陶瓷磨邊超聲加工電源的設(shè)計與研究

張進坤，李優(yōu)新，張永俊，姚 震，陳 威

（廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣東廣州510006）

傳統(tǒng)陶瓷磨邊使用金剛石磨輪對其進行磨削加工，存在效率低、能耗高、磨輪損耗快等問題[1]。附加超聲作用的陶瓷磨輪可減小磨削力，延長磨輪的使用壽命。在超聲加工過程中，為提高加工效率，要求超聲換能器工作在諧振狀態(tài)，以得到最佳的振動效果[2]。但在實際應(yīng)用中，換能器的諧振頻率會因發(fā)熱、負載變化、老化等因素發(fā)生改變，導致?lián)Q能器振幅下降，能量傳輸受阻，加工效率降低[3-4]，嚴重失諧時，甚至會損壞整個系統(tǒng)。因此，在陶瓷磨邊超聲加工電源中，可靠準確的自動頻率跟蹤十分必要。

針對上述問題，本文研究了電流反饋與相位檢測相結(jié)合的復合頻率跟蹤方法。通過電流掃頻方式能確保換能器工作在諧振點附近，通過相位檢測可實現(xiàn)高效、實時的頻率跟蹤，這種復合頻率跟蹤方法既能保證在較寬范圍實現(xiàn)頻率跟蹤，又能提高頻率跟蹤的快速性。

1 系統(tǒng)硬件的組成

采用STM32F103RBT6單片機作為主控芯片[5]，設(shè)計出相應(yīng)的控制電路，半橋逆變拓撲作為超聲加工電源系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換電路?；赟TM32構(gòu)成的超聲加工電源系統(tǒng)見圖l。

圖1 超聲加工電源系統(tǒng)

超聲加工電源系統(tǒng)以STM32為主控芯片，由輸入整流濾波、半橋逆變、匹配電路、換能器、驅(qū)動放大、電流檢測、相位檢測、EEPROM、按鍵和顯示模塊構(gòu)成。正常工作時，220 V單相輸入經(jīng)工頻整流濾波作為半橋逆變的母線電壓，由STM32發(fā)出的PWM波經(jīng)驅(qū)動放大電路驅(qū)動半橋逆變電路，把能量傳輸?shù)狡ヅ潆娐贰?/p>

1.1 匹配電路

匹配電路起到阻抗變換、調(diào)諧、整形濾波的作用，保證電信號能高效地傳輸給壓電換能器。因此，良好的匹配電路能讓換能器在諧振狀態(tài)下阻抗最小，輸出電流最大。超聲換能器在其諧振頻率附近可等效成圖2a所示的電學模型[6]。圖中，L1為動態(tài)電感，由換能器振動質(zhì)量引起；C1為換能器的動態(tài)電容，表示的是換能器的機械柔順性；R1為機械損耗的動態(tài)電阻；C0為換能器的靜態(tài)電容，主要由壓電陶瓷的介電常數(shù)和電極尺寸決定；R0為壓電陶瓷振動子的介電損耗。 其中，L1、C1、R1為串聯(lián)支路，是機械和損耗折算過來的等效電參量；R0和C0是真實的電學量，通常R0會高達幾兆歐至幾十兆歐，一般會忽略其介電損耗。

圖2 換能器等效及匹配等效

由于存在靜態(tài)電容C0，在串聯(lián)支路諧振時，換能器對外表現(xiàn)出容性狀態(tài)。如不進行匹配，會存在較大的無功損耗，使換能器的效率大大下降，甚至會影響換能器的正常運行。因此，對換能器的容性阻抗進行補償是極有必要的。

換能器阻抗：

增加匹配電感后的總阻抗（圖2b）：

換能器阻抗：

增加匹配電感后，串聯(lián)諧振時的總阻抗：

1.2 電流檢測模塊

電流檢測模塊采用TAK17-02交流互感器和AD637JR真有效值芯片，實現(xiàn)隔離采樣和真有效值轉(zhuǎn)換（圖 3）。

圖3 電流檢測模塊

AD637JR芯片[7]的量程為 0～7 V，準確度為±（0.05%RDG+0.25 mV），輸入阻抗為 100 MΩ。 當輸入為200 mV時，頻帶寬fmax=600 kHz；當輸入＞1 V時，fmax=8 MHz。AD637JR使用簡單方便，滿足供電和使能選擇，只需外接一個積分電容C9，就可實現(xiàn)高頻電信號的均方有效值轉(zhuǎn)換。

