0 引言

    超聲加工常采用壓電式換能器，由于壓電式換能器在加工的過(guò)程中會(huì)因負(fù)載劇烈變化、發(fā)熱、磨損、疲勞等因素，導(dǎo)致?lián)Q能器的阻抗特性發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)諧振頻率發(fā)生漂移^[1-2]。此時(shí)，若超聲波電源無(wú)法自動(dòng)跟蹤換能器諧振頻率變化，會(huì)造成整個(gè)超聲振動(dòng)系統(tǒng)失諧，超聲電源會(huì)因失諧導(dǎo)致逆變電路損耗增大，甚至?xí)龤С暡娫?sup>[3]。因此，頻率自動(dòng)跟蹤技術(shù)在超聲波電源系統(tǒng)中占據(jù)重要地位，超聲振動(dòng)系統(tǒng)常采用電反饋方式，電反饋大致可分為阻抗電橋方式、搜索電流極值方式及鎖相環(huán)方式三種^[4]。阻抗電橋頻率跟蹤方式實(shí)現(xiàn)高精度的動(dòng)態(tài)電橋平衡太過(guò)困難，難以滿(mǎn)足換能器負(fù)載時(shí)變特性；由于壓電換能器的阻抗特性影響，搜索電流極值方式易導(dǎo)致頻率跟蹤系統(tǒng)誤跟蹤；鎖相環(huán)方式頻率跟蹤系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)換能器負(fù)載突變時(shí)，其系統(tǒng)容易發(fā)生失鎖現(xiàn)象^[5-6]。為此，提出一種基于數(shù)字鎖相式頻率跟蹤技術(shù)與變步長(zhǎng)搜索電流極值方式相結(jié)合的復(fù)合頻率跟蹤策略。

1 復(fù)合頻率跟蹤策略控制原理 

1.1 頻率跟蹤原理

    在超聲振動(dòng)系統(tǒng)中，超聲波換能器阻抗特性呈現(xiàn)非線(xiàn)性變化，超聲系統(tǒng)的諧振頻率與電壓和電流之間的相位關(guān)系如圖1所示，當(dāng)ω<ω_s時(shí)，換能器中流過(guò)的電流的相位超前電壓的相位，表明超聲波電源的輸出頻率低于換能器的實(shí)際工作頻率；當(dāng)ω_s<ω時(shí)，換能器中流過(guò)的電壓相位超前電流的相位，表明超聲波電源輸出頻率高于換能器的實(shí)際工作頻率；當(dāng)ω=ω_s時(shí)，換能器中流過(guò)的電壓和電流相位相同，表明超聲波輸出頻率等于換能器的實(shí)際工作頻率，為鎖相環(huán)方式頻率跟蹤技術(shù)提供了理論基礎(chǔ)^[7]。超聲波換能器在諧振狀態(tài)時(shí)其等效電路阻抗最小，換能器環(huán)路電流幅值最大，電流隨諧振頻率變化近似為正比例關(guān)系，為搜索電流值頻率跟蹤技術(shù)提供依據(jù)^[8]。

1.2 復(fù)合頻率跟蹤技術(shù)控制原理

    復(fù)合頻率跟蹤策略綜合鎖相環(huán)方式和搜索電流極值方式的優(yōu)點(diǎn)，以換能器的反饋電流值和電壓與電流的相位差作為判斷超聲系統(tǒng)是否失諧的判據(jù)。在遠(yuǎn)離系統(tǒng)諧振頻帶條件下，采用搜索電流極值方式實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤，以相位差信息判斷電流搜索方向，依據(jù)電流極值判斷搜索步距，加速頻率跟蹤系統(tǒng)響應(yīng)速率；若系統(tǒng)處在諧振頻帶內(nèi)，系統(tǒng)采用鎖相環(huán)方式實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤，通過(guò)數(shù)字鑒相電路實(shí)現(xiàn)高精度頻率跟蹤。復(fù)合頻率跟蹤系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

    由于理論和實(shí)際的差別，采樣電路的誤差存在，會(huì)導(dǎo)致相位差角達(dá)不到零狀態(tài)，為此，設(shè)定一個(gè)相位差極小角θ_min，若檢測(cè)到相位角小于此極小角，則認(rèn)為系統(tǒng)處在諧振狀態(tài)，無(wú)需對(duì)頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，自動(dòng)更新設(shè)定諧振電流I₀閾值，以便下次系統(tǒng)失諧時(shí)進(jìn)行電流極值判定。

2 復(fù)合頻率跟蹤策略實(shí)現(xiàn)

