CN113289880A - 超声换能器振幅恒定控制方法与设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声换能器振幅恒定控制方法与设备，该控制方法包括：S1、根据超声辅助加工过程的加工工况，设置标定电流；S2、控制超声电源按照设定频率输出电信号；S3、获取加工过程中超声换能器的实时电流有效值与实时电压电流相位差；S4、计算所述实时电流有效值与所述标定电流之间的误差，并判断所述误差是否在一预设范围内，若是，则跳转至步骤S6；若否，则进入步骤S5；S5、根据所述实时电压电流相位差调整超声电源输出电信号的频率，并返回步骤S2；S6、完成超声换能器振幅恒定控制。

Description

超声换能器振幅恒定控制方法与设备

技术领域

本发明涉及智能制造技术领域，具体涉及一种超声换能器振幅恒定控制方法与设备。

背景技术

在超声辅助加工过程中，超声换能器的输出振幅峰值一直是工程领域关注的焦点。在传统的控制技术中，主流的技术方案是最小相位法，其核心在于控制电流与电压的相位差一直处于尽量接近零的状态，从而使得超声换能器的振幅一直处于最大值。申请号为CN202010658964.0的发明专利申请公开了一种超声波加工系统的频率跟踪方法，该方法是采用异或门输出信号的多个超声周期来计算相位差，通过相位差判断换能器的谐振状态，进而实现追踪换能器谐振频率变化的目的。但是由于加工环境与工况的实时变化，超声换能器的振幅最大值本身具有波动性，超声辅助加工过程中的超声振幅无法通过使用该方法保持恒定，被加工零件的表面质量会下降。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提出一种超声换能器振幅恒定控制方法与设备，通过利用超声电源控制激励信号的频率达到恒定电流输出，实现超声换能器振幅恒定控制，以保证超声辅助加工过程的加工稳定性。

为达上述目的，本发明提出以下技术方案：

一种超声换能器振幅恒定控制方法，包括以下步骤：S1、根据超声辅助加工过程的加工工况，设置标定电流；S2、控制超声电源按照设定频率输出电信号；S3、获取加工过程中超声换能器的实时电流有效值与实时电压电流相位差；S4、计算所述实时电流有效值与所述标定电流之间的误差，并判断所述误差是否在一预设范围内，若是，则跳转至步骤S6；若否，则进入步骤S5；S5、根据所述实时电压电流相位差调整超声电源输出电信号的频率，并返回步骤S2；S6、完成超声换能器振幅恒定控制。

本发明另还提供了一种超声换能器振幅恒定控制设备，包括：超声电源，用于按照设定频率输出电信号；数据采集单元，用于采集加工过程中超声换能器的实时电流数据和实时电压数据；有效值计算单元，连接于所述数据采集单元，用于根据所述实时电流数据计算所述实时电流有效值；相位差计算单元，连接于所述数据采集单元，用于根据所述实时电流数据和所述实时电压数据计算所述实时电压电流相位差；控制单元，连接于所述超声电源、所述有效值计算单元和所述相位差计算单元，用于：根据超声辅助加工过程的加工工况，设置标定电流；以及，接收所述实时电流有效值和所述实时电压电流相位差，以计算所述实时电流有效值与所述标定电流之间的误差，并判断所述误差是否在一预设范围内，并在所述误差未处于所述预设范围内时，根据所述实时电压电流相位差调整超声电源输出电信号的频率，直至所述误差处于所述预设范围内而完成超声换能器振幅恒定控制。

与现有技术相比，本发明具备如下有益效果：

1)本发明根据超声换能器的频率响应特性，通过调整激励信号的频率来改变超声换能器的阻抗，实现电流的恒定控制，进而达到控制超声换能器的振幅保持恒定的目的。相对于在超声电源领域中较通用的最小相位法、最大电流跟踪方法等，本发明提出的恒定电流控制方法具有响应时间短，操作简易，且可以在超声辅助加工过程中，高效地保证超声换能器受到的激励电流恒定，进而达到控制超声换能器振幅恒定的效果，在超声辅助加工领域具有较好的发展前景；

2)本发明可以高效地完成超声辅助加工中超声换能器的振幅追踪，并且具备硬件成本小、计算复杂度低、控制难度小、各个信号监测方便等优点，有利于提高超声辅助加工过程中加工零部件的表面质量，保证加工效率，在超声辅助加工领域具有重要的意义；

