程控超声加工电源的频率跟踪和恒幅控制
摘 要频率跟踪和恒定振幅控制是超声加工电源两个重要的特性。本文用电路理论分析了电流作了反馈控制量的理论依据，介绍了发生器的结构、频率跟踪和恒幅输出的实现方法，完成了变步长频率跟踪和pid恒幅控制的软件设计。
关键词超声发生器 频率跟踪 恒幅输出abstract frequency automatic tracking and amplitude stabilizing are two important characteristics of ultrasonic machining power. in this paper, the reason of treating current as feedback is analyzed with circuit theory, the system of ultrasonic generator controlled with a single-chip computer and the realization methods of frequency tracking and amplitude stabilizing are introduced, the software of adaptive tracking and pid are completed.
1 简介
超声加工过程中，振动系统的温度、刚度、静载荷、加工面积、工具磨损等因素的变化，使得系统的固有频率发生漂移，这就要求超声发生器具有频率自动跟踪功能，同时为保证加工质量和保护超声系统，要求发生器具有根据负载调整输出功率的功能。传统的超声发生器采用电子管振荡器产生高频信号，经功率放大后产生超声波，其缺点是难以实现频率跟踪，不能适应负载的变化（如：工具的更换、磨损等），并且电子管还工作于线性区，损耗大；另外，工作稳定性差，且启动能力差。本文中超声电源采用功率器件igbt，它工作于开关状态，损耗小且工作频率高；采用单片机软件变步长频率自动跟踪，加快了跟踪速度，且搜索范围较大、搜索精度高；自动进行输出振幅和功率控制，实现了恒振幅和单位负载恒功率输出，从而提高了加工质量和效率，实现了频率数字显示和软件保护。
2 超声发生器原理
2.1 选择电流作为反馈控制量的理论依据
根据机械与电的等效理论，*可用一个二端口网络等效，如图1所示，r、r表示换能器输入电压、电流，z、z表示机械端振动力、振速，rz为机械阻抗。网络的z参数方程为：，由于换能器损耗相对声能可忽略不计，z相当于纯电抗参数，则z参数方程可表示为：
图1 换能器等效二端口网络
（1）
（2）
联立（1）（2）式解得：
（3）
（4）
当式（3）右侧模zui小时，r的有效值取zui大值，所以当
（5）时，即换能器谐振时，输入换能器的电流有效值zui大。由式（4）得：
（6）由纵振换能器的特性可知x22rz，式（6）可简化为：
（7）则谐振时，振子振幅a为：
（8）ω为谐振角频率，将式（7）代入式（8）得：
（9）x22、x21换能器固有参数为常量，当｜r｜恒定时，输出振幅a恒定。由以上分析可知：可把换能器电流有效值作为反馈量调节逆变频率和整流输出电压，实现超声系统谐振控制和振幅恒定输出控制。
2.2 超声发生器系统结构
超声发生器原理见图2。霍尔传感器取得电流有效值信号，经快速a/d转化为数字信号送入单片机，单片机分析电流有效值信号，通过d/a输出电压控制压控振荡器vco的振荡频率，再经过硬件电路形成死区保护功率开关元件，防止直通；zui后采用触发集成电路触发开关元件。同时单片机利用检测的电流值通过d/a控制同步振荡器，进行整流控制，达到换能器输入电流恒定的目的。由于逆变前后电流有效值近似相等，实际电路中通常把检流放于逆变之前。
图2 超声发生器原理框图
3 控制电路及软件实现
3.1 逆变控制及变步长频率跟踪
单片机把检测到的负载电流有效值信号与zui大负载电流进行比较，决定d/a输出电压的大小，从而通过调整压控振荡器的输入电压决定输出频率的大小（压控振荡器选用mc1046b，输入电压从0v升到5v时，输出频率为10～30khz的方波信号），使之与换能器谐振；死区形成电路采用单稳态触发器形成死区时间（可根据选用的功率开关器件设定）；驱动块采用igbt驱动模块exb841进行驱动。
在加工过程中，振动系统的固有频率变化分为缓慢频率变化和瞬间频率变化。由工具磨损和温度变化引起的谐振频率的漂移属于缓慢变化；由负载和系统刚度的变化引起的谐振频率的漂移属于瞬间变化，频率自动跟踪要求发生器能快速、准确地跟踪系统固有频率的缓慢或瞬间变化。电流与频率关系如图3所示，其中f1表示系统的固有频率，系统工件于此频率时，流过换能器的电流zui大，工具头振幅zui大；而加工一段时间后，频率可能漂移到f2,只有此时工具头振幅才zui大。
