超聲波焊接電源頻率跟蹤與調(diào)節(jié)

胡武林，曹 彪 ，楊景衛(wèi)

（華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640）

0 前言

作為一種在壓力作用下，利用超聲振動(dòng)能促進(jìn)界面塑性變形和原子擴(kuò)散進(jìn)而形成固相連接的焊接方法[1]，超聲波焊接具有效率高、損耗低、焊接時(shí)間短、清潔等優(yōu)點(diǎn)，并在微電子、電器和管材加工等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

超聲波焊接時(shí)，超聲波焊接電源將工頻交流電轉(zhuǎn)換為換能器諧振頻率的高頻信號(hào)，高頻信號(hào)通過換能器的逆壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為彈性機(jī)械振動(dòng)能，并由超聲振動(dòng)系統(tǒng)將其傳遞到焊件[2]，但受焊接負(fù)載、振動(dòng)系統(tǒng)溫度和加工磨損等因素影響，超聲換能器的固有頻率將發(fā)生漂移，超聲變幅桿輸出振幅發(fā)生波動(dòng)，從而影響焊接質(zhì)量的穩(wěn)定，因此超聲波焊接電源應(yīng)具有快速、準(zhǔn)確的頻率跟蹤功能。為確保超聲焊接過程的工藝一致性，超聲振動(dòng)系統(tǒng)輸出功率須隨著負(fù)載狀態(tài)變化而變化。同時(shí)為適應(yīng)多種加工情況需求，超聲波焊接電源輸出功率需要有較大連續(xù)的可調(diào)范圍。

傳統(tǒng)頻率跟蹤以CD4046為核心的模擬鎖相式跟蹤方式為主，存在著跟蹤速度慢和模擬元件一致性較低等問題[3]。在此設(shè)計(jì)基于DDS技術(shù)的頻率跟蹤系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)換能器諧振頻率的毫秒級(jí)跟蹤，頻率周期分辨率達(dá)0.1 Hz，同時(shí)采用PS-PWM控制換能器輸出振幅，使電源輸出功率在0～1.5 kW之間連續(xù)可調(diào)，從而保證焊接工藝的一致性和穩(wěn)定性。

1 超聲波焊接電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，超聲波焊接電源主要由主電路、控制電路和匹配網(wǎng)絡(luò)三部分組成。主電路包括整流濾波部分和功率逆變部分，將單相交流電轉(zhuǎn)換成為換能器工作頻率的交流電；匹配網(wǎng)絡(luò)由高頻變壓器和T型匹配網(wǎng)絡(luò)組成，起著調(diào)諧、變阻與濾波的作用，能夠提高超聲波焊接電源與換能器之間的功率與效率傳輸；控制電路主要由電流電壓相位檢測電路、以AD9850為核心的DDS電路、以UC3879為核心的移相脈沖產(chǎn)生電路、液晶和開關(guān)量輸入輸出電路等組成，主要實(shí)現(xiàn)頻率自動(dòng)跟蹤、輸出功率調(diào)節(jié)、人機(jī)界面和故障檢測保護(hù)等功能。

圖1 超聲波焊接電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure of ultrasonic welding power source

電源主電路原理如圖2所示。220 V單相交流電經(jīng)整流橋B1、鋁制電解電容C5和高頻吸收電容C6、C7后濾成直流電，經(jīng)由 MOSFET 管 Q1、Q2、Q3、Q4組成的全橋逆變模塊轉(zhuǎn)換為高頻交流電?？刂齐娐诽峁?qū)動(dòng)波形控制開關(guān)管交替導(dǎo)通，再經(jīng)由高頻變壓器T1和L1、L2、C5組成的T型匹配電路轉(zhuǎn)換為同頻率的正弦交流電驅(qū)動(dòng)換能器。壓電換能器將超聲頻率電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)能，由超聲振動(dòng)系統(tǒng)傳遞至工件。