3)相对于目前已有的振幅控制设备，本发明的控制设备无需引入额外的升降电压调整及占空比控制等电路，在硬件上具有更优的成本。相比于调整输出电压所实现的振幅控制，本发明避免了由于驱动电压所导致的超声换能器器件非线性问题。

附图说明

图1是本发明实施例提出的超声换能器振幅恒定控制方法流程图；

图2是本发明实施例提出的超声换能器振幅恒定控制设备原理框图；

图3是超声换能器负载频率响应说明图；

图4是超声换能器工作频率区间中的相位差-频率单调关系图；

图5是不同控制方法所输出的振幅随时间变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步说明。

本发明实施例首先提出一种超声换能器振幅恒定控制设备，如图2所示，为该控制设备的原理框图；参考图2，该控制设备包括超声电源、数据采集单元、有效值计算单元、相位差计算单元和控制装置。其中，超声电源作为频率源，提供超声换能器工作所需的激励信号，频率源可提供精确频率信号，但其带载能力通常较低，因此利用功率放大器对超声电源生成的电信号进行幅值放大处理之后，再将信号输出给超声换能器。频率源可以通过直接数字式频率合成模块(DDS)、锁相环等技术进行控制输出。数据采集单元可以通过采样电阻、电流互感器等方式采集加工过程中超声换能器的实时电流数据和实时电压数据。有效值计算单元和相位差计算单元均连接于所述数据采集单元，分别用于：根据所述实时电流数据计算实时电流有效值，根据所述实时电流数据和所述实时电压数据计算实时电压电流相位差。控制装置连接于所述超声电源、所述有效值计算单元和所述相位差计算单元，用于：根据超声辅助加工过程的加工工况，设置标定电流；以及，接收所述实时电流有效值和所述实时电压电流相位差，以计算所述实时电流有效值与所述标定电流之间的误差，并判断所述误差是否在一预设范围内，并在所述误差未处于所述预设范围内时，根据所述实时电压电流相位差调整超声电源输出电信号的频率，直至所述误差处于所述预设范围内而完成超声换能器振幅恒定控制。

应当理解的是，所述有效值计算单元和所述相位差计算单元均可以通过模拟电路的方式，或者数字电路的方式，分别计算所述实时电流有效值和所述实时电压电流相位差。实时电流有效值是根据下述公式计算所得，其中I_rms为所述的实时电流有效值，I_i为在一段时间内将所采集的实时电流数据离散化处理后的一系列电流值，N为将电流离散化处理后的一系列电流值的总数量。

本发明实施例另提出一种与前述控制设备相应的超声换能器振幅恒定控制方法，参考图1，该控制方法包括步骤S1至S6：

步骤S1、根据超声辅助加工过程的加工工况，设置标定电流与标定相位差。所设置的标定电流是要让超声换能器的振幅达到期望值，所设置的标定相位差是超声换能器的振幅达到期望值时电压相对于电流的相位差值，它反映的是超声换能器的阻抗，电压电流相位差越大则表示阻抗越大。振幅追踪的目标是让超声换能器的阻抗可以位于期望值，通常期望阻抗达到最小阻抗，即如图3中A点所在的位置。因此该标定电流的值可以是超声换能器阻抗最小时对应的电流值或者期望振幅大小相应的电流值；同样地，该标定相位差的值可以是超声换能器阻抗最小时对应的电压电流相位差值，或者是与超声换能器期望振幅大小相应的电压电流相位差值。当加工工况比如加工环境、加工物件的材料等发生变化时，超声换能器的最小阻抗、期望振幅大小也发生变化，因而标定电流的值与标定相位差的值也要发生变化。标定电流与标定相位差可以由所述控制装置根据前述的描述进行确定并存储。

步骤S2、控制超声电源按照设定频率输出电信号。为了实现超声换能器振幅的追踪，完成振幅恒定控制，超声电源输出的电信号的频率不是一成不变的，需要根据振幅追踪情况实时调整直至满足振幅恒定的条件。超声电源输出电信号的频率可以通过所述控制装置来控制。

步骤S3、获取加工过程中超声换能器的实时电流有效值与实时电压电流相位差。为了实现超声换能器振幅的追踪，可利用数据采集单元实时采集超声换能器工作过程中的数据，比如实时电流数据和实时电压数据，再根据所采集的数据来计算出加工过程中超声换能器的实时电流有效值与实时电压电流相位差。

