超聲波電源的復(fù)合頻率跟蹤策略研究*

李長(zhǎng)有，李帥濤，劉　遵

（河南理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，河南 焦作454000）

超聲波電源的復(fù)合頻率跟蹤策略研究*

李長(zhǎng)有，李帥濤，劉遵

（河南理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，河南 焦作454000）

針對(duì)現(xiàn)有超聲波電源輸出諧振頻率固定及無(wú)法鎖定超聲波換能器多諧振模態(tài)的現(xiàn)象，提出基于數(shù)字鎖相式頻率跟蹤技術(shù)與變步長(zhǎng)搜索電流極值方式相結(jié)合的復(fù)合頻率跟蹤策略。復(fù)合頻率跟蹤策略綜合數(shù)字化鎖相技術(shù)與搜索電流極值方式的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)數(shù)字鑒相器電路采樣電源系統(tǒng)環(huán)路的電壓和電流的相位差信息。超聲波電源的控制系統(tǒng)依據(jù)相位差和電流極值信息進(jìn)行頻率調(diào)整，實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤。利用示波器檢測(cè)電路模板的跟蹤效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合頻率跟蹤策略能有效地實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤，動(dòng)態(tài)鎖定換能器多諧振模態(tài)。

頻率自動(dòng)跟蹤；超聲波電源；數(shù)字式鎖相環(huán)

0　引言

超聲加工常采用壓電式換能器，由于壓電式換能器在加工的過(guò)程中會(huì)因負(fù)載劇烈變化、發(fā)熱、磨損、疲勞等因素，導(dǎo)致?lián)Q能器的阻抗特性發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)諧振頻率發(fā)生漂移[1-2]。此時(shí)，若超聲波電源無(wú)法自動(dòng)跟蹤換能器諧振頻率變化，會(huì)造成整個(gè)超聲振動(dòng)系統(tǒng)失諧，超聲電源會(huì)因失諧導(dǎo)致逆變電路損耗增大，甚至?xí)龤С暡娫碵3]。因此，頻率自動(dòng)跟蹤技術(shù)在超聲波電源系統(tǒng)中占據(jù)重要地位，超聲振動(dòng)系統(tǒng)常采用電反饋方式，電反饋大致可分為阻抗電橋方式、搜索電流極值方式及鎖相環(huán)方式三種[4]。阻抗電橋頻率跟蹤方式實(shí)現(xiàn)高精度的動(dòng)態(tài)電橋平衡太過(guò)困難，難以滿足換能器負(fù)載時(shí)變特性；由于壓電換能器的阻抗特性影響，搜索電流極值方式易導(dǎo)致頻率跟蹤系統(tǒng)誤跟蹤；鎖相環(huán)方式頻率跟蹤系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)換能器負(fù)載突變時(shí)，其系統(tǒng)容易發(fā)生失鎖現(xiàn)象[5-6]。為此，提出一種基于數(shù)字鎖相式頻率跟蹤技術(shù)與變步長(zhǎng)搜索電流極值方式相結(jié)合的復(fù)合頻率跟蹤策略。

1　復(fù)合頻率跟蹤策略控制原理

1.1頻率跟蹤原理

在超聲振動(dòng)系統(tǒng)中，超聲波換能器阻抗特性呈現(xiàn)非線性變化，超聲系統(tǒng)的諧振頻率與電壓和電流之間的相位關(guān)系如圖1所示，當(dāng) ω＜ωs時(shí)，換能器中流過(guò)的電流的相位超前電壓的相位，表明超聲波電源的輸出頻率低于換能器的實(shí)際工作頻率；當(dāng) ωs＜ω時(shí)，換能器中流過(guò)的電壓相位超前電流的相位，表明超聲波電源輸出頻率高于換能器的實(shí)際工作頻率；當(dāng)ω=ωs時(shí)，換能器中流過(guò)的電壓和電流相位相同，表明超聲波輸出頻率等于換能器的實(shí)際工作頻率，為鎖相環(huán)方式頻率跟蹤技術(shù)提供了理論基礎(chǔ)[7]。超聲波換能器在諧振狀態(tài)時(shí)其等效電路阻抗最小，換能器環(huán)路電流幅值最大，電流隨諧振頻率變化近似為正比例關(guān)系，為搜索電流值頻率跟蹤技術(shù)提供依據(jù)[8]。