圖2 超聲波焊接電源主電路Fig.2 Main circuit of ultrasonic welding power source

2 電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 頻率跟蹤

諧振頻率附近，超聲換能器對(duì)外呈阻性，此時(shí)電源工作效率最高，傳輸效率最大，因此超聲波焊接電源工作頻率須與換能器諧振頻率保持一致。研制的超聲波焊接電源采用DDS系統(tǒng)進(jìn)行頻率跟蹤，相位檢測電路獲得換能器兩端電流、電壓的相位差信號(hào)，通過DSP運(yùn)算處理相位差信號(hào)獲得實(shí)時(shí)諧振頻率，進(jìn)而控制全橋逆變端PWM驅(qū)動(dòng)頻率，其分辨率達(dá)0.1 Hz，能夠快速準(zhǔn)確地跟蹤換能器的諧振頻率。

2.1.1 相位檢測電路

由電壓和電流采樣電路獲得換能器兩端瞬時(shí)電壓信號(hào)u（t）和流經(jīng)電流信號(hào)i（t），并經(jīng)濾波調(diào)理后進(jìn)入相位檢測電路，如圖3所示。

圖3 相位檢測電路Fig.3 Phase detection circuit

電壓信號(hào)u（t）和電流信號(hào)i（t）經(jīng)過雙電壓比較器集成電路芯片LM393過零比較處理，輸入為正半周時(shí)，輸出為邏輯高電平；輸入為負(fù)半周時(shí)，輸出為邏輯低電平。過零處理后的電流、電壓信號(hào)經(jīng)異或門和D觸發(fā)器進(jìn)行處理。異或門輸出正脈寬為電流、電壓相位差，然后送入DSP的高速輸入捕捉模塊（IC）運(yùn)算處理；D觸發(fā)器輸出為高電平時(shí)，換能器電壓滯后電流，反之則電壓超前電流，將D觸發(fā)器輸出連至DSP的GPIO口，即可獲得換能器諧振回路電流電壓的超前滯后關(guān)系。

2.1.2 DDS電路

DDS（Direct Digital Synthesizer）技術(shù)是一種利用數(shù)字技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的新一代頻率合成方法[4]，主要由可編程DDS電路、高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和低通濾波器（LPF）等組成，與傳統(tǒng)的頻率合成方式相比，DDS技術(shù)具有頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間快、頻率分辨率高和切換頻率時(shí)相位保持連續(xù)等優(yōu)點(diǎn)。可編程系統(tǒng)在參考時(shí)鐘信號(hào)控制下讀取數(shù)據(jù)地址，并通過查表變換轉(zhuǎn)變?yōu)樗璨ㄐ蔚臄?shù)字幅度序列，最后由數(shù)模變換器和低通濾波器轉(zhuǎn)化為所需的連續(xù)平滑波形，其原理框圖如圖4所示。

DDS系統(tǒng)輸出信號(hào)的頻率為

式中 FSW為頻率控制字；f為DDS系統(tǒng)參考時(shí)鐘；N為相位累加器字長。

圖4 DDS原理框圖Fig.4 Principle block diagram of DDS

超聲電源DDS電路采用ADI公司生產(chǎn)的高集成度頻率合成芯片AD9850進(jìn)行設(shè)計(jì)，該芯片在參考時(shí)鐘為125 MHz時(shí)其頻率分辨率可達(dá)0.029 1 Hz。

AD9850及其外圍硬件電路如圖5所示。引腳RESET、FQ_UD、W_CLK和D7分別與dsPIC33FJ64 GS610 的 RG0、RG1、RG2 和 RG3腳連接，在 W_CLK上升沿將每一位數(shù)據(jù)串行載入，載入40位數(shù)據(jù)后，輸出頻率和相位在FQ_UD的上升沿更新。DDS芯片頻率控制字時(shí)序如圖6所示。

AD9850正弦信號(hào)輸出端IOUT通過外部7階橢圓低通濾波器濾除高頻雜散和諧波，濾波處理后接至內(nèi)部高速D/A比較器正向輸入端VINP得到方波信號(hào)。方波信號(hào)占空比通過調(diào)節(jié)精密電位器R5大小實(shí)現(xiàn)，從而為移相芯片UC3879提供時(shí)鐘輸入。

