CN111817711B - 一种超声波加工系统的频率跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声波加工系统的频率跟踪方法。本发明采集超声换能器两端的电压信号和超声换能器回路的电流信号，将这两个信号分别输入对应的比较器正输入端，转换为同相位的方波信号；两个方波信号再输入异或门XOR和D触发器，则异或门XOR的输出脉冲信号的脉宽反映电压、电流信号的相位差大小；D触发器输出端的电平状态反映超声换能器的阻抗特性。本发明通过实时检测当前换能器谐振状态，结合算法追踪换能器的谐振频率，实现快速准确追踪换能器谐振频率变化的目的。

Description

一种超声波加工系统的频率跟踪方法

技术领域

本发明涉及超声波领域，具体涉及一种超声加工系统的频率跟踪方法。

背景技术

超声波电源又称为超声波发生器，是所有超声应用领域的能源提供者，超声波换能器由于工作环境(如温度、压力等)影响，其谐振频率会发生漂移，为了使换能器始终处于谐振状态，超声波电源输出电压频率必须始终跟随超声波换能器谐振频率变化。

传统的超声波电源频率跟踪方法有最大电流搜索谐振频率方法、锁相环频率跟踪方法和匹配电感调节方法等。其中，最大电流搜索谐振频率方法是利用超声波换能器在谐振频率状态下阻抗最小、输出电流最大的特点，采集换能器回路最大电流，比较得出电流最大值所对应的频率，即换能器的谐振频率，该方法需要电源对换能器进行扫频，频率跟踪的速度受到扫频周期的制约，启动时间较长。锁相环频率跟踪方法通过采样电源输出电压、电流的相位关系来改变输出电压的交变频率，以达到换能器回路谐振的效果，其跟踪精度比最大电流法要高，能获得较好的谐振效果，但其工作带宽较窄。匹配电感调节法是在电源输出频率不变的情况下，通过调节换能器回路匹配电感的大小来调节电源输出电压、电流的相位差，以达到换能器回路谐振的目的，该方法控制精度较低，很多场合中通过手动控制实现，在精度要求较高的场合并不建议使用，一般作为其他频率跟踪方法的辅助控制。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种超声波加工系统的频率跟踪方法。

本发明解决技术问题所采取的技术方案为：

一种超声波加工系统的频率跟踪方法，采集超声换能器两端的电压信号和超声换能器回路的电流信号，将这两个信号分别输入对应的比较器正输入端，转换为同相位的方波信号；

两个方波信号再输入异或门XOR和D触发器，则异或门XOR的输出脉冲信号的脉宽反映电压、电流信号的相位差大小；D触发器输出端的电平状态反映超声换能器的阻抗特性。

基于上述获得的信号，该方法包括以下步骤：

步骤1.在超声波电源上电时，搜索换能器的正反谐振频率点f_s、f_p并进行保存，将当前超声加工系统输出电压频率Cur_Fre设置为f_p。

步骤2.当系统运行时，每隔t_{sm_T}判断当前追频标志位状态，如果追频标志位为True，则进入D触发器追频模式，然后进入步骤3；如果追频标志位为False，则进入相位差追频模式，然后进入步骤4。

步骤3.获取当前D触发器输出端状态。

a)当检测到D触发器输出端状态为高电平时，则输出电压频率Cur_Fre设置为Cur_Fre+Up_Move，将追频标志位设置为True；当输出电压频率大于f_p+Max_Setup时，则将输出电压频率设置为f_p+Max_Setup，返回步骤2，其中Up_Move表示D触发器模式下增加频率的变化步长，Max_Setup表示D触发器模式下频率上界。

b)当检测到D触发器输出端状态为低电平时，则输出电压频率设置为Cur_Fre-Down_Move；当输出电压频率小于f_p-Min_Setup时，则将输出电压频率设置为f_p，将追频标志位设置位False，返回步骤2，其中Down_Move表示D触发器模式下减少频率的变化步长，Min_Setup表示D触发器模式下频率下界。

步骤4、相位差追频模式具体流程如下：

a)获取当前电压、电流信号之间的相位差数据。

b)当检测到相位差大于相位差阈值Phase_th时，则以f_p为起点，频率变化步长为step，在(f_p，f_p+Lim_th)范围内搜索谐振频率，若在此范围内检测到的相位差仍大于相位差阈值Phase_th，则将输出电压频率Cur_Fre重新调回起点f_p，以相同的步长step，在(f_p-Lim_th，f_p)范围内搜索谐振频率；若在内此范围内检测到的相位差Duty仍大于相位差阈值Phase_th；则将输出电压频率Cur_Fre起点设置为f_p+Lim_th，在(f_p+Lim_th，f_p+2Lim_th)范围内以相同步长搜索谐振频率，按此规律依次向下进行搜索，其中Lim_th表示相位差追频模式下的单次扫频界限值。

c)检测系统输出电压频率Cur_Fre是否在(f_s-Ran_th，f_s+Ran_th)范围内，若在则返回步骤b；若超出此范围则将当前输出电压频率Cur_Fre设置为f_p，返回步骤b，其中Ran_th表示相位差追频模式下的扫频区间参数。

d)当检测到相位差小于相位差阈值Phase_th时，则f_p＝Cur_Fre，返回步骤b。

e)检测D触发器输出端是否为高电平，若D触发器输出端为高电平，追频标志位为True，则进入D触发器追频模式，相位差追频模式关闭。

本发明的有益效果：本发明提出了一种基于硬件锁相环触发的谐振频率动态追踪方法，通过实时检测当前换能器谐振状态，结合算法追踪换能器的谐振频率，实现快速准确追踪换能器谐振频率变化的目的。

