基于改进 ESC 控制方法的兆声波清洗系统新型频率跟踪方法

《Ultrasonics》：A novel frequency tracking method based on improved ESC control method for megasonic cleaning system

　　

摘要

为解决连续运行条件下兆声波清洗系统传统频率跟踪算法频率跟踪精度差的问题，本文提出了一种基于改进极值搜索控制（ESC）算法的最大电流跟踪方法。首先，推导了兆声波换能器的动态支路电流表达式。建立了电压驱动极对应的输入电流与谐振频率附近的动态支路电流之间的关系。为补偿模数转换器（ADC）芯片采样率有限的不足，提出了一种基于级联积分梳状（CIC）插值的平滑算法，并通过仿真验证了其在峰值搜索中的有效性。控制实验证实，在兆赫兹频率域内，与现有采样方法相比，CIC 电流采样方法显示出更高的采样精度。双通道采样实验验证了所提出方法在提取动态支路电流方面的有效性。随后，引入了一种改进的 ESC 频率跟踪方法，该方法结合了峰值搜索技术与最大动态电流跟踪。实验结果表明，本文提出的极值搜索方法能够有效跟踪兆声波发生系统的谐振频率，并显著提高兆声波换能器的驱动电流。对比实验显示，与现有控制方法相比，本文提出的频率跟踪方法可以为兆声波换能器提供更高的驱动电流和更大的声压输出，从而显著提高兆声波清洗系统的清洗效率

引言

超声波清洗是功率超声的重要应用领域，也是一种湿清洗方式 [1]。超声波清洗利用换能器的压电效应将电能转换为机械能，随后传入清洗液中，从而实现对物体的高效有效清洗。该方法具有清洗性能优越、效率高、处理速度快和易于自动化等优点。[2], [3]。超声波清洗的缺点也相当明显：空化气泡产生的冲击力相对较强，容易损坏表面图案，且该方法对去除亚微米颗粒无效 [4], [5]。为解决这些局限性，将超声波频率提高到兆赫兹水平以上，促进了兆声波清洗技术的发展 [6], [7]。与传统超声波清洗相比，兆声波清洗提供更优越的清洗精度，能够有效去除小至 0.1 μm 的颗粒。此外，兆声波产生的空化效应温和，不会损害晶圆的表面完整性 [8], [9], [10]。除了清洗作用外，作为超声技术新兴分支的兆声波也显示出广阔的应用前景。为解决晶圆刻划激光加工中重建层形成和沟槽深宽比有限等挑战，Li 等人提出了一种兆声波辅助激光加工方法。通过分析激光烧蚀和兆声波振动原理，他们使用响应面方法优化了加工参数。结果表明，兆声波有效移除了烧蚀区烧蚀过程中产生的液相材料和熔融残渣，从而减少了重建层的程度并改善了晶圆的表面形态 [11], [12]。Guo 将兆声波引入电化学蚀刻和微电铸中，显著增加了基底的接触面积和表面粗糙度，从而增强了铸件与基底之间的结合强度，最终提高了铸产品的整体质量。

由于兆声波换能器在连续运行过程中温度引起的频率漂移，频率跟踪是必要的 [13]。主要的频率跟踪方法大致可分为两类：基于锁相环的频率跟踪控制和基于最大电流的频率跟踪控制。基于锁相环的控制通常通过监测电压和电流之间的相位差来操作，而基于最大电流的控制通常根据换能器的电流或动态支路中的电流进行调整 [14], [15], [16]。Xie 提出了一种超快谐振频率跟踪控制方法，该方法将工作频率与阻尼自然频率同步，使谐振频率跟踪在半振荡周期内完成。该方法实现的跟踪速度比锁相环（PLL）频率跟踪方法快十倍。然而，其适用性仅限于低频超声系统，在较高频率下跟踪精度会恶化。因此，它无法满足高频应用中对精确谐振频率跟踪的要求 [17]。Ye 提出了一种基于拍频模型的谐振频率跟踪方法。该方法通过构建等效拍频模型，能够快速识别超声换能器的谐振频率。然而，虽然这种控制策略非常适合焊接系统等高功率、短持续时间的应用，但在换能器长时间运行过程中，对于跟踪由温度波动引起的频率漂移效果较差 [18]。DeAngelis 提出了一种换能器相位窗口的优化方法，提高了 PLL 控制的稳定性。然而，该方法目前仅适用于高功率超声系统，在兆赫兹级高频应用中效果有限 [19]。Chauhan 提出了一种基于非线性模糊 PID 控制器的超声振动 PLL 分析方法，该方法表现出高测试精度和对噪声的强鲁棒性。然而，该方法的应用目前局限于仿真环境，其在兆声波发生系统中用于振动测量的实施仍然具有挑战性 [20]。Lan 提出了一种基于动态谐振电流和相位（DRCP）的相位跟踪方法。与传统的基于 PLL 的相位锁定方法相比，该方法提供了更宽的频率跟踪带宽和改进的长期运行稳定性。然而，它依赖于换能器准确的动态谐振阻抗模型，因此对模型精度高度依赖。因此，在阵列换能器阻抗特性不确定的系统中，该方法的可靠性可能会受到显著损害 [21]。总之，兆声波清洗系统的频率跟踪面临以下挑战：1. 信号频率达到兆赫兹水平，而现有的频率跟踪方法仅适用于低频超声系统。2. 现有的高频跟踪方法在长期跟踪过程中跟踪精度下降。3. 并联换能器系统的阻抗特性高度不确定，它们对需要模型精度的频率跟踪方法适应性差。上述问题表明，现有的 PLL 相位跟踪方法无法准确跟踪换能器的谐振频率。因此，本文提出了一种基于换能器最大电流的谐振频率跟踪方法。通过跟踪换能器的最大驱动电流，可以跟踪换能器的最大振幅频率。

