一种超声波电源的频率搜索与跟踪系统的设计 (1)

3 频率搜索与跟踪系统的硬件电路
31 1 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 PW M 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。
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。
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。
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。
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 j d 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,
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
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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。
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文章编号: 1671- 4598( 2010) 10- 2354- 03
计 算机 测量 与控 制. 2010. 18( 10) Computer Measurement & Control
中图分类号: T N 86; T B559
文献标识码: A
设计与应用
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。
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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
Biblioteka Baidu# 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。
电流采样 元 件为 K T 10A / 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< 01 3% ; 反应时间< 1Ls; 供电电 源 ? 15V ( ? 5%) ; 失 调电流 < ? 01 4mA 。电流测 量电 阻设 计为 R3 = 508 。电 压采 样 电阻 R1 = 390k/ 2W, R2 = 51 6k/ 01 5W 。 另 外, 在 设 计 中, 用 LM 358 构成电压跟随器来隔离缓冲电压与电流 采样信号。 31 21 2 信号变换与整形电路的设计
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 电流与电压相位关系 电流变化趋势 电流大小
lk 段 jd段 kj 段 dc 段
超前 超前 滞后 滞后
增大
大
增大
小
减小
小
减小
大
在振动系统的谐振频率跟 踪方法中, 锁相法和电流反馈法 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
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,
图 3 频率搜索和跟踪控制系统框图
31 2 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 220VA C/ 50H z; 输 出 信 号 频 率 f o : 20kH z ? 500Hz; 输出功率 Po : 50W~ 2kW 。 31 21 1 电压与电流采样电路的设计
关键词: 频率跟踪; 频率搜索; 多峰性; 超声振子
Design of Frequency Searching and Tracking System on Ultrasonic Power Supply
Zhang Jidong
( Depar tment of Electr onic Eng ineering , H eilo ng jiang Institute of T echno lo gy , H arbin 150050, China) Abstract: T radit ionally, t here are m any w eaknesses in th e singl e phase met hod or current f eedback met hod against t he f requ ency dri ft prob lem durin g t he m ult imodal u lt ras onic vibrat ion sys tem operat ion, s uch as t he narrow s cal e of f requen cy s earching an d w eak dependab il-i t y. In ord er t o sol ve t he diff icul ty of t he f requency t rackin g and search ing in t he mul tim odal u lt rasonic vibrat ion sys t em, t he paper st udied t h e phas e rel at ions of cu rrent an d volt age, t he change t en dency and t h e value of current on mult imodal ult rasonic vibrat or, t hen t he relation s am ong t hem. O n t his basis, t he combin at ion con t rol meth od wit h double par amet ers of ph as e and cu rrent w as est ab lished, and t he corresponding cont rol algorit hm and circuit syst em w er e designed. T he ex periment of f requency search ing and t racking has b een done on t he self - mad e u lt ras onic plast ic welding pow er supply. Th e experiment al result s show t hat t he m et hod of f requ ency t racking and searching w it h double paramet ers is val id. Key words: f requ ency t racking; f requ ency s earchin g; m ult imodal characterist ic; u lt ras onic vibrat or
对于电压信号的 检测, 采 用电阻分压形式。对于电流信号
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