圖1　相位與諧振頻率關(guān)系曲線

1.2復(fù)合頻率跟蹤技術(shù)控制原理

復(fù)合頻率跟蹤策略綜合鎖相環(huán)方式和搜索電流極值方式的優(yōu)點(diǎn)，以換能器的反饋電流值和電壓與電流的相位差作為判斷超聲系統(tǒng)是否失諧的判據(jù)。在遠(yuǎn)離系統(tǒng)諧振頻帶條件下，采用搜索電流極值方式實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤，以相位差信息判斷電流搜索方向，依據(jù)電流極值判斷搜索步距，加速頻率跟蹤系統(tǒng)響應(yīng)速率；若系統(tǒng)處在諧振頻帶內(nèi)，系統(tǒng)采用鎖相環(huán)方式實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤，通過(guò)數(shù)字鑒相電路實(shí)現(xiàn)高精度頻率跟蹤。復(fù)合頻率跟蹤系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

圖2　復(fù)合頻率跟蹤系統(tǒng)框圖

由于理論和實(shí)際的差別，采樣電路的誤差存在，會(huì)導(dǎo)致相位差角達(dá)不到零狀態(tài)，為此，設(shè)定一個(gè)相位差極小角θmin，若檢測(cè)到相位角小于此極小角，則認(rèn)為系統(tǒng)處在諧振狀態(tài)，無(wú)需對(duì)頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，自動(dòng)更新設(shè)定諧振電流I0閾值，以便下次系統(tǒng)失諧時(shí)進(jìn)行電流極值判定。

2　復(fù)合頻率跟蹤策略實(shí)現(xiàn)

2.1鑒相器電路設(shè)計(jì)

鑒相器電路主要作用是獲取電壓和電流的相位差信號(hào)，依據(jù)復(fù)合頻率跟蹤策略控制要求，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字化鎖相，便于DSP的捕獲單元直接采集相位差信息。本文以電壓跟隨器、比較器、D觸發(fā)器及異或門(mén)構(gòu)成鑒相器電路，如圖3所示。電壓跟隨器由高精度運(yùn)算放大器LF353組成；采樣電路采集的電壓和電流信號(hào)經(jīng)過(guò)前級(jí)處理后通過(guò)可調(diào)電阻進(jìn)入電壓跟隨器，通過(guò)可調(diào)電阻調(diào)節(jié)輸入信號(hào)幅值，保護(hù)鑒相器電路。

圖3　鑒相器電路圖

本文的鑒相器電路以電壓信號(hào)作為D觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)，電流的信號(hào)作為D觸發(fā)器的輸入信號(hào)，依據(jù)D觸發(fā)器的真值關(guān)系可知相差與換能器振動(dòng)狀態(tài)關(guān)系。當(dāng)電流和電壓的信號(hào)相位差為零時(shí)換能器處在諧振狀態(tài)，D觸發(fā)器和異或門(mén)無(wú)輸出；若電壓信號(hào)的相位滯后電流信號(hào)的相位，此時(shí)，異或門(mén)輸出相位差信號(hào) phase，即輸出高電平，D觸發(fā)器輸出狀態(tài)標(biāo)志信號(hào) flag，即輸出高電平；反之電壓信號(hào)的相位超前電流信號(hào)的相位，此時(shí)，則輸出低電平。DSP的捕獲單元發(fā)現(xiàn)相位信號(hào) phase電平突變，立即讀取狀態(tài)標(biāo)志信號(hào)Flag電平判斷電壓和電流的相位差方向，依據(jù)判斷的結(jié)果控制逆變電橋驅(qū)動(dòng)脈沖做出頻率調(diào)整，實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤。