2.1 鑒相器電路設(shè)計(jì)

    鑒相器電路主要作用是獲取電壓和電流的相位差信號(hào)，依據(jù)復(fù)合頻率跟蹤策略控制要求，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字化鎖相，便于DSP的捕獲單元直接采集相位差信息。本文以電壓跟隨器、比較器、D觸發(fā)器及異或門(mén)構(gòu)成鑒相器電路，如圖3所示。電壓跟隨器由高精度運(yùn)算放大器LF353組成；采樣電路采集的電壓和電流信號(hào)經(jīng)過(guò)前級(jí)處理后通過(guò)可調(diào)電阻進(jìn)入電壓跟隨器，通過(guò)可調(diào)電阻調(diào)節(jié)輸入信號(hào)幅值，保護(hù)鑒相器電路。

    本文的鑒相器電路以電壓信號(hào)作為D觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)，電流的信號(hào)作為D觸發(fā)器的輸入信號(hào)，依據(jù)D觸發(fā)器的真值關(guān)系可知相差與換能器振動(dòng)狀態(tài)關(guān)系。當(dāng)電流和電壓的信號(hào)相位差為零時(shí)換能器處在諧振狀態(tài)，D觸發(fā)器和異或門(mén)無(wú)輸出；若電壓信號(hào)的相位滯后電流信號(hào)的相位，此時(shí)，異或門(mén)輸出相位差信號(hào)phase，即輸出高電平，D觸發(fā)器輸出狀態(tài)標(biāo)志信號(hào)flag，即輸出高電平；反之電壓信號(hào)的相位超前電流信號(hào)的相位，此時(shí)，則輸出低電平。DSP的捕獲單元發(fā)現(xiàn)相位信號(hào)phase電平突變，立即讀取狀態(tài)標(biāo)志信號(hào)Flag電平判斷電壓和電流的相位差方向，依據(jù)判斷的結(jié)果控制逆變電橋驅(qū)動(dòng)脈沖做出頻率調(diào)整，實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤。

2.2 電流有效值轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) 

    在復(fù)合頻率跟蹤策略中電流極值作為判斷系統(tǒng)諧振狀態(tài)的一個(gè)要素，但采樣電路采樣的換能器環(huán)路電流為交流信號(hào)，不便于后級(jí)DSP系統(tǒng)處理，為此，必須將其轉(zhuǎn)換為有效值。本文采用硬件實(shí)現(xiàn)方式，以AD公司的有效值轉(zhuǎn)換芯片AD536A構(gòu)成電流有效值轉(zhuǎn)換電路。電流有效值轉(zhuǎn)換電路如圖4所示，電流信號(hào)經(jīng)隔直電容C1被芯片采集，CAV端接入的電容C2控制芯片的有效值積分時(shí)間，決定芯片轉(zhuǎn)換速率。輸入電流信息經(jīng)芯片轉(zhuǎn)換后從BUFOUT端輸出，經(jīng)后級(jí)A/D轉(zhuǎn)換反饋至頻率跟蹤系統(tǒng)，作為頻率跟蹤判據(jù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)頻率跟蹤。

2.3 復(fù)合頻率跟蹤程序設(shè)計(jì)

    本文的復(fù)合頻率跟蹤策略是以相位差及電流極值作為頻率跟蹤判據(jù)，進(jìn)而調(diào)整超聲波電源系統(tǒng)輸出頻率。依據(jù)鑒相器電路的結(jié)構(gòu)，利用事件管理器EVA的捕獲單元CAP3邊沿檢測(cè)功能，捕獲相位差值信息。CAP3捕獲相位差信息的上升沿時(shí)，記錄通用定時(shí)器T2的計(jì)數(shù)值T2CNT，CAP3捕獲相位差信息的下降沿時(shí)，記錄通用定時(shí)器T2的計(jì)數(shù)值T2CNT。通用定時(shí)器T2的頻率f₂為37.5 MHz，F(xiàn)為超聲波電源系統(tǒng)輸出頻率，由此可知：

