超声发生器自动频率跟踪研究

机械设计与制造　２２４　Ｍａｅｈｉｎｅｒ）　Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ　第１１期　２０１０年１　１月　文章编号：１００１—３９９７（２０１０）１　１－０２２４—０３　超声发生器自动频率跟踪研究术　齐振飞张向慧　（北方工业大学机电工程学院，北京１００１４４）　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｓｅｌｆ－ｔｒａｃｉｎｇ　ｏｆ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ＱＩ　Ｚｈｅｎ－ｆｅｉ，ＺＨＡＮＧ　Ｘｉａｎｇ－ｈｕｉ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１００１４４，Ｃｈｉｎａ）　；　【摘　要】在旋转超声加工中频率的自动跟踪技术直接影响着系统的加工质量和加工性能。通过对整个　｝超声发生器系统进行控制研究，对系统进行模块化，从而可以通过各种新技术的应用来提高超声发生系统的｛　ｌ频率跟踪速度，同时运用了双处理器结构，在很大程度上提升了频率控制的响应速度。　ｉ　关键词：自动频率跟踪；超声发生器；功率控制　｛　【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｔｈｅ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇｑｕａｌｉｔｙａｎｄｐｒｐｅｒａｔｙＱ厂ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｓｙｓｔｅｍｉｓ　ｉｎｌｆｕｅｎｃｅｄ　ｂｙｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｓｅ　｛　；ｔｒｃｉａｎｇ　ｉｎ　ｒｏｔａｒｙ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ．Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙ　Ｑ厂ｃｏｎｔｒｏｌ　０／ｔｈｅ　ｗｈｏｌｅ　ｕｌｔｒｓａｏｎｉｃ　ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ｛　；ｍｏｄｕｌｒａ￣ｅｄ，ＳＯ　ｔｈｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｔｒｃｉａｎｇ　ｓｐｅｅｄ　ｃａｎ　ｂｅ　ｒ￣ｓｅｄ　ｂｙ　ａｐｐｌｙｉｎｇ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｎｅｗ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ａ　ｔ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｉ　ｉ　ｔｉｍｅ，ｔｈｅ　ｐａｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｄ厂ｔｈｅ　ｄｏｕｂｌｅ　ＣＰＵ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｌａｓｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｓｐｅｅｄ　ｏｆｆｒｅｑｕｅｎｔ）　ｃｏｎｔｒｏｌ　｝　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｓｅｌｆ－ｔｒａｃｉｎｇ；Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ；Ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　中图分类号：ＴＨ１６文献标识码：Ａ　；　｛　１引言　能，所有的模块组合后成为一个整体，完成整个系统所要求的功能，　依赖陛弱，子模块内部设计自由化等多种优点。