图3 变幅杆电流（导纳）与频率的关系
另外，由于变幅杆材料加工工艺、振子本身形状等原因，可使振子具有多峰值性（见图3），所以，开始加工时，先用较大的步长进行固有频率范围搜索，当搜索到固有频率所在频域时，改用变步长搜索。在加工过程中，系统的固有频率缓慢变化时，采用小步长进行搜索；当由于某种原因固有频率突变时，小步距搜索谐振点需较长的时间，影响加工效率，如先用大步长后用小步长的方法进行搜索，无疑节省了大量的时间，保证了跟踪速度和精度；同时注意到：固有频率突变时，由于振子的多峰值性，可能跟踪到较小的电流峰值点，故设定电流范围i1，超出范围（即低于i1）时，重新进行固有频率范围全程搜索。加入跟踪范围的改进变步长搜索框图见图4。
图4 变步长搜索框图
a——检测的电流量，b——频率控制量输出，c——搜索步长，
b3、b4——跟踪范围设定量，amax——zui大电流，bmax——对应
电流zui大值时的频率控制量，i——搜索跟踪次数
3.2 整流电路与换能器输出恒定振幅控制
实际加工中，机械负载是经常变化的（加工小孔时直径的变化），即使频率跟踪良好，负载的增大也会引起输出振幅、单位负载功率的下降；尤其是超声设备工作过程中，变幅杆从有载变为空载（或空载变为有载）时，机械阻抗急剧变小（或大），超声发生器和换能器极易受损，同时为提高加工表面质量及工艺过程的稳定可靠性，要求换能器传送出的机械功率随负载的变化而变化，即工具头输出振幅恒定。采用换能器恒电流工作，电流的调节通过调节单相桥式半控整流输出电压的高低来实现，即调节晶闸管的触发时间来达到调节电压从而调节换能器电流的目的，具体控制电路见图5。开始工作时，单片机输出一个设定控制量，然后根据采样电流和设定电流进行调节。调节方法分为手动和自动两种方式。手动方式是直接调节电阻rp的大小，从而改变整流输出电压的大小；自动方式是将检测到的电流信号经单片机计算后，通过d/a输出控制单结晶体管的导通时间，单结晶体管导通的同时触发晶闸管，使晶闸管导通，当主电路电压反向时晶闸管自行关断。这种控制方式还有以下优点：可通过输出功率判断换能器故障和振动系统连接部分是否松动；负载过大时，自动停止整流输出并报警；频率跟踪失灵时，重新启动系统。
图5 整流控制电路
单片机为使输出电流快速跟踪给定电流，采用增量式数字pid调节方式，为了克服积分饱和，判断后决定采用pd或pid调节的方式。具体pid框图见图6，其中ae为设定电流，u1为zui大输出电流对应控制量，k为比例放大倍数，i为积分放大倍数，d为微分放大数。
图6 整流pid算法框图
4 硬件连接及主程序框图
本电路使用单片机和外接eprom程序存储器构成控制核心，用霍尔检流块和快速a/d转换器组成输入通道，用两片d/a调整电路及v/f模块和驱动块组成输出通道。连接方式见参考文献［2］。主程序见图7。
图7 主程序框图
5 结束语
（1）频率跟踪技术和稳定振幅技术的同时引入，即提高了工效，又保证了加工表面的质量。
（2）通过保持电流有效值恒定，稳定振幅是一种近似方法，但通过单片机的调整可取得良好的效果。
（3）单片机系统是一种开放型系统，可随时加入新的控制方式，而不用更换硬件电路，通过软件实现系统保护，降低了成本。
（4）若采用两个cpu，一个进行逆变控制，一个进行整流控制，效果将更加理想，并可同时显示频率和振幅。
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关键词超声发生器 频率跟踪 恒幅输出abstract frequency automatic tracking and amplitude stabilizing are two important characteristics of ultrasonic machining power. in this paper, the reason of treating current as feedback is analyzed with circuit theory, the system of ultrasonic generator controlled with a single-chip computer and the realization methods of frequency tracking and amplitude stabilizing are introduced, the software of adaptive tracking and pid are completed.
