一种超声波电源的频率搜索与跟踪系统的设计(1)

#2354#

计算机测量与控制.2010.18(10) ComputerMeasurement&Control

文献标识码:A

设计与应用

文章编号:1671-4598(2010)10-2354-03 中图分类号:TN86;TB559

一种超声波电源的频率搜索与跟踪系统的设计

张继东

(黑龙江工程学院电子工程系,黑龙江哈尔滨 150050)

摘要:对于多峰超声振动系统工作过程中存在的频率漂移问题,采用传统单一的相位法或电流反馈法进行频率跟踪,存在频率跟踪范围较窄,可靠性较差等不足;为了解决多峰超声振动系统的频率搜索和频率跟踪的困难性,研究了多峰超声振子的电流与电压的相位关系、电流变化趋势和电流大小,以及三者的关系,确立了相位和电流双参数联合控制的方法,设计出相应的控制算法和电路系统,并在自制的超声塑料焊接电源上进行频率搜索和频率跟踪实验;实验结果表明双参数频率搜索与跟踪的方法是可行的。

关键词:频率跟踪;频率搜索;多峰性;超声振子

DesignofFrequencySearchingandTracking

SystemonUltrasonicPowerSupply

ZhangJidong

(DepartmentofElectronicEngineering,HeilongjiangInstituteofTechnology,Harbin 150050,China)

Abstract:Traditionally,therearemanyweaknessesinthesinglephasemethodorcurrentfeedbackmethodagainstthefrequencydriftproblemduringthemultimodalultrasonicvibrationsystemoperation,suchasthenarrowscaleoffrequencysearchingandweakdependabil-ity.Inordertosolvethedifficultyofthefrequencytrackingandsearchinginthemultimodalultrasonicvibrationsystem,thepaperstudiedthephaserelationsofcurrentandvoltage,thechangetendencyandthevalueofcurrentonmultimodalultrasonicvibrator,thentherelationsa-mongthem.Onthisbasis,thecombinationcontrolmethodwithdoubleparametersofphaseandcurrentwasestablished,andthecorrespond-ingcontrolalgorithmandcircuitsystemweredesigned.Theexperimentoffrequencysearchingandtrackinghasbeendoneontheself-madeultrasonicplasticweldingpowersupply.Theexperimentalresultsshowthatthemethodoffrequencytrackingandsearchingwithdoublepa-rametersisvalid.

Keywords:frequencytracking;frequencysearching;multimodalcharacteristic;ultrasonicvibrator

0 引言

近几年来,随着以热塑性树脂为基的工程塑料和复合材料在工业中的广泛应用,与之相关的超声波塑料焊接技术也日益得到推广。在超声波塑料焊接中,超声振动系统设计的好坏直接影响到超声加工能否稳定顺利地进行,只有超声波电源输出信号的工作频率等于超声振子的谐振频率才能保证振动系统处于效率最高、最稳定的工作状态。在实际应用中,由于受超声振子发热、工具磨损、负载变化等因素的影响,会使超声振子的谐振频率发生漂移,导致振动系统失谐,如果超声波电源不能及时随之改变其输出信号的工作频率,超声振子将工作于失谐状态而使效率降低,影响超声加工精度,甚至发生停振或烧坏现象。为此,需研制能实时自动跟踪超声振子谐振频率的超声波电源。

本次设计的超声振动系统采用并联谐振方式,其具有多峰的特点,即系统具有多个谐振频率,其对应的频带宽度和峰值大小各不相同[2]。图1是多峰超声振子的阻抗-频率曲线,它具有多个电流极值点或电压电流同相位点,这些点的电流极值也不相同。在实验中发现,多峰超声振子的电流与电压的相位差与频率关系以及电流与频率的关系如表1所示。

图1 多峰振动系统的阻抗-频率曲线表1 相位差、电流与频率的关系表

工作区间lk段jd段kj段dc段

电流与电压相位关系

超前超前滞后滞后

电流变化趋势

增大增大减小减小

电流大小

大小小大

1 超声振子的多峰特性

为更好地实现谐振频率自动跟踪,需要对超声振子的电学特性进行研究。超声振子可以工作在并联谐振点或串联谐振

点。在并联谐振点时,超声振动系统具有自动调功的功能[1],即超声振子在空载时吸收的功率小,有载时吸收的功率大,负载越重,吸收的功率越大,传输给负载的功率也越大。为此,