因　在旋转超声加工系统中，为了获得较大的振幅提高加工的　具有设计效率高，从而通过改进各个模块来提高整　效率和稳定性，要求振动系统具有自动频率跟踪能力。超生发生　此可以对超声发生器进行模块化，器的频率自动跟踪一般分为硬件控制跟踪，软件控制跟踪和智能　个系统的控制响应速度。在对于目前智能控制实现研究过程中发　处理器需要完成检测，比较，控制，输出等多种功能，单个处理器　控制跟踪三种。硬件控制跟踪速度快，频率跟踪范围窄；软件控制　现，响应速度慢。故采用双处理器结构，使检测比较功　频率跟踪范围宽，响应速度慢；智能控制结合了软件控制和硬件　完成时任务繁重，提高系统的运算速度。　控制的特点，不仅控制速度快，而且跟踪频率的范围宽，它是未来　能和控制输出功能分别实现，旋转超声加工的发展方向。但是目前的智能控制方法还不成熟，　不完善，因此对于智能控制的研究具有重要意义。　２超生发生器模块化研究　超声发生器的主电路由整流滤波电路，ＤＣ—ＤＣ变换器，逆变　模块化的概念在设计中已经广泛应用，它在解决一个复杂问　器，高频变压器组成，最后通过网络匹配经换能器输出给加工振　题时把整个系统划分成若干模块。每个模块完成一个特定的子功　动系统，控制电路通过反馈回路传递的电压、电流值，进行频率的　★来稿日期：２０１０一Ｏ１—２７　女基金项目：北京市教委科技计划项目资助（ＫＭ２００８１００Ｏ９Ｏ０３）　４分析　速下，流动压降最小，当高宽比ｒ＞ｌ时，流动压降随高宽比的增大　的范围内，沿程损失系数也随高宽比的增大　计算结果比实验结果稍微小一些，原因可能是计算中没有　而逐渐增大。在（０～１）相同流速下，沿程损失系数最小，当高宽比　考虑粗糙度，而实验中管子不可能没有粗糙度。但是大致趋势和　而迅速减小，当ｒ＝ｌ时，＞ｌ时，沿程损失系数随高宽比的增大而逐渐增大。　实验吻合的很好，说明这个模拟方法正确，同时对实验结果也提　ｒ供了一个有力的支持。当ｒ＝ｌ时，模拟所得厂比用经典公式计算　参考文献　出的小，由图可以看出ｒ在一定范围内，模拟所得厂比用经典公式　计算出的小，ｒ在此范围之外，模拟所得厂比用经典公式计算出的　大。这可能是由于损失系数与湿周长有一定的关系。　１　Ｔｕｃｋｅ￣ｘｎａｎｎＤＢ．ＰｅａｓｅＲＦ．Ｏｐｔｉｍｉｚｅｄｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅｃｏｏｌｉｎｇｕｓｉｎｇｍｉｅｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅＪ．ＥｌｅｃｔｒｏＣｈｅｍｉｃａｌ　Ｓｏｃｉｅｔｙ，１９８２，１２９（３）：９８　２　Ｗｕ　Ｐｅｉｙｉ．Ｌｉｔｔｌｅ　ＷＡ．Ｍｅａｓｕｒｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｅａｔ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｇａｓ　ｆｌｏｗ　ｉｎ　ｆｉｎｅｄ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｈｅａｔ　ｅｘｃｈａｎｇｅｒ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ｍｉｃｒｏｍｉｎｉａｔｕｒｅ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒｓ．　５结论　在层流区，流动压降随雷诺数增加而增加，截面高宽比不同，　Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓ，１９８４，２４（８）：４１５￣４２０　３　ＰｆａｈｌｅｒＪ，Ｈａｒｌｅｙ　Ｊ，ＢｕａＨ，ｅｔ　ａ１．