姚 震 郭鐘寧 張永俊

（廣東工業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510006）

隨著新型材料的日益廣泛使用，超聲加工機(jī)床開始為人們所重視。傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)超聲機(jī)床通過電刷給壓電陶瓷換能器供電，存在轉(zhuǎn)速低、維護(hù)不便等缺點(diǎn)。感應(yīng)式旋轉(zhuǎn)超聲加工的電源通過電磁感應(yīng)將電能傳遞到換能器。影響換能器工作的因素較多，諧振工作頻率會(huì)發(fā)生變化，因此超聲電源要有頻率跟蹤功能，保證換能器始終工作在諧振狀態(tài)下。

本文提出了一種采用罐型磁芯的高頻變壓器來傳遞能量的方案，突破了傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)超聲電刷的局限［1］。高頻旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)不但要保證能傳遞功率，還要求能效高，結(jié)構(gòu)牢固。高頻變壓器的繞組選用銅箔進(jìn)行繞制，既可以減小渦流反應(yīng)，也使結(jié)構(gòu)緊湊，保證了旋轉(zhuǎn)加工機(jī)床的工藝要求。以ARM為核心控制芯片，可實(shí)現(xiàn)感應(yīng)式超聲電源的數(shù)字化控制，外圍接口資源豐富，性能價(jià)格比高。同時(shí)，該數(shù)字電源具有自動(dòng)掃頻功能，可靈活方便地用于各種頻率的超聲換能器。

1 超聲電源頻率跟蹤的原理和方法

常用的頻率跟蹤方法按反饋信號(hào)的不同，分為電反饋和聲反饋兩種，電反饋又可分為阻抗電橋法、電流反饋法、電壓反饋法和鎖相環(huán)法等［2］。由于壓電陶瓷換能器受工作環(huán)境的影響較大，尤其對(duì)溫度比較敏感，運(yùn)行一段時(shí)間后溫度會(huì)上升，導(dǎo)致諧振頻率隨著溫度上升而下降。圖1為壓電陶瓷換能器在不同溫度下的速度/頻率曲線，S1和S2分別為溫升前后的振幅－頻率曲線，ω1和ω2為對(duì)應(yīng)的諧振頻率。

設(shè)A為當(dāng)前工作點(diǎn)，當(dāng)溫度升高換能器的溫度特性曲線由S1變?yōu)镾2，如果沒有頻率跟蹤，頻率不變，工作點(diǎn)將變到B點(diǎn)，換能器的振幅將下降到Ht。因此，超聲電源必須自動(dòng)降低驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率，使其工作點(diǎn)上升到Hf，從而保持原來的振幅，工作點(diǎn)變到C點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度變化的頻率跟蹤。

常用的頻率跟蹤方法有基于驅(qū)動(dòng)電壓和電流相位差的跟蹤方法（如鎖相法）、最大電流法和模糊控制法［3］。最大電流法是根據(jù)頻率電流特性關(guān)系，搜索電流大小，使得換能器工作在諧振頻率附近，該方法的優(yōu)點(diǎn)是需要硬件少（電流傳感器）、容易實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是工作在一定的頻帶范圍內(nèi)，電流信號(hào)的變化量較小，要達(dá)到一定的頻率跟蹤精度較為困難。

鎖相環(huán)法是基于驅(qū)動(dòng)電壓和電流相位差的跟蹤方法。由于頻率漂移會(huì)在其相頻特性上反映出來，可通過跟蹤其相頻特性的變化，達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)的目的。壓電陶瓷換能器在固定頻帶所對(duì)應(yīng)的相位差不隨驅(qū)動(dòng)電壓和溫度的變化而變化，即相位差能較好地反映換能器的工作狀態(tài)。相位差的精確檢測水平?jīng)Q定了頻率跟蹤控制的精度。鎖相法其優(yōu)點(diǎn)是方案成熟簡單易實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是頻率跟蹤范圍較小，容易跟蹤失效。