2.2電流有效值轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

在復(fù)合頻率跟蹤策略中電流極值作為判斷系統(tǒng)諧振狀態(tài)的一個(gè)要素，但采樣電路采樣的換能器環(huán)路電流為交流信號(hào)，不便于后級(jí)DSP系統(tǒng)處理，為此，必須將其轉(zhuǎn)換為有效值。本文采用硬件實(shí)現(xiàn)方式，以AD公司的有效值轉(zhuǎn)換芯片 AD536A構(gòu)成電流有效值轉(zhuǎn)換電路。電流有效值轉(zhuǎn)換電路如圖4所示，電流信號(hào)經(jīng)隔直電容C1被芯片采集，CAV端接入的電容C2控制芯片的有效值積分時(shí)間，決定芯片轉(zhuǎn)換速率。輸入電流信息經(jīng)芯片轉(zhuǎn)換后從BUFOUT端輸出，經(jīng)后級(jí)A/D轉(zhuǎn)換反饋至頻率跟蹤系統(tǒng)，作為頻率跟蹤判據(jù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)頻率跟蹤。

圖4　電流有效值轉(zhuǎn)換電路圖

2.3復(fù)合頻率跟蹤程序設(shè)計(jì)

本文的復(fù)合頻率跟蹤策略是以相位差及電流極值作為頻率跟蹤判據(jù)，進(jìn)而調(diào)整超聲波電源系統(tǒng)輸出頻率。依據(jù)鑒相器電路的結(jié)構(gòu)，利用事件管理器EVA的捕獲單元 CAP3邊沿檢測(cè)功能，捕獲相位差值信息。CAP3捕獲相位差信息的上升沿時(shí)，記錄通用定時(shí)器T2的計(jì)數(shù)值T2CNT，CAP3捕獲相位差信息的下降沿時(shí)，記錄通用定時(shí)器T2的計(jì)數(shù)值T2CNT。通用定時(shí)器T2的頻率f2為37.5 MHz，F(xiàn)為超聲波電源系統(tǒng)輸出頻率，由此可知：

式中θ為換能器電壓和電流的相位差，即0°≤θ≤90°，考慮本文頻率跟蹤系統(tǒng)的多諧振模態(tài)鎖定要求，取Δkt為400。為此，設(shè)定Δkt為400復(fù)合頻率跟蹤策略的頻率跟蹤方式切換相位差閾值θ0。以GPIOA6端口讀取鑒相器電路中電流和電壓的相位差狀態(tài)標(biāo)志位，依此判斷電壓和電流的相位關(guān)系，即GPIOA6的電平為高時(shí)，表示電壓的相位滯后電流的相位，增加電源系統(tǒng)輸出波形頻率；反之則減少電源系統(tǒng)輸出波形頻率。當(dāng)捕獲單元CAP3捕獲其引腳電平突變，控制系統(tǒng)觸發(fā)中斷，從捕獲單元的中斷入口進(jìn)入中斷服務(wù)程序，啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換器，取出檢測(cè)的相位差Δθ與其狀態(tài)標(biāo)志位flag，讀取ADC轉(zhuǎn)換器的反饋電流值 ΔI，對(duì)電流值ΔI與設(shè)定的閾值 I0及相位差 Δθ與設(shè)定的閾值θ0進(jìn)行判定，選擇頻率跟蹤方式，判斷頻率跟蹤步距，圖5為復(fù)合頻率跟蹤程序流程圖。