兆声波换能器的等效电路模型如图 1 所示。与传统超声换能器的等效电路不同，兆声波换能器的静态支路表现出电感特性而非电容特性 [22], [23]。因此，在实施相位跟踪时，采用普通超声系统中常用的 PLL 方法会导致次优的频率跟踪性能 [24], [25], [26]。因此，本文提出了一种基于动态支路电流提取的增强型 ESC 频率跟踪方法，以解决兆声波驱动系统中相位锁定精度差的问题。通过检测动态支路中的最大电流，所提出的方法能够实现对兆声波换能器的谐振频率跟踪，从而使其保持接近谐振频率运行，提高兆声波的清洗效率。

章节摘要

动态支路电流表达式的推导

换能器的驱动电流直接影响其输出振幅。先前的研究表明，换能器的动态支路电流与其振幅呈正相关 [27], [28]。因此，精确提取兆声波换能器的动态支路电流值对其驱动控制具有重要意义。假设兆声波换能器的输入电压和电流均为单一频率的正弦信号，电压

基于改进 ESC 算法的频率跟踪控制

兆声波清洗阵列由多个并联连接的换能器组成，它们表现出不同的串联谐振频率。因此，无法通过检测动态支路电压信号与电流信号之间的相位差来实现有效控制。在兆声波换能器连续运行期间，热量稳定积累，导致换能器谐振频率发生温度漂移。因此，阻抗

实验

兆声波测试系统如图 11 所示。系统由功率因数校正（PFC）和直流到直流（DC-DC）模块供电，该模块提供标记为 V_BUS 的直流电压。该电压通过半桥电路产生方波电压，称为 VSquare。随后，方波电压经过变压器和匹配电路后施加于换能器两端，从而激发换能器进入

结论

为解决兆声波清洗系统运行过程中频率漂移和跟踪精度不足的问题，本文提出了一种结合用于峰值提取的 CIC 插值和增强型 ESC 算法的最大电流跟踪策略。所提出的算法有效缓解了由 ADC 采样率有限导致的采样精度降低问题，并提高了频率跟踪精度。为验证所提出方法的性能，

CRediT 作者贡献声明

Tianyu Peng: 写作 – 初稿，可视化，软件，资源，项目管理，方法论，调查，数据管理，概念化。 Yuanxin Wu: 软件，资源。 Liangxuan Yang: 形式分析，数据管理。 Qianghua Wang: 方法论，形式分析。 Yu Kang: 资源，调查，形式分析。 Zhili Long: 写作 – 审阅与编辑，资源，经费获取。

竞争利益声明

作者声明，他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系，这些可能看起来会影响本论文报告的工作。

致谢

这项工作部分得到了深圳市医学科研专项基金课题 (D2401019)、深圳市科技计划 (JCYJ20240813104803006, GJHZ20240218111802005) 以及“科创永江 2035"重点研发计划 (2024Z051) 的支持。

Tianyu Peng 于 2019 年和 2021 年分别从哈尔滨工业大学（哈尔滨，中国）获得自动化学士学位和硕士学位。他目前在中国哈尔滨工业大学（深圳）攻读博士学位。他当前的研究方向是超声焊接和超声波清洗。

Tianyu Peng|Yuanxin Wu|Liangxuan Yang|Qianghua Wang|Yu Kang|Zhili Long

中国哈尔滨工业大学（深圳）