還有基于驅(qū)動(dòng)電壓的跟蹤方法，通過實(shí)驗(yàn)研究和分析建立驅(qū)動(dòng)電壓與所期望的機(jī)械性能（如轉(zhuǎn)速、輸出功率和輸出效率）之間的關(guān)系，便可以此驅(qū)動(dòng)電壓為反饋依據(jù)，實(shí)現(xiàn)頻率自動(dòng)跟蹤［4］。處在共振頻率附近時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓值最小，反之電壓值變大。該方法在實(shí)施之前需要做大量的實(shí)驗(yàn)工作，并且驅(qū)動(dòng)器的穩(wěn)定性、精度或效果受換能器本體性能的影響較大，實(shí)際操作具有一定的難度。

模糊控制法不要求建立換能器的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)規(guī)則控制決策，保證換能器工作在最大功率處。其優(yōu)點(diǎn)是魯棒性強(qiáng)，缺點(diǎn)是需要豐富經(jīng)驗(yàn)才能建立好控制決策。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于ARM的超聲電源主要包括主電路及其驅(qū)動(dòng)、控制回路和外圍接口等。設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)超聲加工的換能器的功率僅有幾百瓦，綜合考慮成本和技術(shù)，選用半橋結(jié)構(gòu)的主回路;驅(qū)動(dòng)電路采用集成的IR2110驅(qū)動(dòng)芯片;參數(shù)設(shè)置及顯示選用大器智成公司的觸摸屏來實(shí)現(xiàn)，通過串口與控制板連接。感應(yīng)式超聲電源控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，該控制系統(tǒng)以Stm32f103rbt6芯片為核心，電壓電流反饋信號(hào)經(jīng)過濾波調(diào)理電路后進(jìn)入ARM芯片A/D轉(zhuǎn)換（PC0和PC1管腳復(fù)用），兩路PWM通道使用PA6和PA7管腳。

通過軟件改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比，可以方便地調(diào)節(jié)電源的輸出功率，不必像模擬電源需要通過斬波電路來實(shí)現(xiàn)功率的調(diào)節(jié)功能。

2.1 頻率跟蹤的實(shí)現(xiàn)

超聲加工過程中，隨著換能器的老化，或者工作時(shí)間增加導(dǎo)致發(fā)熱，或者負(fù)載變化較大時(shí)，換能器的特性會(huì)發(fā)生變化，其諧振頻率會(huì)發(fā)生漂移，超聲電源要能進(jìn)行頻率跟蹤，才能最大限度地發(fā)揮換能器的性能，將電能轉(zhuǎn)換機(jī)械能的效率提高［5］。

由于Stm32f103rbt6芯片的工作頻率為72 MHz，假設(shè)換能器的諧振頻率為25 kHz，根據(jù)ARM的定時(shí)器工作原理，對(duì)應(yīng)的裝載到周期定時(shí)器T的值為2 880，數(shù)值加1后對(duì)應(yīng)的頻率是24 991.3 Hz。如果單純采用軟件頻率跟蹤，對(duì)應(yīng)25 kHz的換能器，精度為10 Hz。換能器諧振頻率越高，精度越差，不能保證頻率跟蹤的準(zhǔn)確性。

本系統(tǒng)的頻率跟蹤結(jié)合硬件跟蹤（鎖相法）和軟件跟蹤的方法，發(fā)揮鎖相環(huán)跟蹤精度高和電流搜索法調(diào)節(jié)范圍寬的優(yōu)點(diǎn)。鎖相環(huán)采用的是74HC4046N芯片，當(dāng)固有諧振頻率發(fā)生突變，超出鎖相環(huán)的頻率跟蹤范圍，則切換到軟件跟蹤。搜索到最大電流值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的諧振頻率，將頻率拉回到鎖相環(huán)頻率跟蹤范圍內(nèi)。

2.2 采樣和保護(hù)電路

工作電壓的采樣是通過分壓電阻來實(shí)現(xiàn)，高頻電流信號(hào)的采樣是通過霍爾傳感器取得，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)入ARM處理芯片，最后通過D/A轉(zhuǎn)換輸出電壓控制74HC4046的壓控振蕩器。由于旋轉(zhuǎn)超聲電源的特點(diǎn)，電壓電流信號(hào)的采樣位置在高頻變壓器的原邊側(cè)。電壓信號(hào)通過功率電阻分壓后進(jìn)入控制板，電流信號(hào)通過滿足頻率和電流大小的高頻電流傳感器獲得。