在振动系统的谐振频率跟踪方法中,锁相法和电流反馈法

收稿日期:2010-04-02; 修回日期:2010-05-10。

基金项目:哈尔滨市科技创新研究专项资金项目(2008RFQXG108)。作者简介:张继东(1970-),男,黑龙江肇源人,副教授,硕士,主要从事自动化仪表、传感器及检测技术的研究。

应用最为广泛。这两种方法对于单峰振子有很好的频率跟踪效

果。对于多峰振子来说,若激励源信号的起始频率在图1所示的D和K之间,即振子的主峰区域,采用单一的锁相方法或电流反馈法进行频率跟踪是可行的。若激励源信号的起始频率

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第10期张继东:一种超声波电源的频率搜索与跟踪系统的设计 #2355#

处于振子的主峰区域之外,采用单一的锁相方法或电流反馈法进行频率跟踪,跟踪频率必将收敛于c点或l点等旁峰上,大大降低效率。因此,采用传统的单一的相位法或电流反馈法进行谐振频率跟踪具有一定的缺陷,可能造成误判断。为此,本文采用相位和电流双参数对振动系统的谐振频率进行搜索与跟踪,可很好地解决这一问题。

3 频率搜索与跟踪系统的硬件电路

311 工作原理

在相位法和电流反馈法相结合的控制策略基础上,设计出频率搜索与跟踪控制系统,设计框图如图3所示,其工作原理如下:若超声振子在失谐状态下工作,则超声振子电压与电流必然存在一定的相位差。在此情况下,电压与电流采样电路分别对超声振子的电压与电流进行取样,然后通过信号变换与整形电路的变换和整形作用后,输出两路频率相同、相位不同的方波电压信号,其相位分别为超声振子的电压与电流的相位。接着,将两路方波电压信号送入到鉴相电路中进行鉴相,鉴相出超声振子的电压与电流的相位关系)))输出低电平说明电流超前电压,输出高电平说明电流滞后电压。之后,将鉴相输出的电平信号送入到单片机I/O口。在相位信息送入单片机的同时,电流采样电路把反映超声振子电流信息的信号送到单片机I/O口。相位信息和电流信息送入单片机后,单片机按照图2所示的控制算法工作,使单片机输出的PWM脉冲频率改变,再通过驱动电路改变逆变主电路的工作频率,从而使超声振子上的信号频率发生变化,使超声振子的电压与电流的相位差减小。如此反复以上工作过程,最终使超声振子在真正的谐振状态下工作。

图2 频率搜索与频率跟踪的流程图

2 频率搜索与频率跟踪的控制策略

研究发现,超声振子虽然具有多峰性,但同时也是一个窄带工作系统,使得远离主峰的谐振点频率不会对频率搜索产生误操作,可以不考虑。因此,频率搜索的范围可以选择在图1所示的主峰两侧的旁峰内侧,即从C点到L点范围。在C点到L点的频率搜索范围内,是选择频率从大到小的方向还是选择从小到大的方向进行搜索呢?根据调试经验,选择频率从大到小的方向进行搜索,这样可避免空载时并联谐振点输出功率过大而损坏振子[3]。另外,在实验中发现,当频率由高向低扫描时,当激励信号源的频率处于lk段时,相位关系和电流变化趋势和主峰左侧的jd段一样,但电流较大;当激励信号源的频率处于dc段时,频率由高向低扫描时,相位关系和电流变化趋势和主峰右侧的kj段一样,但电流较大。确定了频率搜索范围和方向后,再根据上述实验规律,本文采用相位法和电流反馈法相结合,准确判断频率搜索方向,找到振子主峰的谐振频率,然后进入实时锁相频率跟踪控制。频率搜索与频率跟踪的控制算法如图2所示。

图4 频率搜索与跟踪控制系统的原理图

图3 频率搜索和跟踪控制系统框图

312 硬件电路的设计

图4是频率搜索与频率跟踪控制系统的原理图,其电路设计要依据自制的超声波塑料焊接电源的基本技术指标)))输入电压:单相220VAC/50Hz;输出信号频率fo:20kHz?500Hz;输出功率Po:50W~2kW。31211电压与电流采样电路的设计

