率的所在区间所以需要减小频率ω1、ω2、ω3，但为减少加速度的测量次数将ω2＝ω1,α2＝α1,ω3＝ω2,α3＝α2，而新的频率ω1＝ω
1-y只需要测量一次频率为ω1时的加速度。
105.第十五步，dsp控制模块判断ω
3-ω1≥10是否成立，成立则执行第五步，否则执行第十六步；
106.执行第十六步的目的是由于追踪到的换能器谐振频率满足要求，输出追踪到的谐振频率ω2。执行第五步的目的是由于当前追踪到的换能器谐振频率不满足精度要求，所以再次进行谐振频率追踪。ω
3-ω1≥10成立意味着追踪到的谐振频率所在区间(ω1，ω3)的长度大于10hz不满足追踪精度需要继续追踪，不成立时意味着追踪到的谐振频率所在区间(ω1，ω3)的长度小于10hz满足追踪精度需要输出区间(ω1，ω3)中的频率值ω2作为追踪到的谐振频率即第十六步。
107.第十六步，输出电源最终追踪到的磁致伸缩换能器的谐振频率ω＝ω2并结束。
108.当第十五步不成立时证明谐振频率所在区间(ω1，ω3)的长度满足追踪精度，而ω2与谐振频率都在区间(ω1，ω3)中所以ω2近似为谐振频率，满足追踪的误差
±
10hz。
109.图6为本发明中自动追踪换能器谐振频率的流程框图，将其步骤写入dsp处理器tms320f28335中。tms320f28335处理器是ti公司设计的32位浮点型dsp处理器，该浮点型处理器相比较于定点型处理器具有精度高、成本低、性能高、功耗低、外设集成程度高以及运算速度更快时钟频率可达150mhz等优点。该处理器具有较多的pwm输出，其中有6个为高精度的pwm输出。该处理器与pc机通过rs485进行串行通讯，通过pc机设置以及显示dsp处理器的输出pwm的频率。该tms320f28335处理器的工作温度范围为0～85℃，可以满足较多场合的工作，符合设计要求。
110.该换能器谐振频率自动追踪装置的工作原理是根据换能器的输入电压与电流的相位关系以及近三次测得的换能器加速度信号的峰值对比关系并结合二分法增加或减小电源的驱动频率。因为换能器的加速度随着频率的增大加速度先增大后减小，在谐振频率达到最大值。具体的的工作步骤原理是当第二次的加速度数据是最大值时则dsp控制模块重新计算ω1、ω3、α1、α3、x、y，其中然后测量逆变电路模块逆变频率分别为ω1、ω3时的加速度并保存为α1、α3，最后将变量n、k置1；当三次加速度依次增大时dsp控制模块判断变量k＝1是否成立，成立则步长减半即否则保持原步长，然后重新计算ω1、ω2、ω3、α1、α2，其中ω1＝ω2,α1＝α2,ω2＝ω3,α2＝α3,ω3＝ω3 x，最后测量逆变电路模块逆变频率为ω3时的加速度并保存为α3；当三次加速度依次减小时dsp
控制模块判断变量k＝1是否成立，成立则步长减半即否则保持原步长，然后从新计算ω1、ω2、ω3、α2、α3，其中，ω2＝ω1,α2＝α1,ω3＝ω2,α3＝α2,ω1＝ω
1-y，最后测量逆变电路模块逆变频率为ω1时的加速度并保存为α1。此外，当第二次加速度为最小值时根据换能器的电压和电流的相位关系作为辅助参考。当电压相角超前电流即q＝1时，减小逆变电路的逆变频率，反之当电压相角滞后电流即q＝0时，增大逆变电路的逆变频率。在追踪到谐振频率后实时监测的加速度大小，当加速度变化较大时再次进行对谐振频率的追踪，这样的设计在一次频率追踪后换能器的工作温度、负载等变化换能器的谐振频率发生漂移时，电源能追踪到换能器新的谐振频率。换能器谐振频率估计值ω0根据不同的换能器应设置不同的初始值，这里的初始值在换能器设计时有一个大概的范围，可以通过阻抗分析仪初步检测一下换能器的阻抗随频率的变化趋势从而得知。实验中根据使用的换能器设置初始值为16khz。
111.图7所示为逆变电路模块和驱动模块，逆变电路模块为全桥逆变电路，驱动模块包括电平转换电路和驱动电路。逆变电路模块采用的是全桥逆变电路结构，逆变电路的mosfet管s1、s2、s3、s4采用irfp460型，该mosfet最高工作频率为1mhz、电压v
ds
最大可达500v、可正常工作的温度范围为-55～150℃，最大工作电流可达20a，满足设计的要求。驱动模块包括电平转换电路和驱动电路。电平转换电路采用mc14504bdr2g芯片，该芯片可以通过对v
cc
(电源电压)、v
dd
(转换后输出电压)电压的选择完成对输入端的pwm电平升高，工作温度范围为-55～125℃，电源电压以及输出电压的范围为3～18v、传播延迟时间为160ns，满足设计的要求。电平转换电路71、72的输出端连接两个驱动芯片的输入端h