保護(hù)電路包括過壓過流和短路保護(hù)，產(chǎn)生保護(hù)中斷信號(hào)后，程序立刻中斷 PWM的輸出，或者控制IR2110驅(qū)動(dòng)芯片的使能端，使超聲電源停止工作。

2.3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括主程序、自動(dòng)掃頻程序、頻率跟蹤程序和中斷服務(wù)程序等［6］。主程序包括系統(tǒng)初始化、看門狗復(fù)位等操作;定時(shí)中斷程序主要完成電源的電壓電流采樣和控制算法。圖3為超聲電源頻率跟蹤控制的流程圖。

自動(dòng)掃頻程序主要完成開機(jī)時(shí)對(duì)換能器參數(shù)的檢測，確保超聲電源和加工工具的匹配，其過程如下:將驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比設(shè)為15%，作為換能器的工作電壓，間隔固定時(shí)間施加不同頻率的激勵(lì)電壓，采樣主回路的電壓，通過一定的算法，可以判斷出換能器的諧振頻率，因此該數(shù)字式超聲電源能適用于多種頻率的換能器。

通過判斷鎖相環(huán)芯片4046的第1腳的高低電平，可知是否處于鎖定頻率狀態(tài)，決定調(diào)用軟件是否頻率跟蹤。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述理論分析制作了一臺(tái)樣機(jī)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)裝置包括感應(yīng)式超聲電源、諧振頻率約為30 kHz的換能器和工具頭、示波器和電壓電流傳感器等。通過阻抗分析儀PV70A測量得到換能器的參數(shù)為27.996 kHz，等效阻抗為45.73 Ω，靜態(tài)電容為3.168 nF。

分別記錄超聲加工空載和帶載時(shí)電壓電流的波形，如圖4所示。其中，1通道為主回路電壓，2通道為電流信號(hào)。

運(yùn)行20 min后，諧振工作頻率由27.950 kHz減小到27.928 kHz，電壓和電流的相位仍保持一致，保持工作在恒振幅模式，說明電源系統(tǒng)較好實(shí)現(xiàn)了頻率跟蹤。

4 結(jié)語

設(shè)計(jì)了一種帶自動(dòng)掃頻和復(fù)合頻率跟蹤的超聲電源，分析了超聲電源的頻率跟蹤原理，研制了基于ARM的全數(shù)字控制的旋轉(zhuǎn)超聲加工機(jī)床上用的電源樣機(jī)，有自動(dòng)掃頻功能、結(jié)構(gòu)簡單、頻率跟蹤效果好的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電源設(shè)計(jì)合理，具有良好的頻率跟蹤性能，應(yīng)用前景廣闊。

［1］姚震，郭鐘寧，張永俊，等.旋轉(zhuǎn)式變壓器在超聲加工中的應(yīng)用［J］.機(jī)床與液壓，2011（15）:70－72.

［2］Khmelev Vladimir N，Barsukov Roman V，Slivin Alexey N，et a1.System of phase－locked－loop frequency control of ultrasonic generators［A］.The Second Siberian Russian Student Workshop EDM’01［C］.［S.1.］:［s.n.］，2001，（3－7）:56－57.

［3］戴向國，傅水根.旋轉(zhuǎn)超聲加工智能超聲波發(fā)生器的研究［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2002，42（2）:182－184.

［4］趙淳生.超聲電機(jī)技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2007.

［5］鄭書友，徐西鵬.超聲加工中超聲發(fā)生器的頻率跟蹤技術(shù)［J］.機(jī)械工程師，2005（7）:70－72.

［6］李遠(yuǎn)波，張永俊，周慧峰，等.基于DSP的軟開關(guān)逆變式脈沖電源［J］.電力電子技術(shù)，2009（11）:59－60.