步骤S4、计算所述实时电流有效值与所述标定电流之间的误差，并判断所述误差是否在一预设范围内，若是，则跳转至步骤S6；若否，则进入步骤S5。比如，当所述实时电流有效值已经比较接近于所述标定电流时，两者之间的误差已经较小，则可以认为超声换能器的振幅已达到期望振幅大小，因而可以保持频率源输出电信号的频率为当前频率，完成振幅恒定控制。否则，还要根据实时电压电流相位差进行进一步的判断，来继续调整频率源输出电信号的频率，即，进入步骤S5。

步骤S5、根据所述实时电压电流相位差调整超声电源输出电信号的频率，并返回步骤S2。

电压电流相位差指的是电压相对于电流的相位差值，取值范围为-90°至90°，如果相位差为正值说明电压相位领先，如果相位差为负值则说明电压相位落后。

参阅图4，在超声换能器的工作区间，其电压电流相位差与工作频率呈单调关系，因此可以通过控制频率源所产生电信号的频率来改变超声换能器的工作频率，进而改变电压电流相位差。反过来，电压电流相位差的值可以反映超声换能器的工作频率。如图3所示，A点为当前加工工况下阻抗最小的点，那么当频率为A点对应的频率时超声换能器的电流设为标定电流、超声换能器的电压相对于电流的相位差设为标定相位差。当计算得到的电压电流相位差大于所设置的标定相位差时，说明此时超声换能器的频率高于A点时阻抗对应的频率，比如达到了B点所对应的频率，则需要步进地降低所产生电信号的频率，以实现降低超声换能器的阻抗，增大电流，并达到提高超声换能器振幅的目的。反之，若当前计算得到的电压电流相位差小于标定相位差，说明此时超声换能器的频率低于A点对应的频率，比如达到了C点所对应的频率，则需要步进地提高所产生电信号的频率，以实现降低超声换能器的阻抗，增大电流，并达到提高超声换能器振幅的目的。重复上述的计算过程，直至所述误差的绝对值稳定在标定电流的10％以内时，可认为达到了最小阻抗，最大振幅。基于此，可以根据实时电压电流相位差来判断是要降低频率还是要提高频率，具体而言，若所述实时电压电流相位差大于标定相位差，则以步进方式降低所述电信号的频率；若所述实时电压电流相位差小于标定相位差，则以步进方式提高所述电信号的频率。步进调整频率的步长可以是1～100Hz，如果比较关注精确度，则可以将调整步长设置较小，比如每调整一次的频率变化为5Hz。每执行一次步骤S5，则调整一次超声电源输出电信号的频率，每一次频率变化，都会导致超声换能器的电流和两端的电压发生变化，即实时采集的电压数据和电流数据变化，进而计算得到的实时电流有效值和实时电压电流相位差也在变化，通过不断调整，使得实时电流有效值逐渐接近所设置的标定电流，直至误差稳定在预设范围内，该预设范围例如可以设置为标定电流的10％以内。

步骤S6、完成超声换能器振幅恒定控制。

为测试所提出的超声换能器振幅恒定控制方法的振幅稳定性指标，分别使用固定频率、恒定零相位跟踪、恒定电流跟踪三种方法，对同一超声换能器进行驱动，并取90s为时间间隔，进行机械振幅信号的采集。所得电源系统在开环及不同控制算法下的换能器振幅变化情况，如图5所示。在换能器的驱动过程中，其振动发热量较大，从而出现剧烈温升，进一步导致换能器的谐振频率出现漂移。对于开环驱动而言，由于电路工作频率不变，未对漂移的谐振频率进行跟随，导致换能器的输出振幅急剧下降，在7分钟内振幅可下降30％以上。采用以零相位为跟踪目标的恒定相位跟踪算法进行跟踪时，系统的工作频率保持在谐振频率点，因此具有较大的机械振幅。但受换能器发热过程中参数变化的影响，谐振状态下的电流增大，机械振幅会逐渐提高，直至换能器温度平稳后达到稳定，整个过程中振幅波动约为9.9％。对于恒定电流跟踪方法，在系统的初始化过程中选择相位角10°作为初始频率跟踪点，此时的电流小于谐振状态下的最大电流值，旨在为算法的调整预留余量。随着换能器的温度上升，锁定该相位下得到的输出电流逐渐升高，算法随即逐渐调大了所跟踪的相位值，由初始的10°调整至约25°的相位差进行频率跟踪，实现了输出电流的闭环控制，该过程中所采集到的换能器峰峰值振幅保持在11μm附近，波动维持在3.6％之内，相对恒定相位频率跟踪算法而言稳定性更高。综上，相较于传统的最小相位频率跟踪方法而言，本发明所提出的恒定电流跟踪方法具有更高的输出稳定性，更适用于超声加工等稳定性要求较高的超声系统。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种超声换能器振幅恒定控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据超声辅助加工过程的加工工况，设置标定电流；

