CN202998062U - 强制微抖动扫频跟踪式超声波电源 - Google Patents

Abstract

强制微抖动扫频跟踪式超声波电源，属于超声波加工技术领域。它解决了超声加工中由于负载的快速剧烈变化，而出现的超声波换能器意外停振的问题。它包括压电换能器，它还包括相位比较器、模拟加法器、压控振荡器、全桥功率放大器、输出变压器、匹配电路、电压电流取样器、三角波发生器、模拟除法器、峰值检测器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、电压信号放大器和电流信号放大器，它是对锁相环频率跟踪法的改进，通过加入一个窄带强制扫频单元，改变了传统锁相环扫频中过分依赖电流信号强度的问题，大大提高了频率跟踪的可靠性。本实用新型适用作超声波电源。

Description

强制微抖动扫频跟踪式超声波电源

技术领域

本实用新型涉及强制微抖动扫频跟踪式超声波电源，属于超声波加工技术领域。

背景技术

超声加工是目前硬脆材料加工的新方法，其特点是刀具与工件在超声作用下周期性的接触和分离，因此切削力小、刀具发热小、磨损低，加工质量高。但在加工过程中，由于刀具进给、加力和分离过程中伴随着剧烈的负载变化，大功率压电换能器容易发生停振问题，表现为振幅骤然降低、切削力剧增等不良现象，甚至导致刀刃损坏和工件报废等问题。

理论研究表明：超声加工过程中伴随的剧烈负载变化，直接导致换能器的机械谐振频率发生偏移，此时要求超声波电源必须能够及时改变自身振荡频率，在新的频率上激励换能器，重新使其恢复谐振状态，才能维持超声加工的继续进行。因此，频率跟踪是超声加工中十分重要的技术保证。

目前，用于超声加工的频率跟踪主要有两种方法：最大电流跟踪法和锁相环跟踪法。

最大电流跟踪法，根据换能器在谐振点附近振幅最大、电流最大的原理，时刻通过扫频，保持换能器工作在最大电流状态，从而实现频率跟踪。但换能器工作电流在谐振点的两侧都变小，因此容易误判扫频方向，从而出现跟踪失败。

锁相环法，利用换能器在谐振状态下电压和电流同相位的原理，通过改变振荡频率寻找电压电流的同相点，从而实现频率跟踪。一般来说，设计良好的换能器在较宽频率范围内只有一个谐振频率，而且谐振点两侧电压电流的相位相反，因此不会出现最大电流跟踪法中的误判跟踪方向问题。但是，由于换能器，特别是高品质因数换能器在非谐振状态时的电流很小，不易检测其相位；而提高放大器增益，又会引入额外的相位偏移，同样也很难将换能器拉回谐振状态。

发明内容

本实用新型是为了解决超声加工中由于负载的快速剧烈变化，而出现的超声波换能器意外停振的问题，提供了一种强制微抖动扫频跟踪式超声波电源。

本实用新型所述强制微抖动扫频跟踪式超声波电源，它包括压电换能器，它还包括相位比较器、模拟加法器、压控振荡器、全桥功率放大器、输出变压器、匹配电路、电压电流取样器、三角波发生器、模拟除法器、峰值检测器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、电压信号放大器和电流信号放大器，

电压电流取样器用于采集压电换能器的实时工作电压U_tr和实时工作电流I_tr，电压电流取样器的工作电压U_tr信号输出端连接电压信号放大器的电压信号输入端，电压信号放大器的放大信号输出端连接第一低通滤波器的滤波信号输入端，第一低通滤波器的滤波信号U_{tr_filter}输出端连接相位比较器的电压信号输入端；

电压电流取样器的工作电流I_tr信号输出端连接电流信号放大器的电流信号输入端，电流信号放大器的放大信号输出端连接第二低通滤波器的滤波信号输入端，第二低通滤波器的滤波信号I_{tr_filter}输出端连接相位比较器的电流信号输入端，相位比较器的扫频电压U_phase信号输出端连接模拟加法器的控制信号输入端；

