文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.10.035
中文引用格式: 李長(zhǎng)有,李帥濤,劉遵. 超聲波電源的復(fù)合頻率跟蹤策略研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2016,42(10):135-137,141.
英文引用格式: Li Changyou,Li Shuaitao,Liu Zun. Research on the composite frequency tracking strategy of ultrasonic power[J].Application of Electronic Technique,2016,42(10):135-137,141.
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<ωs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)ωs<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=ωs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θmin,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,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.