Ｇａｓ　ａｎｄｌｉｑｕｉｄｆｌｏｗｉｎ　ｓｍａｌｌ　ｃｈａｎｎｅｌＡＳＭＥ　流动压降随雷诺数增加而增加的幅度不同。对于矩形微通道来说，　层流损失系数不仅与雷诺数相关还与矩形截面的高宽比有关，其　ＤＳｃ，１９９１（３２）：４９～６０　４安刚．李俊明，王补宣微小矩形通道内气体充分发展层流流动的数值解．　中国工程热物理学会传热传质学术会议，２０００：２８３～２８５　中层流损失系数随着雷诺数的增大而减小。当高宽比在０　１的范　５姜明健，罗晓惠，刘伟力．水在微尺度槽道中单相流动和换热研究ＥＪ　３．北　围内时，流动压降随高宽比的增大而迅速减小，当ｒ＝１时，相同流　京联合大学学报，１９９８，１２（１）：７ｌ－７５　第１１期　齐振飞等：超声发生器自动频率跟踪研究　２２５　跟踪和功率的控制，根据以上分析可将超声振动系统分为整流滤　此时超声系统的阻抗对外呈现纯阻性，机械阻抗最小。其值　波模块，功率控制模块，频率控制模块，功率放大模块，和换能器　为：Ｚｎ　＝——＿Ｊ　—　（６）　及其匹配网络模块。如图１所示。　１＋（　Ｒ￡　）　同时电流与电压的相位相同；　当　＜　时，换能器匹配等效电路呈现容性，电流超前电压；　当ｏ９＞ｏ９，＝　换能器匹配等效电路呈现感性，电流滞后电压。因此系统只需检测电流和电压的相位关系做出调整就能够　实现频率的自动跟踪。　图１超声发生器模块　３＿２整流滤波模块　整流滤波模块的主要作用是将交流电转换为直流形式。它　３超声发生器各模块的实现方式。　分为两种形式，一种是半波型整流方式，另一种是全桥型整流方　超声发生器主要由上述五大模块组成，各个模块对于频率　式，由于半波型整流方式只利用了交流电半个周期的信号，所以　跟踪的自动实现和功率的控制都有决定性的作用，因此对以上划　损失较大，不采用，选用全桥式整流滤波电路，如图４所示。　分的模块进行逐一研究。　３．１换能器等效电路及其匹配电感模块　超声加工系统中压电换能器振子是一个容性负载，其等效　电路图，如图２所示。其中　—换能器振子的静态电容，，Ｊ。一动态　电感，由换能器的质量引起，Ｃ。—换能器的动态电容，　—有负载　影响而形成的换能器的动态电容。由换能器的等效电路图可以推　图４全桥式整流滤波电路　出其阻抗为：　Ｒ　（１）　其中，输入电流　＝　ｓｉｎｗｔ，经过桥式整流后，输出电压为　其中，　ｆｆ／ｓｉｎｗｔ　０　ＣＯｔ　丌　：壶　÷　盘］　ｕｉ＝ｌ【一Ｕ　ｓｉｎｗｔ　），　ｍ　　ｃｏｔ≤２盯　（　／２＋［　ｃ０　一　）］　其相应的平均直流值为　＝　　Ｕ０（ｔ）ｄｔ￣Ｏ．６３　（８）　一　一　（３）　ｊ、　＋［　一矗）］　经过桥式整流后，需要对电流进行滤波，使直流电压更加平　当超声系统谐振时，系统整体呈现容　。为了减小能量在传递　稳。滤波电容的计算比较麻烦，因为决定输出电压的因素较多。理　过程中的损失，保证系统安全稳定的工作，必须配置相应的匹配网　论上理想的电容其阻抗随频率的增加而减少（１／ｊｗｃ），但由于电容　络。按照阻抗的接人方式不同可以分为串联匹配和并联匹配，因为　两端引脚的电感效应，这时电容应该看成是一个ＬＣ串连谐振电　串联匹配不仅可以降低能量传递的损耗，并且兼顾调谐和滤波的作　路，自谐振频率即器件的ＦＳＲ参数，这表示频率大于ＦＳＲ值时，　用，所以是最常用的一种方法。如图３所示，系统的串联匹配电路。　电容变成了一个电感，如果电容对地滤波，当频率超出ＦＳＲ后，　对干扰的抑制就大打折扣，所以此时需要一个较小的电容并联对　ｎ　地。一般采用下面的公式对滤波电容进行计算选择：　Ｃ＝ｌＯ／２￣ｒｗＲ　（９）　式中：“一电压源的频率值；　一负载阻值。　、　Ｌ　３．３功率控制模块　在超声振动系统中换能器，变幅杆，工具杆是一个级联结构，　图２换能器等效电路图　图３换能器串联匹配电路　研究换能器输出端的振动情况即可得到加工工具的振动。换能器　当电感　接入时，超声系统的等效输入阻抗为：　可等效成为一个四端网络，经计算输出振速和输入电流的关系　。　。　（４）　为：Ｏ￣＝ｘｌ：／Ｘ　２Ｘ２ｌ　（１０）　其中，Ｒｏ－一　１＋（ｏ２ＣｏＲＬ），　。　