模拟加法器的电压信号输入端连接模拟除法器的强制微抖动扫频电压U_s信号输出端，模拟除法器的第一信号输入端连接三角波发生器的三角波U_tri信号输出端，模拟除法器的第二信号输入端连接峰值检测器的峰值模拟电压U_peak信号输出端，峰值检测器用于采集第二低通滤波器输出的滤波信号I_{tr_filter}；

模拟加法器的扫频电压U_vf信号输出端连接压控振荡器的控制信号输入端，压控振荡器的方波信号输出端连接全桥功率放大器的放大信号输入端，全桥功率放大器的输出电压信号经输出变压器升压后输入给匹配电路，匹配电路的信号输出端连接电压电流取样器的信号输入端。

本实用新型的优点：本实用新型可实现包括超声加工在内的各类功率超声应用中，大功率压电换能器驱动的可靠频率跟踪。它是对锁相环频率跟踪法的改进，通过加入一个窄带强制扫频单元，改变了传统锁相环扫频中过分依赖电流信号强度的问题，大大提高了频率跟踪的可靠性。

由三角波发生器、模拟除法器、峰值检测器和模拟加法器形成的窄带强制扫频单元作用在于：当锁相环在慢速扫频下基本确定工作频率后，通过在一个窄频带内不断进行快速抖动式扫频来实现可靠频率跟踪。窄频带的宽度由换能器工作电流的峰值动态控制，峰值电流越小，扫频频带越宽，反之扫频带宽越窄。由于换能器停振时电流最小，因此本超声波电源能够通过加大扫频带宽和强制扫频重新唤醒意外停振的换能器，使频率跟踪具有更好的可靠性。

本实用新型通过主动强制扫频寻找谐振点，有效克服了传统锁相环频率跟踪式超声波电源中存在的停振问题，能够在负载剧烈变化的超声加工中，更加可靠地实现频率跟踪，具有十分重要的工程价值和现实意义。

所述超声波电源由模拟器件和少量非程控数字器件构成，能够适应工业现场的强电磁干扰，不怕辐射，不会出现死机现象。

附图说明

图1是本实用新型所述强制微抖动扫频跟踪式超声波电源的结构框图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述强制微抖动扫频跟踪式超声波电源，它包括压电换能器8，它还包括相位比较器1、模拟加法器2、压控振荡器3、全桥功率放大器4、输出变压器5、匹配电路6、电压电流取样器7、三角波发生器9、模拟除法器10、峰值检测器11、第一低通滤波器12、第二低通滤波器13、电压信号放大器14和电流信号放大器15，

电压电流取样器7用于采集压电换能器8的实时工作电压U_tr和实时工作电流I_tr，电压电流取样器7的工作电压U_tr信号输出端连接电压信号放大器14的电压信号输入端，电压信号放大器14的放大信号输出端连接第一低通滤波器12的滤波信号输入端，第一低通滤波器12的滤波信号U_{tr_filter}输出端连接相位比较器1的电压信号输入端；

电压电流取样器7的工作电流I_tr信号输出端连接电流信号放大器15的电流信号输入端，电流信号放大器15的放大信号输出端连接第二低通滤波器13的滤波信号输入端，第二低通滤波器13的滤波信号I_{tr_filter}输出端连接相位比较器1的电流信号输入端，相位比较器1的扫频电压U_phase信号输出端连接模拟加法器2的控制信号输入端；

模拟加法器2的电压信号输入端连接模拟除法器10的强制微抖动扫频电压U_s信号输出端，模拟除法器10的第一信号输入端连接三角波发生器9的三角波U_tri信号输出端，模拟除法器10的第二信号输入端连接峰值检测器11的峰值模拟电压U_peak信号输出端，峰值检测器11用于采集第二低通滤波器13输出的滤波信号I_{tr_filter}；

模拟加法器2的扫频电压U_vf信号输出端连接压控振荡器3的控制信号输入端，压控振荡器3的方波信号输出端连接全桥功率放大器4的放大信号输入端，全桥功率放大器4的输出电压信号经输出变压器5升压后输入给匹配电路6，匹配电路6的信号输出端连接电压电流取样器7的信号输入端。