本发明与传统的方法相比具有两大优势。第一，具有在带载状态下任然能够实时并且快速的追踪换能器谐振频率的功能，在实际的带载测试实验中发现，运用了本发明的超声焊接换能器能够在2t_{sm_T}时间范围内追踪到压电换能器的谐振频率，而在同等条件下的传统追频算法却大约需要8t_{sm_T}的时间才能追中到超声换能器的谐振频率，并且传统的追频方法无法应对在苛刻工况(负载连续大范围突变)下的追频。第二，超声换能器在带载工作过程中发热量大大减少，超声换能器的工作寿命得以延长。超声换能器在带载工作过程中由于输出功率高于空载时的数十倍，若在较长时间偏离谐振频率点，则超声换能器就会严重发热而损坏，传统的追频方法由于追踪周期较长，在同等时间段内较长时间点都工作在非谐振频率点，故发热量较高。

附图说明

图1为超声换能器电参数等效电路图；

图2为硬件锁相环触发电路；

图3为硬件锁相环触发的谐振频率动态追踪方法流程图；

图4为搜频过程中电压电流之间的占空比及D触发器输出。

具体实施方式

如附图1所示，由换能器等效参数电路可知，超声换能器存在正反谐振频率，当超声波电源输出电压频率在正反谐振频率以外时，换能器等效参数电路呈现出感性负载特性；在正反谐振频率以内换能器等效参数电路呈现出容性负载特性。

在实际运用中发现，当换能器工作于反向谐振频率点时，换能器回路的等效阻抗模值最小，电流分量最大，换能器输出振幅将达到最大值，在实际工作过程中的性能最佳，因此追频算法需要实时将工作频率锁定在反向谐振频率点附近。

如图2所示，为本发明所使用的硬件，其中电压采样信号为换能器两端的电压信号，电流采样信号为换能器回路的电流信号。当电压信号和电流信号之间的相位差为零时，认为此时换能器等效为纯阻性器件并且已处于谐振状态。

为了能够获得电压信号和电流信号之间的相位差，将电压电流采样信号分别通入比较器C1和C2的正输入端，转换为与输出电压电流同相位的方波信号，通入异或门XOR和D触发器，则异或门XOR的输出脉冲信号的脉宽可以反映出电压、电流信号的相位差大小，D触发器输出端的电平状态反映出此时超声换能器的阻抗特性。因此，可以根据D触发器输出来决定超声波电源输出电压频率的变化方向，根据异或门XOR的输出脉宽来决定频率变化步长大小。

采样电路采集到的电压电流反馈信号是同频率的正弦信号，当调整超声波电源输出电压频率使得换能器等效参数电路呈现出感性特性时，换能器回路的电压信号超前电流信号，使用电压信号作为D触发器的时钟信号时，在电压信号的上升沿时刻，电流信号将一直为低电平，因此D触发器输出端将持续为低电平。当调整超声波电源输出电压频率使得换能器等效参数电路呈现出容性时，方波化后电流超前电压，此时在电压信号的上升沿时刻检测到的电流信号为高电平，D触发器输出端为高电平。因此在(F_s-Δ,F_p+Δ)范围由下向上扫频时(其中Δ为设置的扫频范围参数，一般可设置为1KHz)，D触发器输出端将出现先低再高最后低的“门”框形状(如图4所示)，在两门框边沿刚好对应正反谐振频率点,并且此时电压电流信号之间的相位差接近于零。

以下结合图3给出本发明的具体技术方案，在此技术方案中用到的参数做如下说明：

基于上述参数的定义，给出具体实施步骤：

步骤1.在超声波电源上电时，搜索换能器的正反谐振频率点f_s和f_p并进行保存，将当前超声加工系统输出电压频率Cur_Fre设置为f_p，追频标志位设置为True。

步骤2.当系统运行时，每隔t_{sm_T}判断当前追频标志位状态，如果为追频标志位True，则进入D触发器追频模式，然后进入步骤3；如果追频标志位为False，则进入相位差追频模式，然后进入步骤4。

步骤3.获取当前D触发器输出端状态。

步骤3.1判断D触发器输出状态

a)当检测到D触发器输出端状态为高电平时，将输出电压频率Cur_Fre设置为Cur_Fre+Up_Move。

b)当检测到D触发器输出端状态为低电平时，则输出电压频率Cur_Fre设置为Cur_Fre-Down_Move。

步骤3.2设置追频标志位

a)当输出电压频率大于f_p+Max_Setup时，则将输出电压频率设置为f_p+Max_Setup；追频标志位设置为True。

b)当输出电压频率小于f_p-Mitt_Setup时，则将输出电压频率设置为f_p，将追频标志位设置位False。并设置当前相位差追频范围LBase＝f_p，nLBase＝LBase+Lim_th，step＝step，n＝0。