1 简介
超声加工过程中，振动系统的温度、刚度、静载荷、加工面积、工具磨损等因素的变化，使得系统的固有频率发生漂移，这就要求超声发生器具有频率自动跟踪功能，同时为保证加工质量和保护超声系统，要求发生器具有根据负载调整输出功率的功能。传统的超声发生器采用电子管振荡器产生高频信号，经功率放大后产生超声波，其缺点是难以实现频率跟踪，不能适应负载的变化（如：工具的更换、磨损等），并且电子管还工作于线性区，损耗大；另外，工作稳定性差，且启动能力差。本文中超声电源采用功率器件igbt，它工作于开关状态，损耗小且工作频率高；采用单片机软件变步长频率自动跟踪，加快了跟踪速度，且搜索范围较大、搜索精度高；自动进行输出振幅和功率控制，实现了恒振幅和单位负载恒功率输出，从而提高了加工质量和效率，实现了频率数字显示和软件保护。
2 超声发生器原理
2.1 选择电流作为反馈控制量的理论依据
根据机械与电的等效理论，*可用一个二端口网络等效，如图1所示，r、r表示换能器输入电压、电流，z、z表示机械端振动力、振速，rz为机械阻抗。网络的z参数方程为：，由于换能器损耗相对声能可忽略不计，z相当于纯电抗参数，则z参数方程可表示为：
图1 换能器等效二端口网络
（1）
（2）
联立（1）（2）式解得：
（3）
（4）
当式（3）右侧模zui小时，r的有效值取zui大值，所以当
（5）时，即换能器谐振时，输入换能器的电流有效值zui大。由式（4）得：
（6）由纵振换能器的特性可知x22rz，式（6）可简化为：
（7）则谐振时，振子振幅a为：
（8）ω为谐振角频率，将式（7）代入式（8）得：
（9）x22、x21换能器固有参数为常量，当｜r｜恒定时，输出振幅a恒定。由以上分析可知：可把换能器电流有效值作为反馈量调节逆变频率和整流输出电压，实现超声系统谐振控制和振幅恒定输出控制。
2.2 超声发生器系统结构
超声发生器原理见图2。霍尔传感器取得电流有效值信号，经快速a/d转化为数字信号送入单片机，单片机分析电流有效值信号，通过d/a输出电压控制压控振荡器vco的振荡频率，再经过硬件电路形成死区保护功率开关元件，防止直通；zui后采用触发集成电路触发开关元件。同时单片机利用检测的电流值通过d/a控制同步振荡器，进行整流控制，达到换能器输入电流恒定的目的。由于逆变前后电流有效值近似相等，实际电路中通常把检流放于逆变之前。
图2 超声发生器原理框图
3 控制电路及软件实现
3.1 逆变控制及变步长频率跟踪
单片机把检测到的负载电流有效值信号与zui大负载电流进行比较，决定d/a输出电压的大小，从而通过调整压控振荡器的输入电压决定输出频率的大小（压控振荡器选用mc1046b，输入电压从0v升到5v时，输出频率为10～30khz的方波信号），使之与换能器谐振；死区形成电路采用单稳态触发器形成死区时间（可根据选用的功率开关器件设定）；驱动块采用igbt驱动模块exb841进行驱动。
在加工过程中，振动系统的固有频率变化分为缓慢频率变化和瞬间频率变化。由工具磨损和温度变化引起的谐振频率的漂移属于缓慢变化；由负载和系统刚度的变化引起的谐振频率的漂移属于瞬间变化，频率自动跟踪要求发生器能快速、准确地跟踪系统固有频率的缓慢或瞬间变化。电流与频率关系如图3所示，其中f1表示系统的固有频率，系统工件于此频率时，流过换能器的电流zui大，工具头振幅zui大；而加工一段时间后，频率可能漂移到f2,只有此时工具头振幅才zui大。
图3 变幅杆电流（导纳）与频率的关系
另外，由于变幅杆材料加工工艺、振子本身形状等原因，可使振子具有多峰值性（见图3），所以，开始加工时，先用较大的步长进行固有频率范围搜索，当搜索到固有频率所在频域时，改用变步长搜索。在加工过程中，系统的固有频率缓慢变化时，采用小步长进行搜索；当由于某种原因固有频率突变时，小步距搜索谐振点需较长的时间，影响加工效率，如先用大步长后用小步长的方法进行搜索，无疑节省了大量的时间，保证了跟踪速度和精度；同时注意到：固有频率突变时，由于振子的多峰值性，可能跟踪到较小的电流峰值点，故设定电流范围i1，超出范围（即低于i1）时，重新进行固有频率范围全程搜索。加入跟踪范围的改进变步长搜索框图见图4。
图4 变步长搜索框图
a——检测的电流量，b——频率控制量输出，c——搜索步长，
b3、b4——跟踪范围设定量，amax——zui大电流，bmax——对应
电流zui大值时的频率控制量，i——搜索跟踪次数
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图6 整流pid算法框图
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5 结束语
（1）频率跟踪技术和稳定振幅技术的同时引入，即提高了工效，又保证了加工表面的质量。
（2）通过保持电流有效值恒定，稳定振幅是一种近似方法，但通过单片机的调整可取得良好的效果。
（3）单片机系统是一种开放型系统，可随时加入新的控制方式，而不用更换硬件电路，通过软件实现系统保护，降低了成本。
（4）若采用两个cpu，一个进行逆变控制，一个进行整流控制，效果将更加理想，并可同时显示频率和振幅。
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