圖5 DDS系統(tǒng)電路Fig.5 Circuit diagram of DDS system

2.1.3 PI-DDS頻率跟蹤算法

由于超聲換能器中心諧振頻帶僅為10～20 Hz，超聲波焊接電源必須具有高分辨率的頻率跟蹤精度；且超聲焊接加工時(shí)間僅為0.1～4 s，換能器為非線性時(shí)變系統(tǒng)，這同時(shí)要求超聲波焊接電源具有快速的頻率跟蹤速度。由于目前尚未建立精確的超聲換能器等效模型[5]，本研究結(jié)合PI-DDS算法快速準(zhǔn)確地跟蹤超聲換能器諧振頻率，從而保證電源系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)精度。PI控制系統(tǒng)模型為

圖6 AD9850頻率控制字時(shí)序Fig.6 Sequence diagram of AD9850 frequency code

式中 Kp為比例系數(shù)；Ki為積分系數(shù)；e（τ）為相位差誤差信號(hào)。

簡化為差分方程

式中 A=Kp+Ki；B=-Kp。

計(jì)算兩次相位差誤差值，并通過DSP進(jìn)行PI運(yùn)算調(diào)節(jié)DDS頻率控制字的步進(jìn)值大小和運(yùn)算方向，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)字化頻率跟蹤。頻率跟蹤算法流程如圖7所示。

圖7 頻率跟蹤算法流程框圖Fig.7 Flow chart of frequency tracing algorithm

2.2 超聲功率調(diào)節(jié)

超聲換能器工作在諧振狀態(tài)時(shí)，變幅桿輸出振幅大小與換能器兩端電壓近似成正比關(guān)系[6]。電源負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，通過調(diào)整PWM脈沖的移相角，使換能器兩端的電壓與預(yù)設(shè)的電壓值保持一致，從而保證換能器輸出振幅的穩(wěn)定性。本研究采用高精度有效值轉(zhuǎn)換芯片AD536獲得焊接實(shí)時(shí)電壓有效值，并與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較得到誤差信號(hào)，通過PI運(yùn)算調(diào)節(jié)UC3879移相角，從而控制換能器輸出振幅。

UC3879是Unitrode公司生產(chǎn)的專用移相控制芯片，具有欠電壓鎖定、軟啟動(dòng)、解碼保護(hù)和逐周限流等功能，能夠簡化控制電路，提高變換器工作的可靠性[7]。超聲波焊接電源采用UC3879芯片產(chǎn)生四路PWM控制信號(hào)，并通過隔離驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)全橋逆變部分功率MOSFET管，UC3879外圍電路如圖8所示。通過調(diào)節(jié)UC3879相關(guān)外圍器件參數(shù)，并結(jié)合DSP的DAC模塊，可以實(shí)現(xiàn)過電流保護(hù)、移相控制和死區(qū)時(shí)間設(shè)置等功能。

圖8 UC3879電路Fig.8 Circuit diagram of UC3879

3 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上理論分析，自制了一臺(tái)1.5 kW的超聲波焊接電源，換能器型號(hào)為YP5015-4Z，諧振頻率25 kHz，焊接材料為C1100型銅片，焊接時(shí)間0.4 s。圖9為焊接過程中換能器兩端電壓和電流信號(hào)。圖10為超聲焊接時(shí)換能器兩端的電流電壓波形，由圖可知此時(shí)換能器處于諧振狀態(tài)。圖11為焊接過程中換能器焊頭兩端輸出振幅，振幅輸出穩(wěn)定，約為12 μm。

圖9 超聲焊接電壓、電流波形Fig.9 Waveform of ultrasonic current&voltage

4 結(jié)論

（1）通過采集換能器電流電壓信號(hào)，設(shè)計(jì)相位檢測電路獲得相位差及電流電壓超前滯后關(guān)系，并利用PI-DDS算法實(shí)現(xiàn)對(duì)換能器諧振頻率的數(shù)字化跟蹤，頻率分辨率高達(dá)0.1Hz。

（2）設(shè)計(jì)以UC3879為核心的移相調(diào)功電路，實(shí)現(xiàn)超聲波焊接電源輸出功率的連續(xù)可調(diào)和穩(wěn)定性，確保輸出振幅的穩(wěn)定性，經(jīng)試驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的金屬用超聲波焊接電源能應(yīng)用于有色金屬的超聲焊接。

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