    式中θ為換能器電壓和電流的相位差，即0°≤θ≤90°，考慮本文頻率跟蹤系統(tǒng)的多諧振模態(tài)鎖定要求，取Δkt為400。為此，設(shè)定Δkt為400復(fù)合頻率跟蹤策略的頻率跟蹤方式切換相位差閾值θ₀。以GPIOA6端口讀取鑒相器電路中電流和電壓的相位差狀態(tài)標(biāo)志位，依此判斷電壓和電流的相位關(guān)系，即GPIOA6的電平為高時(shí)，表示電壓的相位滯后電流的相位，增加電源系統(tǒng)輸出波形頻率；反之則減少電源系統(tǒng)輸出波形頻率。當(dāng)捕獲單元CAP3捕獲其引腳電平突變，控制系統(tǒng)觸發(fā)中斷，從捕獲單元的中斷入口進(jìn)入中斷服務(wù)程序，啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換器，取出檢測(cè)的相位差Δθ與其狀態(tài)標(biāo)志位flag，讀取ADC轉(zhuǎn)換器的反饋電流值ΔI，對(duì)電流值ΔI與設(shè)定的閾值I₀及相位差Δθ與設(shè)定的閾值θ₀進(jìn)行判定，選擇頻率跟蹤方式，判斷頻率跟蹤步距，圖5為復(fù)合頻率跟蹤程序流程圖。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    本文采用復(fù)合頻率跟蹤策略，鑒相器電路的鑒相能力對(duì)頻率跟蹤系統(tǒng)的穩(wěn)定性起決定性作用。用示波器來(lái)檢測(cè)鑒相器電路的跟蹤效果，以20 kHz的輸入電壓和電流波形為例，通過(guò)設(shè)置輸入信號(hào)的相位差值關(guān)系，觀(guān)察鑒相器電路相位差鑒別效果，其波形如圖6所示。

    由圖6(a)可知，當(dāng)輸入電壓和電流信號(hào)無(wú)相差時(shí)，鑒相電路此時(shí)無(wú)輸出，相差狀態(tài)標(biāo)志位flag為低電平，相位差phase為低電平；若輸入電壓相位超前電流相位30°時(shí)，其波形如圖6(b)所示，鑒相電路輸出相位差phase，相位差狀態(tài)標(biāo)志位flag為低電平，應(yīng)減少電源系統(tǒng)輸出波形頻率；當(dāng)輸入電壓相位滯后電流相位30°時(shí)，其波形如圖6(c)所示，鑒相電路輸出相位差phase，相位差狀態(tài)標(biāo)志位flag為高電平，應(yīng)增加電源系統(tǒng)輸出波形頻率。由此可見(jiàn)，當(dāng)DSP捕獲單元捕捉相位差phase脈沖信息，讀取相位差狀態(tài)標(biāo)志位flag電平狀態(tài)，依據(jù)電流極值反饋信息調(diào)整電源系統(tǒng)頻率跟蹤策略，實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)輸出頻率自動(dòng)跟蹤。  

4 結(jié)束語(yǔ)

    本文闡述了基于數(shù)字鎖相式頻率跟蹤技術(shù)與變步長(zhǎng)搜索電流極值方式相結(jié)合的復(fù)合頻率跟蹤策略的控制原理及實(shí)現(xiàn)方式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用復(fù)合頻率跟蹤策略能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)頻率自動(dòng)跟蹤，有效地避免高次諧波對(duì)鑒相電路的影響，提高系統(tǒng)頻率跟蹤的精度及穩(wěn)定性，拓寬頻率跟蹤系統(tǒng)帶寬，增強(qiáng)頻率跟蹤系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，使頻率跟蹤系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)鎖定換能器多諧振模態(tài)的特性，提高超聲波電源的整機(jī)效率。

參考文獻(xiàn)

[1] 馮平法，鄭書(shū)友，張京京.功率超聲加工關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2009(5)：57-62.

[2] 錢(qián)俊.功率超聲波電源頻率跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].新型工業(yè)化，2014，4（8）：59-65.

[3] 馬立，李藝，李祖勝.功率超聲電源的頻率跟蹤電路[J].蘇州大學(xué)學(xué)報(bào)（工科版），2010，30(2)：67-70，77.

[4] 屈百達(dá)，黃建生.基于LPC2212的超聲波電源頻率跟蹤系統(tǒng)研究[J].電力電子技術(shù)，2011，45(9)：27-28.

[5] YAO Z，GUO Z N，ZHANG Y J，et al.Research on the frequency tracking in rotary ultrasonic machining[J].Procedia CIRP，2013(6)：557-561.

[6] 劉曉光，劉平峰，蔣曉明，等.基于FPGA的超聲波焊接電源頻率跟蹤研究[J].自動(dòng)化與信息工程，2015，36（4）：39-43.

[7] 魏煒，林書(shū)玉.基于DDS-DPLL超聲波電源頻率復(fù)合控制研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2010，32(4)：165-168.

[8] 盧斌.超聲波換能器諧振頻率跟蹤方法研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2012.