in
、l
in
，驱动电路73采用专用的驱动芯片ir2110，该驱动芯片的工作频率高达500khz，延迟时间为120ns。芯片有两路驱动信号的输出ho、lo可以完成对同一桥臂的上下两个mosfet进行控制，直流电源通过自举电阻、自举二极管给自举电容完成充电，充电后的自举电容可以维持芯片的高端输出的输出电平，连接上桥臂mosfet的栅极完成对其的控制。自举电源的设计使得上下两个桥臂的驱动单路只需一个电源、降低了电路的复杂性。
112.所述的dsp控制模块为dsp处理器芯片，芯片采用tms320f28335处理器；
113.所述的匹配电路为串联在电路中的122nf的cbb电容，该型号的电容绝缘阻抗高、频率特性优异。
114.图8所示为换能器在不同频率下加速度的变化曲线，从图中可以看出随着驱动电源频率的增大换能器加速度先增大后减小，在16.68khz时出现最大值，此时磁致伸缩换能器的谐振频率为16.68khz。
115.图9所示为换能器加速度在频率追踪前后的对比图。实验中设置磁致伸缩换能器谐振频率追踪系统的ω0为16khz，当换能器的负载由50n变为空载时，频率追踪前工作在16.3khz的频率下加速度最大为651m/s2，经过频率追踪后换能器工作在16.675khz的频率下加速度最大为1295.225m/s2，经过频率追踪后加速度比追踪前幅值更大且波形更平滑近似正弦波。图8与图9证明该装置可以准确追踪到换能器的谐振频率。换能器谐振频率自动追踪装置可以在换能器的谐振频率发生漂移后自动追踪到新的谐振频率，使换能器工作在谐振状态下。图中换能器频率跟踪后的加速度明显大于频率追踪前，一定程度上优化了换能器的转换效率以及振幅、加速度等输出特性。
实施例1
116.实验中使用的磁致伸缩换能器的输出杆的质量为0.12kg，产生交流磁场的两个线圈的匝数为35匝，换能器为空载。
117.该频率追踪装置的运行过程：
118.第一步，装置上电，pc机向dsp控制模块输入换能器追踪谐振频率的初始值ω0＝16000，接着执行第二步；
119.第二步，dsp控制模块利用第一步中输入的ω0计算得到ω1＝15900、ω2＝16000、ω3＝16100，并初始化相关变量n＝1、k＝0、x＝100和y＝100；接着执行第三步；
120.第三步，测量换能器在频率ω1＝15900时的加速度为643m/s2；接着执行第四步；
121.第四步，将测量到的加速度保存到dsp芯片中αn＝643，此时n＝1,保存加速度后n＝n 1＝2。接着判断n≤3是否成立，此时n为2，所以重复执行第三步，经过第四步的判断和第三步的测量得到频率为ω2、ω3时的加速度，得到α2＝412.3、α3＝472.155，接着执行五步；
122.第五步，判断α2≥α1是否成立，这里α1＞α2所以执行第九步；
123.第九步，判断α2≥α3是否成立，这里α2＜α3所以执行第十步；
124.第十步，采集逆变电路的逆变频率为ω2时的输出电压和电流，并判断其相位关系，此时q＝0，所以执行第十二步；
125.第十二步，计算并更新dsp控制模块中储存的加速度信息ω1、ω2、ω3；其中，ω1＝ω2＝16000,α1＝α2＝412.3,ω2＝ω3＝16100,α2＝α3＝472.155,ω3＝ω3 x＝16100 100＝16200；更新结束后dsp控制模块通过驱动电路调整逆变电路的逆变频率ω＝ω3，测量换能器的加速度为552.874m/s2即α3＝α＝552.874；执行第十五步；
126.第十五步，判断ω
3-ω1≥10是否成立，这里的ω
3-ω1＝16200-16000≥10所以执行第五步即进行下一轮的频率跟踪；
127.第五步，判断α2≥α1是否成立，这里α2＞α1所以执行第六步；
128.第六步，判断α2≥α3是否成立，这里α2＜α3所以执行第十一步：
129.第十一步，判断k＝1是否成立，这里k＝0所以直接执行第十二步；
130.第十二步，计算并更新dsp控制模块中储存的加速度信息ω1、ω2、ω3；其中，ω1＝ω2＝16100,α1＝α2＝472.155,ω2＝ω3＝16200,α2＝α3＝552.874,ω3＝ω3 x＝16200 100＝16300；更新结束后dsp控制模块通过驱动电路调整逆变电路的逆变频率ω＝ω3，测量换能器的加速度为651.125m/s2即α3＝α＝651.125；执行第十五步；
131.第十五步，判断ω
3-ω1≥10是否成立，这里的ω