圖5　復(fù)合頻率跟蹤程序流程圖

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文采用復(fù)合頻率跟蹤策略，鑒相器電路的鑒相能力對(duì)頻率跟蹤系統(tǒng)的穩(wěn)定性起決定性作用。用示波器來(lái)檢測(cè)鑒相器電路的跟蹤效果，以20 kHz的輸入電壓和電流波形為例，通過(guò)設(shè)置輸入信號(hào)的相位差值關(guān)系，觀察鑒相器電路相位差鑒別效果，其波形如圖6所示。

圖6　鑒相器電路輸出波形

由圖6(a)可知，當(dāng)輸入電壓和電流信號(hào)無(wú)相差時(shí)，鑒相電路此時(shí)無(wú)輸出，相差狀態(tài)標(biāo)志位 flag為低電平，相位差phase為低電平；若輸入電壓相位超前電流相位30°時(shí)，其波形如圖6(b)所示，鑒相電路輸出相位差 phase，相位差狀態(tài)標(biāo)志位 flag為低電平，應(yīng)減少電源系統(tǒng)輸出波形頻率；當(dāng)輸入電壓相位滯后電流相位30°時(shí)，其波形如圖6(c)所示，鑒相電路輸出相位差 phase，相位差狀態(tài)標(biāo)志位flag為高電平，應(yīng)增加電源系統(tǒng)輸出波形頻率。由此可見(jiàn)，當(dāng)DSP捕獲單元捕捉相位差 phase脈沖信息，讀取相位差狀態(tài)標(biāo)志位 flag電平狀態(tài)，依據(jù)電流極值反饋信息調(diào)整電源系統(tǒng)頻率跟蹤策略，實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)輸出頻率自動(dòng)跟蹤。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文闡述了基于數(shù)字鎖相式頻率跟蹤技術(shù)與變步長(zhǎng)搜索電流極值方式相結(jié)合的復(fù)合頻率跟蹤策略的控制原理及實(shí)現(xiàn)方式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用復(fù)合頻率跟蹤策略能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)頻率自動(dòng)跟蹤，有效地避免高次諧波對(duì)鑒相電路的影響，提高系統(tǒng)頻率跟蹤的精度及穩(wěn)定性，拓寬頻率跟蹤系統(tǒng)帶寬，增強(qiáng)頻率跟蹤系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，使頻率跟蹤系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)鎖定換能器多諧振模態(tài)的特性，提高超聲波電源的整機(jī)效率。

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Research on the composite frequency tracking strategy of ultrasonic power

Li Changyou，Li Shuaitao，Liu Zun
（School of Mechanical and Power Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China）

Aiming at the problem that the ultrasonic power output resonant frequency is fixed and unable to lock the multi-modal resonance of ultrasonic transducer,the paper presents a composite frequency tracking strategy which is based on digital phase-locked frequency tracking technology combined with the way of variable step search current extreme.This strategy integrate the advantages of digital lock-in technique and search current extreme way,sampling loop power system voltage and current phase information through digital phase detector circuit.The control system of ultrasonic power adjust the frequency according to the phase difference and the current extreme value,so as to achieve frequency tracking.This paper established circuit simulation model in Multisim,the experimental results show that the composite frequency tracking strategy can achieve frequency tracking,and dynamic multi-resonant transducer lock mode effectively.

frequency tracking；ultrasonic power；digital phase-locked loop

TM921

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.10.035

河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（14A460002）；河南省高等學(xué)校精密制造技術(shù)與工程重點(diǎn)學(xué)科開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目（PMTE201309A）

2016-03-01)

李長(zhǎng)有(1964-)，男，博士，教授，主要研究方向：測(cè)控技術(shù)與裝備研究。

中文引用格式：李長(zhǎng)有，李帥濤，劉遵.超聲波電源的復(fù)合頻率跟蹤策略研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(10)：135-137,141.

英文引用格式：Li Changyou，Li Shuaitao，Liu Zun.Research on the composite frequency tracking strategy of ultrasonic power[J].Application of Electronic Technique，2016，42(10)：135-137,141.