：　ｌ＋ｆｆｏＣｏＲＬ）Ｌｃ　　换能器输出的机械功率为：　尺　（１１）　当０９＝ｏ９＝＝１、／　ｃｌ是为串联谐振频率，则可以推出所需串联　式中：，Ｉ一流经换能器的电流；，２—换能器输出振速。Ｘ。　，Ｘ　，　２　—电感的大小为：　，：—　：＆　换能器的阻抗参数。　一负载等效阻抗，等式右边为常　（５）　ｌ＋（　ＣｏＲ　）　数，因而只要流经换能器的电流，．恒定，即可保证换能器输　Ｎｏ．１１　２２６　机械设计与制造　ＮＯＶ．２Ｏｌ０　出振速恒定，由输出功率和负载成正比的关系可知电流恒　宽以及使用简单，可靠性高的功率开关器件。目前市场上的ＩＧＢＴ　定实现了超声波发生器的功率自动调节。　压电源应用，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的　一开关类型从性价比和功能上都是超声系统中应用的最好选择。　功率控制由ＰＷＭ脉宽调制实现，脉宽调制，是一种开关式稳　３．５频率控制模块　自动频率的跟踪实现，如图７所示。处理器选择目前市场上　种非常有效的技术。它通过控制矩形方波的占空比调整直流电压　技术成熟的５　１单片机，结合锁相环ＣＤ４０４６进行频率控制。初始　的大小。在ＰＷＭ型ＤＣ－ＤＣ变换器中，ＢＵＣＫ电路简单，动态性能　状态值由控制处理器设定送给给锁相环输入到换能器，超声系统　较好并且电压调整范围大，所以采用它来调整功率的输出。　ＢＵＣＫ功率调节原理图，如图５所示。　＿ｖ　Ｐ　ｌＺ　　ＫＤ宁　ｌｌｌ　　ｊ　　图５　ＢＵＣＫ电路图　ＢＵＣＫ斩波器由开关管Ｑ。，快回复功率二极管Ｄ。，滤波电容　Ｑ。构成，设驱动方波的周期为Ｔｓ＝ｔｏｎ＋ｔ　，频率为户１　，占空比ＤＥ　√　假设各部分均为理想原件，斩波器工作在电感电流模式，下　面分析其工作原理。　在［０，　时段，Ｑ。导通，输入电压通过Ｑ。加到二极管Ｄ。，电　容　上，Ｄ０截止。由于Ｃ。上的电压不能突变，电感电流ｉ。线性增　加。在［　，嘲周期内，Ｑ。断开，ｉ。通过　继续通流，ｉ。线性减小。输　出电压　。和输入电压　的关系为：　（１２）　输出电压即滤波电容两端电压为：　ＡＶ。：　：了，ｆ（１一　）　（１３）　８　０ｃ　‘　、　式中；　一　，和ｃ，构成的低通滤波器的截至频率　＝——　：一　～２叮ｒ、／Ｌ　３．４功率放大模块　功率放大器的作用是将输出的功率值进行放大，以满足超声　加工系统中的能量需求。目前功率放大器主要有半桥式，全桥式，推　挽式。因为超声加工需要输出高功率和高电压，考虑到半桥式和推　挽式均适合小功率系统，所以选用全桥式。全桥式电路用的开关器　件较多，开关电压不高，驱动较为复杂，其结构如图６所示。　ＩＤ０ｉ　　Ｈ１　Ｉ　。　ｌ‰　ｚＩ　　芝１２　章　Ｉ　＃Ｉ　Ｒ＇４　器　图６全桥式功率放大器　在功率放大器中功率开关的选用具有重要的作用。理想的　开关器件具有零导通压降和无限大的反向截至电压，不需要驱动　功率，能以无限量速率重复开关操作。但实际器件并非如此，以此　我们尽量的选用导通电阻小，通态损耗低，驱动功率小，安全区域　开始运作，换能器采回的电流电压信号经过整形后一起送入检测　处理器中对电流电压的相位进行计算，得出超前或者滞后的相位　差△　，然后送入控制处理器中，控制处理器通过列表对应的方式　查找△　值所对应的输入压控振荡器的控制电压　，将　送入　锁相环频率控制器中，实现频率的跟踪锁定。当频率由锁相环控　制器锁定后，控制处理器不再输出控制电压，而由锁相环控制系　统直接进行频率跟踪，以确保系统的实时ｌ生。　图７自动频率跟踪方框图　４结论　本文应用了模块化的设计思想，把超声发生器的频率控制　系统进行划分，通过研究各个模块来提高频率控制和功率控制响　应速度，这样不仅提高了效率，而且可以使最新的技术分别应用　于各个模块来提升系统的总体Ｉ生能。同时应用检测处理器和控制　处理器独立运行，不仅提高了系统的总体响应速度，而且简化了　程序的开发过程，节约了开发时间。　参考文献　１郑书友，徐西鹏．超声加工中超声发生器的频率跟踪技术．