本实施方式中，相位比较器1、压控振荡器3、电压电流取样器7、电压信号放大器14、电流信号放大器15、第一低通滤波器12和第二低通滤波器13形成主频率跟踪环路；三角波发生器9、模拟除法器10、峰值检测器11和模拟加法器2形成窄带强制扫频单元；全桥功率放大器4、输出变压器5、匹配电路6和压电换能器8形成功率单元。

相位比较器1的扫频电压U_phase信号输入给模拟加法器2，作为主扫频控制信号；峰值检测器11输出的峰值模拟电压U_peak信号和三角波发生器9输出的的三角波U_tri信号输入到模拟除法器10，分别作为除数和被除数。压控振荡器3输出的可变频率方波信号经过全桥功率放大器4后，经输出变压器5升压，再经过匹配电路6和电压电流取样器7后，推动大功率压电换能器8产生高频振动。大功率压电换能器8的功率范围是5W～2000W。

电压电流取样器7输出的实时工作电流I_tr和工作电压U_tr信号分别经过电压信号放大器14、电流信号放大器15、第一低通滤波器12和第二低通滤波器13后成为放大去噪信号U_{tr_filter}和I_{tr_filter}，再送至相位比较器1的两个输入端，构成主频率跟踪环路；放大去噪信号I_{tr_filter}接入峰值检测器11的输入端，在模拟除法器10的作用下，峰值模拟电压U_peak对三角波发生器9输出的三角波信号U_tri进行幅度控制，受控电压U_s在模拟加法器2的作用下叠加在相位比较器1生成的扫频电压U_phase上，实现强制窄带扫频功能，即锁相环扫频基础上的强制微抖动复合扫频。

具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一的进一步说明，本实施方式所述三角波发生器9采用ICL8038实现。

在超声加工中，负载的快速剧烈变化，会使超声波换能器意外停振，这会严重影响加工质量。下面分析基于传统锁相环频率跟踪式超声波电源存在问题的根本原因：

在传统的超声波电源中，不存在上述的窄带强制扫频单元，相位比较器1的输出信号直接作为压控振荡器3的输入信号，即U_vf＝U_phase。在工作状态下，电压电流取样器7取出压电换能器8的电压信号U_tr和电流信号I_tr后，经过电压信号放大器14、电流信号放大器15、第一低通滤波器12和第二低通滤波器13后，得到放大去噪的信号U_{tr_filter}和I_{tr_filter}。相位比较器1对两个信号进行相位判别，生成主扫频电压U_phase，其符号(极性)表示扫频方向，大小正比于相位差的绝对值。在主扫频电压的控制下，压控振荡器3输出频率可变的方波信号，经过全桥功率放大器4、输出变压器5、匹配电路6和电压电流取样器7后，推动大功率压电换能器8进行超声振动，带动刀具完成超声加工。由于在每一个频点下U_{tr_filter}和I_{tr_filter}的相位差都不同，因此U_phase也发生变化，从而压控振荡器3的频率改变，实现了闭环扫频过程。如果在发现某一频率处，U_phase＝0，就动态锁定该频率，达到动态频率跟踪的目的。

不过，一旦换能器在负载剧烈变化的影响下停振，I_tr会立即减小，经实测，小于谐振状态下电流强度的百分之一，从而使I_{tr_filter}也相应减小，由于相位比较器1有输入电压门限，此时U_phase便不能准确描述换能器电压电流的相位差，从而使压控振荡器3输出错误的振荡频率，也就不能再次“唤醒”换能器，加工过程被迫终止。

本实用新型所述超声波电源中，首先将三角波发生器9输出电压U_tri的幅度设定为相位比较器1输出电压U_phase最大值的1/5左右，即设定强制扫频范围，将三角波频率设定为相位比较器1输出截止频率的5至10倍，将峰值检测器11输出电压U_peak的最小值设为1V，即U_peak＞＝1V。

在正常工作，即换能器谐振时，由于I_{tr_filter}很大，故U_peak也很大，而在模拟除法器10的作用下，有：

U_s＝U_tri/U_peak            (1)

因此模拟除法器10的输出电压U_s很小，即压控振荡器3的控制电压U_vf具有如下特性：

U_vf＝U_phase+U_s≈U_phase    (2)