3-ω1＝16300-16100≥10所以执行第五步即进行下一轮的频率跟踪；
132.当第五步、第六步、第十一步、第十二步以及第十五步循环执行六次后ω1＝16600,α1＝1128.513,ω2＝16700,α2＝1288.138,ω3＝16800，α3＝1188.141。经过第十五步判断ω
3-ω1≥10不成立，所以执行第五步；
133.第五步，判断α2≥α1是否成立，这里α2＞α1所以执行第六步；
134.第六步，判断α2≥α3是否成立，这里α3＜α2所以执行第七步；
135.第七步，计算新的逆变频率得ω1＝16650、ω3＝16750，并将变量n、k置1后接着执行第八步；
136.第八步，测量换能器在频率为ω1、ω3时的加速度，经过两次重复执行测得α1＝1241.298，α3＝1265.294；执行第十五步；
137.第十五步，判断ω
3-ω1≥10是否成立，ω
3-ω1＝100≥10所以进行下一轮的频率跟踪。
138.经过第五步、第六步、第七步、第八步和第十五步循环执行两次后，此时dsp芯片中存储的信息ω1＝16675,α1＝1298.132,ω2＝16700,α2＝1288.138,ω3＝16725，α3＝1275.283，x＝25，y＝25。因为ω
3-ω1＝50≥10所以进行下一轮的追踪；
139.第五步，判断α2≥α1是否成立，这里α1＞α2所以执行第九步；
140.第九步，判断α2≥α3是否成立，这里α3＜α2所以执行第十三步；
141.第十三步，判断k＝1是否成立，这里k＝1所以然后执行第十四步；
142.第十四步，计算新的逆变频率并测量换能器在频率为ω1时的加速度α1，经过第十四步得到新的信息ω1＝16662.5,α1＝1267.37,ω2＝16675,α2＝1298.132,ω3＝16700，α3＝1288.138，然后执行第十五步；
143.第十五步，判断ω
3-ω1≥10是否成立，这里的ω
3-ω1＝37.5≥10所以执行第五步即进行下一轮的频率跟踪；
144.最后经过第五步、第六步、第七步、第八步和第十五步重复执行2次后ω
3-ω1＝9.375，第十五步的判断ω
3-ω1≥10不成立，所以执行第十六步；
145.第十六步，输出追踪到的谐振频率ω＝ω2＝16675并结束。
146.根据第五步和第六步或者第五步和第九步判断出α1、α2、α3的变化趋势后选择执行的步骤，当α2是α1、α2、α3的最大值时执行第七步、第八步、第十五步；当α1≤α2≤α3时执行第十一步、第十二步、第十五步；α1≥α2≥α3时执行第十三步、第十四步、第十五步；α2是α1、α2、α3的最小值时执行第十步，再根据第十步对q＝0判断的结果选择下一步，当q＝0成立时执行第十二步、第十五步，当q＝0不成立时执行第十四步、第十五步。在执行完选择步骤的部分后，当第十五步的ω
3-ω1≥10判断成立时选择进行下一轮追踪，不成立时进行第十六步输出谐振频率ω。
147.换能器谐振频率自动追踪装置经过500ms的循环操作后，最终得到“ω＝ω2＝16675”，并且最终装置的逆变电路的逆变频率设置为16.675khz。
148.在实验室中相同条件测量换能器在不同频率下的输出加速度，根据图8换能器输出加速度随频率而变化的曲线得出在频率为16.68khz时加速度最大，所以实验室测得换能器谐振频率为16.68khz。换能器谐振频率自动追踪装置追踪到的谐振频率和实验时测量的谐振频率相差5hz，符合要求，证明该装置的可行性。
149.磁致伸缩换能器在工作时，信号采集系统可以对换能器的电压、电流以及换能器的加速度进行实时的在线检测；采集系统将所采集到的信号送到反馈模块，该模块进行对电压电流相角关系的判断以及对换能器加速度的峰值进行采集，反馈模块还包括变压部分和保护装置。反馈模块处理后的数据输送给dsp控制模块，dsp控制模块根据采集到的数据经流程图所示的判断处理过程逐渐趋近换能器的机械谐振频率；dsp控制模块输出的pwm波经过驱动电路对逆变电路的mosfet进行控制生成接近换能器机械谐振频率的波形，最后完成对换能器谐振频率的追踪任务。
150.本发明的设计采用双反馈和二分法一定程度上避免了匹配电路造成的谐振频率追踪偏差、解决了传统追踪装置追踪精度高和追踪速度快的矛盾，改善了换能器的加速度输出特性。装置的反馈模块、dsp控制模块、驱动模块可以在集成在一块pcb板上，该装置在完成对换能器的谐振频率追踪的同时又具有价格低廉，便于集成等优点。该设计中所涉及到的器件在市场上都有供应，质量可靠，制造成本低。
151.本发明未尽事宜为公知技术。