1.3 相位檢測模塊

相位檢測模塊包含整形和相位差電路（圖4）兩部分。通過整形電路，把圖2b所示的匹配輸出電壓U和電流i信號整形成D觸發(fā)器所能識別的TTL電平信號。

圖4 相位差電路

相位差電路是將匹配輸出的電流和電壓信號調(diào)理成STM32單片機能夠識別的脈沖信號。如圖5所示，當a為整形后的電流波形、b為整形后的電壓波形，此時電流超前電壓，c為相位差信號，d為電流超前電壓的互補信號；當a為整形后的電壓波形、b為整形后的電流波形，此時電流滯后電壓。通過STM32的PWM輸入模式，就能捕獲到相位檢測模塊的電流與電壓的相位差脈寬值。

圖5 電流與電壓相位關(guān)系波形圖

因此，當電流超前電壓時，捕獲單元直接計算相位差脈寬寬度即為相位差值；當電流滯后電壓時，捕獲單元計算相位差信號頻率寬度及實際相位差的互補脈沖寬度，則實際相位差脈寬值為頻率脈寬值與捕獲到的相位差脈沖值的差。相比其他的相位檢測模塊[8]簡化了其硬件電路。

2 復合頻率跟蹤控制策略

復合頻率跟蹤是結(jié)合電流反饋法和鎖相法提出的一種實用頻率跟蹤方法。圖6是換能器在不同工況下電流與頻率的關(guān)系。其中，a、b、c分別為3種工況下頻率與電流的關(guān)系曲線。當機械諧振頻率從f2漂移到f1時，電流從I2減小到I1；當機械諧振頻率從f2漂移到f3時，電流從I2減小到I3，這時會出現(xiàn)能量傳輸受阻、加工能力降低的問題。因此，需采用電流掃頻的方式進行頻率跟蹤。

圖6 電流與頻率的關(guān)系

當超聲換能器不諧振的時候，輸出電壓和電流相位不同相，輸出電流小于最大輸出電流，相位檢測模塊檢測相位差信號。當超聲電源系統(tǒng)開機檢測到有輸入電壓時，進行首次寬范圍（n·Δf）的掃頻，搜索到最大電流（Imax）的頻率點，并在上一個掃頻找到的頻率點f0上下2步長再一次掃頻，確保掃頻的準確性。當檢測到掃頻獲得的頻率值對應(yīng)的電流值不是峰值電流時，說明該點不是最佳諧振點。以頻率f0為中心重新掃頻，直至找到最佳諧振頻率點。在運行過程中設(shè)定Iref為最大電流的一半，掃頻范圍為失鎖前頻率上下10個步長。掃頻流程見圖7。

圖7 掃頻控制流程圖

PWM輸入中斷時間為驅(qū)動換能器的PWM周期。為了降低干擾，在設(shè)置PWM輸入模式時設(shè)置了輸入分頻和數(shù)字濾波，其中，分頻系數(shù)為2，數(shù)字濾波長度為6。為進一步減小干擾，每3個PWM輸入中斷進行一次頻率校正，所以該方式具有響應(yīng)速度快的特點。為了減少在跟蹤時頻率頻繁變動導致的加工不穩(wěn)定，在相位檢測中設(shè)置了一個不靈敏區(qū)，只有當相位差大于設(shè)定的閾值時才改變頻率。當檢測到相位差脈寬＜50%時，即電壓超前電流，若相位差輸出超過閾值，則增加一個頻率步長，否則中斷返回；若檢測到的相位差脈寬＞50%時，即電壓滯后電流，進一步判斷相位差是否超過閾值，若超過，則減小頻率，否則中斷返回。相位跟蹤流程見圖8。

圖8 相位檢測流程圖

3 實驗及結(jié)論

帶超聲加工的陶瓷磨邊實驗裝置見圖9。其中，加工用的換能器為自主研制的壓電陶瓷振子，其參數(shù)見表1，參數(shù)值由PV90A阻抗分析儀測試得到。

表1 換能器參數(shù)

圖9 超聲加工實驗裝置

超聲加工電源系統(tǒng)啟動后，開始自動掃頻獲取最大電流值，波形見圖10。通過電流掃頻的方式獲取了超聲加工系統(tǒng)的最佳諧振頻率點，在較寬的范圍實現(xiàn)了頻率跟蹤。電流掃頻完成后，開啟相位檢測，采用復合控制的頻率跟蹤方式，電壓、電流波形見圖11。此時，電壓和電流同相，系統(tǒng)始終工作在諧振狀態(tài)。

圖10 電流掃頻過程波形圖

圖11 電流與電壓相位圖

實驗結(jié)果表明，電流掃頻能在寬頻率范圍實現(xiàn)頻率跟蹤，相位檢測能快速實現(xiàn)頻率跟蹤。采用復合頻率跟蹤的控制方式，在陶瓷磨邊加工中具有良好的頻率跟蹤效果。這種復合頻率跟蹤控制方式也可應(yīng)用于其他超聲加工領(lǐng)域。

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