因此，在换能器正常谐振状态下，强制微抖动扫频跟踪式超声波电源和传统的锁相环频率跟踪式超声波电源基本一致，能够实现良好的动态跟踪。

当换能器在各种原因下发生振幅减小时，I_{tr_filter}变小，故U_peak也变小，三角波U_s随之增大，继而U_vf变成U_phase和一个三角波的叠加。在这种情况下，压控振荡器3开始输出强制扫频信号，如果此时大功率压电换能器8的谐振频率位于这个强制扫频区域，那么必然会在某一频点处出现I_{tr_filter}增大的情况。此时换能器在谐振点附近，I_{tr_filter}变大，强制扫频区域会迅速收窄，从而使超声电源恢复到正常的工作状态下，达到“唤醒”换能器的目的。

如果换能器的谐振频率已经偏移较远，并不位于强制扫频范围内，此时由于I_{tr_filter}的继续减小，使得强制扫频范围更宽，从而增大了“唤醒”换能器的可能性。由于一般换能器谐振频率的漂移在±5％至±10％以内，因此只要合理设置了强制扫频范围，就能够可靠“唤醒”换能器，使其重新回到谐振状态下正常工作。

将信号U_{tr_filter}和I_{tr_filter}回送至相位比较器1，实现了锁相环路的闭合。信号I_{tr_filter}还送至峰值检测器11，得到峰值电压U_peak，用于对三角波电压进行幅度控制，实现强制扫频的带宽控制。

相位比较器1和压控振荡器33可用集成电路CD4046内部的两个模块实现；模拟除法器10可由AD633和AD711实现；峰值检测器11由跨导运放组成；电压电流取样器7可由电压和电流互感器构成。

Claims (2)

1.一种强制微抖动扫频跟踪式超声波电源，它包括压电换能器(8)，其特征在于，它还包括相位比较器(1)、模拟加法器(2)、压控振荡器(3)、全桥功率放大器(4)、输出变压器(5)、匹配电路(6)、电压电流取样器(7)、三角波发生器(9)、模拟除法器(10)、峰值检测器(11)、第一低通滤波器(12)、第二低通滤波器(13)、电压信号放大器(14)和电流信号放大器(15)，

电压电流取样器(7)用于采集压电换能器(8)的实时工作电压U_tr和实时工作电流I_tr，电压电流取样器(7)的工作电压U_tr信号输出端连接电压信号放大器(14)的电压信号输入端，电压信号放大器(14)的放大信号输出端连接第一低通滤波器(12)的滤波信号输入端，第一低通滤波器(12)的滤波信号U_{tr_filter}输出端连接相位比较器(1)的电压信号输入端；

电压电流取样器(7)的工作电流I_tr信号输出端连接电流信号放大器(15)的电流信号输入端，电流信号放大器(15)的放大信号输出端连接第二低通滤波器(13)的滤波信号输入端，第二低通滤波器(13)的滤波信号I_{tr_filter}输出端连接相位比较器(1)的电流信号输入端，相位比较器(1)的扫频电压U_phase信号输出端连接模拟加法器(2)的控制信号输入端；

模拟加法器(2)的电压信号输入端连接模拟除法器(10)的强制微抖动扫频电压U_s信号输出端，模拟除法器(10)的第一信号输入端连接三角波发生器(9)的三角波U_tri信号输出端，模拟除法器(10)的第二信号输入端连接峰值检测器(11)的峰值模拟电压U_peak信号输出端，峰值检测器(11)用于采集第二低通滤波器(13)输出的滤波信号I_{tr_filter}；

模拟加法器(2)的扫频电压U_vf信号输出端连接压控振荡器(3)的控制信号输入端，压控振荡器(3)的方波信号输出端连接全桥功率放大器(4)的放大信号输入端，全桥功率放大器(4)的输出电压信号经输出变压器(5)升压后输入给匹配电路(6)，匹配电路(6)的信号输出端连接电压电流取样器(7)的信号输入端。

2.根据权利要求1所述的强制微抖动扫频跟踪式超声波电源，其特征在于，所述三角波发生器(9)采用ICL8038实现。

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