机械工程师，　２００５（７）　２　Ｒｏｍａｎ　Ｖ．Ｂａｒｓｕｋｏｖ，Ａｎｄｒｅｙ　Ｖ．Ｓｈａｌｕｎｏｖ，Ｄｍｉｔｒｙ　Ｖ．Ｇｅｎｎｅ，Ｓｔｕｄｅｎｔ　Ｍｅｍｂｅｒ，　Ｍａｘｉｍ　Ｖ．Ｋｈｍｅｌｅｖ．Ｓｏｆｔｗａｒｅ　Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｖａｒｉｏｕｓ　Ｗｏｒｋｉｎｇ　Ｍｏｄｅｓ　ｏｆ　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　Ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ．ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬＷＯＲＫＳＨＯＰ　ＡＮＤ　ＴＵＴＯＲＩＡＬＳ　ＥＤＭ，２００８，ＳＥＳＳＩＯＮ　Ｖ，ＪＵＬＹ　１－５，ＥＲＬＡＧＯＬ，２００２　３戴向国，傅水根，王先逵．新型旋转超声机床的研究．第９界全国电加工　学术年会论文集，２００５：３　１５～３５２　４朱武，金长善，蔡鹤皋．超声换能器振动系统控制的研究．哈尔滨理工大　学学报，１９９９（６）　５黄景荣．超声振动加工中的自动频率跟踪．合肥工业大学学报（自然科学　版），１９９７（１２）　６张其馨等．电流反馈式超声发生器的频率跟踪研究．哈尔滨工业大学学　报，１９９５（６）：５６—６１　７　ＭＺｈｏｕ，Ｈ．Ｗａｌｔｅｒ，Ｍ．Ａｎｄｅｒｓｓｏｎ，Ｊ．Ｅ．Ｓｔａｈ１．Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｃｈａｍｆｅｒ　ａｎｇｌｅ　ｏｎ　ｗｅａｒ　ｏｆ　ＰＣＢＮ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｔｏｏｌ［Ｊ］．Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｔｏｏｌｓ　ａｎｄ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，２００４（４３）：３０１￣３０５　８　Ｊ．Ｅ．Ｍａｙｅｒ　Ｊｒ，ＤＩ　Ｓｔａｕｆｆｅｒ．Ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆｔｏｏｌ　ｅｄｇｅ　ｈｏｎｅ　ａｎｄ　ｃｈａｍｆｅｒ　ｏｎｗｅａｒｌｉｆｅ　ｌＪＪ．Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ，１９７４（３）：５￣１５　９　ＲＲｅｎ，Ｙ．Ａｈｎｔａｓ．Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ｏｆｍａｃｈｉｎｇｗｉｔｈ　ｃｈａｍｆｅｒｅｄ　ｔｏｏｌｓ　ｌＪ　Ｊ．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅ，ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｏｆＡＳＭＥ，２０００（１２２）：６５０－６５９　１０　Ｇｅｒａｒｄ　Ｐｏｕｌａｃｈｏｎ，Ｂ．Ｐ．Ｂａｎｄｙｏｐａｄｈｙａｙ．Ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｅｔｕｒｅ　ｏｆ　ｈａｒｄｅｎｅｄ　ｔｏｏｌ　ｓｔｅｅｌ　ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｗｅａｒ　ｏｆ　ＰＣＢＮ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｔｏｏｌｓ　ｌＪＪ．Ｍａ—　ｃｈｉｎｅＴｏｏｌｓ　ａｎｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，２００３（４３）：１３９￣１４４　．