对于电压信号的检测,采用电阻分压形式。对于电流信号

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#2356# 计算机测量与控制 第18卷

的检测,一般采用无感电阻、脉冲电流互感器和霍尔电流传感器三种方法[4]。在无感电阻方法中,由于无感电阻直接串入超声振子中,电阻大会产生附加功耗,电阻小会使信号很微弱,需要设计放大电路,设计起来不方便。在脉冲电流互感器方法中,由于铁芯中存在着磁滞、涡流损耗以及线圈中存在漏磁和电阻,这使得测量的信号存在较大误差。霍尔电流传感器是一种快速检测电流的元件,它可克服以上两种方法的缺点,并且被测回路与测量回路隔离,测试输出电流正比于测试电流,为此本设计采用霍尔电流传感器方法。

电流采样元件为KT10A/P型霍尔电流传感器,参数如下:电流测量范围0~15A;输出电流0~100mA;线性度

在信号变换与整形电路中,通过零电压比较器和二极管开关电路实现信号变换,可把正弦形式的电压与电流采样信号变换为方波脉冲信号,采用/与非门0对方波脉冲信号进一步整形。设计中,选用高速运放LM339和快恢复二极管MUR420,用以减小延迟误差;/与非门0则选带施密特触发的CD4093,用以提高整形效果。

31213 鉴相电路的设计

鉴相电路由型号为CD4013的D触发器构成[5],D端接方波电压信号u1,CLK端接方波电压信号u2,其中u1与u2分别为电压与电流采样信号经过信号变换与整形后得到的两路频率相同、相位不同的方波电压信号。经分析可知Q端输出高电平说明电压超前电流,输出低电平则说明电压滞后电流。

31214 单片机系统的硬件设计

单片机系统的硬件设计核心是:正确选择主控制器芯片,这是保证设计指标的重要因素。主控制器芯片的选择主要从以下几个方面考虑:首先要考虑能否实现本设计所能达到的功能,其次要考虑芯片的抗干扰能力,最后就是充分利用芯片资源。本设计选用了AVR单片机中高性价比的AT-mega16芯片作为主控制器。AVR单片机是一种8位单片机,和其它类型8位单片机相比,它不但具有其它类型8位单片机的性能,而且还具有功能更强大、可靠性更高、抗干扰能力更强、速度更快、调试开发更方便、性价比更高的优势,更重要的是它还具有独特的技术)))片上集成PWM控制器、ADC转换器,I/O驱动能力强、可省去功率驱动器件[6],这就简化了单片机系统的硬件电路设计。基于以上因素,本设计选用了AVR单片机作为单片机系统的主控制器,对应的硬件电路如图4所示,其中40脚接电流采样信号uif,16脚接鉴相电路输出的高电平或低电平信号,18脚与19脚分别输出两路PWM脉冲波到驱动电路,用于调整驱动电路输出的驱动信号的工作频率,从而调整超声波电源逆变主电路的工作频率,使超声振子上的信号频率发生变化,最终使超声振子工作在真正的谐振状态。

电路,并将其应用到自制的超声波塑料焊接电源上。对该电源进行试验,测得超声振子的电压uH与电流iH实验波形,如图5所示。由图5可以看出超声振子工作在两个不同的谐振频率,未加载时工作在大约20kHz的谐振频率上,加载后工作在大约2014kHz的谐振频率上。这说明电源能根据加载后的超声振子谐振频率的变化情况,及时改变其输出信号的工作频率,使电源输出信号的工作频率等于超声振子的谐振频率,实现谐振频率自动跟踪功能。

图5 实验结果

5 结束语

本文对多峰振动系统的频率搜索和频率跟踪进行了研究,确定了相位和电流双参数联合控制的方法,并应用到自制的超声波塑料焊接电源上。从实验结果可以看出,采用相位和电流双参数联合控制的方法可以准确地搜索和跟踪多峰超声振子的并联谐振频率,取得良好的使用效果,具有很好的工程应用前景。

参考文献:

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4 实验分析

根据频率搜索和跟踪的控制策略,设计出频率搜索和跟踪中华测控网