S2、控制超声电源按照设定频率输出电信号；

S3、获取加工过程中超声换能器的实时电流有效值与实时电压电流相位差；

S4、计算所述实时电流有效值与所述标定电流之间的误差，并判断所述误差是否在一预设范围内，若是，则跳转至步骤S6；若否，则进入步骤S5；

S5、根据所述实时电压电流相位差调整超声电源输出电信号的频率，并返回步骤S2；

S6、完成超声换能器振幅恒定控制。

2.如权利要求1所述的超声换能器振幅恒定控制方法，其特征在于：所述标定电流为超声换能器阻抗最小时的电流，或者是与超声换能器的期望振幅大小相应的电流值。

3.如权利要求1所述的超声换能器振幅恒定控制方法，其特征在于：所述超声电源输出的电信号经功率放大器进行放大之后，再输入超声换能器。

4.如权利要求1所述的超声换能器振幅恒定控制方法，其特征在于：步骤S4中所述预设范围是所述标定电流的10％以内。

5.如权利要求1所述的超声换能器振幅恒定控制方法，其特征在于，步骤S5中根据所述实时电压电流相位差调整超声电源输出电信号的频率，包括：若所述实时电压电流相位差大于一预设的标定相位差，则以步进方式降低所述电信号的频率；若所述实时电压电流相位差小于所述标定相位差，则以步进方式提高所述电信号的频率；

其中，所述标定相位差是在当前加工工况下，对应于超声换能器期望振幅大小时的电压电流相位差，或者对应于超声换能器阻抗最小时的电压电流相位差。

6.一种超声换能器振幅恒定控制设备，其特征在于，包括：

超声电源，用于按照设定频率输出电信号；

数据采集单元，用于采集加工过程中超声换能器的实时电流数据和实时电压数据；

有效值计算单元，连接于所述数据采集单元，用于根据所述实时电流数据计算所述实时电流有效值；

相位差计算单元，连接于所述数据采集单元，用于根据所述实时电流数据和所述实时电压数据计算所述实时电压电流相位差；

控制单元，连接于所述超声电源、所述有效值计算单元和所述相位差计算单元，用于：根据超声辅助加工过程的加工工况，设置标定电流；以及，接收所述实时电流有效值和所述实时电压电流相位差，以计算所述实时电流有效值与所述标定电流之间的误差，并判断所述误差是否在一预设范围内，并在所述误差未处于所述预设范围内时，根据所述实时电压电流相位差调整超声电源输出电信号的频率，直至所述误差处于所述预设范围内而完成超声换能器振幅恒定控制。

7.如权利要求6所述的超声换能器振幅恒定控制设备，其特征在于，还包括功率放大器，连接于所述超声电源的输出端，用于对超声电源输出的电信号进行放大。

8.如权利要求6所述的超声换能器振幅恒定控制设备，其特征在于，所述控制单元根据超声辅助加工过程的加工工况设置标定电流的方式是：将超声换能器阻抗最小时的电流，或者是与超声换能器的期望振幅大小相应的电流值设为所述标定电流。

9.如权利要求6所述的超声换能器振幅恒定控制设备，其特征在于，所述控制单元根据所述实时电压电流相位差调整超声电源输出电信号的频率的方式是：若所述实时电压电流相位差大于一预设的标定相位差，则以步进方式降低所述电信号的频率；若所述实时电压电流相位差小于所述标定相位差，则以步进方式提高所述电信号的频率；

其中，所述标定相位差是在当前加工工况下，对应于超声换能器期望振幅大小时的电压电流相位差，或者对应于超声换能器阻抗最小时的电压电流相位差。

10.如权利要求6所述的超声换能器振幅恒定控制设备，其特征在于，所述有效值计算单元和所述相位差计算单元通过模拟电路或数字电路的方式，分别计算所述实时电流有效值和所述实时电压电流相位差。

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