步骤3.3返回步骤2

步骤4、相位差追频模式具体流程如下：

步骤4.1获取当前电压电流信号之间的相位差

在获取相位差时，为避免高频干扰的影响，本发明采用异或门输出信号的多个超声周期来计算相位差/>

其中T为多个超声周期的总时间，可设置为10-20个超声周期；T_h为异或门XOR在T时间内的高电平时间。

步骤4.2判断当前相位差与相位差阈值Phase_th关系，执行如下跟踪频率步骤：

步骤4.2.1依次进行如下判断：

a)如果当前频率值在当前相位差追频范围(LBase，nLBase)内，则

Cur_Fre＝Cur_Fre+Step。

b)如果当Cur_Fre＞nLBase，则：

n++，LBase＝LBase-n*Lim_th，nLbase＝nLbase-n*Lim_th，Cur_Fre＝nLbase，Step＝-Step。

c)如果当Cur_Fre＜LBase，则：

n++，LBase＝LBase+n*Lim_th，nLbase＝nLbase+n*Lim_th，Cur_Fre＝LBase，Step＝Step。

d)如果当前频率值不在(f_s-Ran_th，f_s+Ran_th)范围内，则当前输出电压频率Cur_Fre设置为f_p。

步骤4.2.2时，更新反向谐振频率，f_p＝Cur_Fre。

步骤4.3检测D触发器输出端是否为高电平，若D触发器输出端为高电平，追频标志位置为True。

Claims (2)

1.一种超声波加工系统的频率跟踪方法，其特征在于：采集超声换能器两端的电压信号和超声换能器回路的电流信号，将这两个信号分别输入对应的比较器正输入端，转换为同相位的方波信号；

两个方波信号再输入异或门XOR和D触发器，则异或门XOR的输出脉冲信号的脉宽反映电压、电流信号的相位差大小，D触发器输出端的电平状态反映超声换能器的阻抗特性；

其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤1.在超声波电源上电时，搜索换能器的正反谐振频率点f_s、f_p并进行保存，将当前超声加工系统输出电压频率Cur_Fre设置为f_p；

步骤2.当系统运行时，每隔t_{sm_T}判断当前追频标志位状态，如果追频标志位为True，则进入D触发器追频模式，然后进入步骤3；如果追频标志位为False，则进入相位差追频模式，然后进入步骤4；

步骤3.获取当前D触发器输出端状态；

a)当检测到D触发器输出端状态为高电平时，则输出电压频率Cur_Fre设置为Cur_Fre+Up_Move，将追频标志位设置为True；当输出电压频率大于f_p+Max_Setup时，则将输出电压频率设置为f_p+Max_Setup，返回步骤2，其中Up_Move表示D触发器模式下增加频率的变化步长，Max_Setup表示D触发器模式下频率上界；

b)当检测到D触发器输出端状态为低电平时，则输出电压频率设置为Cur_Fre-Down_Move；当输出电压频率小于f_p-Min_setup时，则将输出电压频率设置为f_p，将追频标志位设置位False，返回步骤2，其中Down_Move表示D触发器模式下减少频率的变化步长，Min_Setup表示D触发器模式下频率下界；

步骤4、开启相位差追频模式，相位差追频模式具体流程如下：

a)获取当前电压、电流信号之间的相位差；

b)当检测到相位差大于相位差阈值Phase_th时，则以f_p为起点，频率变化步长为step，在(f_p，f_p+Lim_th)范围内搜索谐振频率，若在此范围内检测到的相位差仍大于相位差阈值Phase_th，则将输出电压频率Cur_Fre重新调回起点f_p，以相同的步长step，在(f_p-Lim_th，f_p)范围内搜索谐振频率；若在内此范围内检测到的相位差Duty仍大于相位差阈值Phase_th；则将输出电压频率Cur_Fre起点设置为f_p+Lim_th，在(f_p+Lim_th，f_p+2Lim_th)范围内以相同步长搜索谐振频率，按此规律依次向下进行搜索，其中Lim_th表示相位差追频模式下的单次扫频界限值；

c)检测系统输出电压频率Cur_Fre是否在(f_s-Ran_th，f_s+Ran_th)范围内，若在则返回步骤b；若超出此范围则将当前输出电压频率Cur_Fre设置为f_p，返回步骤b，其中Ran_th表示相位差追频模式下的扫频区间参数；

d)当检测到相位差小于相位差阈值Phase_th时，则f_p＝Cur_Fre，返回步骤b；

e)检测D触发器输出端是否为高电平，若D触发器输出端为高电平，追频标志位为True，则进入D触发器追频模式，相位差追频模式关闭。

2.根据权利要求1所述的一种超声波加工系统的频率跟踪方法，其特征在于：采用异或门输出信号的多个超声周期来计算相位差

其中T为多个超声周期的总时间，T_h为异或门XOR在T时间内的高电平时间。