專利名稱：強(qiáng)制微抖動(dòng)掃頻跟蹤式超聲波電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及強(qiáng)制微抖動(dòng)掃頻跟蹤式超聲波電源，屬于超聲波加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
超聲加工是目前硬脆材料加工的新方法，其特點(diǎn)是刀具與工件在超聲作用下周期性的接觸和分離，因此切削力小、刀具發(fā)熱小、磨損低，加工質(zhì)量高。但在加工過程中，由于刀具進(jìn)給、加力和分離過程中伴隨著劇烈的負(fù)載變化，大功率壓電換能器容易發(fā)生停振問題，表現(xiàn)為振幅驟然降低、切削力劇增等不良現(xiàn)象，甚至導(dǎo)致刀刃損壞和工件報(bào)廢等問題。理論研究表明:超聲加工過程中伴隨的劇烈負(fù)載變化，直接導(dǎo)致?lián)Q能器的機(jī)械諧振頻率發(fā)生偏移，此時(shí)要求超聲波電源必須能夠及時(shí)改變自身振蕩頻率,在新的頻率上激勵(lì)換能器，重新使其恢復(fù)諧振狀態(tài)，才能維持超聲加工的繼續(xù)進(jìn)行。因此，頻率跟蹤是超聲加工中十分重要的技術(shù)保證。目前，用于超聲加工的頻率跟蹤主要有兩種方法:最大電流跟蹤法和鎖相環(huán)跟蹤法。最大電流跟蹤法，根據(jù)換能器在諧振點(diǎn)附近振幅最大、電流最大的原理，時(shí)刻通過掃頻，保持換能器工作在最大電流狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤。但換能器工作電流在諧振點(diǎn)的兩側(cè)都變小，因此容易誤判掃頻方向，從而出現(xiàn)跟蹤失敗。鎖相環(huán)法，利用換能器在諧振狀態(tài)下電壓和電流同相位的原理，通過改變振蕩頻率尋找電壓電流的同相點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤。一般來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)良好的換能器在較寬頻率范圍內(nèi)只有一個(gè)諧振頻率，而且諧振點(diǎn)兩側(cè)電壓電流的相位相反，因此不會(huì)出現(xiàn)最大電流跟蹤法中的誤判跟蹤方向問題。但是，由于換能器，特別是高品質(zhì)因數(shù)換能器在非諧振狀態(tài)時(shí)的電流很小，不易檢測(cè)其相位；而提高放大器增益，又會(huì)引入額外的相位偏移，同樣也很難將換能器拉回諧振狀 態(tài)。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型是為了解決超聲加工中由于負(fù)載的快速劇烈變化，而出現(xiàn)的超聲波換能器意外停振的問題，提供了一種強(qiáng)制微抖動(dòng)掃頻跟蹤式超聲波電源。本實(shí)用新型所述強(qiáng)制微抖動(dòng)掃頻跟蹤式超聲波電源，它包括壓電換能器，它還包括相位比較器、模擬加法器、壓控振蕩器、全橋功率放大器、輸出變壓器、匹配電路、電壓電流取樣器、三角波發(fā)生器、模擬除法器、峰值檢測(cè)器、第一低通濾波器、第二低通濾波器、電壓信號(hào)放大器和電流信號(hào)放大器，電壓電流取樣器用于采集壓電換能器的實(shí)時(shí)工作電壓Utr和實(shí)時(shí)工作電流1&，電壓電流取樣器的工作電壓Utr信號(hào)輸出端連接電壓信號(hào)放大器的電壓信號(hào)輸入端，電壓信號(hào)放大器的放大信號(hào)輸出端連接第一低通濾波器的濾波信號(hào)輸入端，第一低通濾波器的濾波信號(hào)Utrjilter輸出端連接相位比較器的電壓信號(hào)輸入端；電壓電流取樣器的工作電流Itl 信號(hào)輸出端連接電流信號(hào)放大器的電流信號(hào)輸入端，電流信號(hào)放大器的放大信號(hào)輸出端連接第二低通濾波器的濾波信號(hào)輸入端，第二低通濾波器的濾波信號(hào)Ita filte輸出端連接相位比較器的電流信號(hào)輸入端，相位比較器的掃頻電壓Uphase信號(hào)輸出端連接模擬加法器的控制信號(hào)輸入端；模擬加法器的電壓信號(hào)輸入端連接模擬除法器的強(qiáng)制微抖動(dòng)掃頻電壓Us信號(hào)輸出端，模擬除法器的第一信號(hào)輸入端連接三角波發(fā)生器的三角波Utai信號(hào)輸出端，模擬除法器的第二信號(hào)輸入端連接峰值檢測(cè)器的峰值模擬電壓Upeak信號(hào)輸出端，峰值檢測(cè)器用于采集第二低通濾波器輸出的濾波信號(hào)ItljiltOT ；模擬加法器的掃頻電壓Uvf信號(hào)輸出端連接壓控振蕩器的控制信號(hào)輸入端，壓控振蕩器的方波信號(hào)輸出端連接全橋功率放大器的放大信號(hào)輸入端，全橋功率放大器的輸出電壓信號(hào)經(jīng)輸出變壓器升壓后輸入給匹配電路，匹配電路的信號(hào)輸出端連接電壓電流取樣器的信號(hào)輸入端。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn):本實(shí)用新型可實(shí)現(xiàn)包括超聲加工在內(nèi)的各類功率超聲應(yīng)用中，大功率壓電換能器驅(qū)動(dòng)的可靠頻率跟蹤。它是對(duì)鎖相環(huán)頻率跟蹤法的改進(jìn)，通過加入一個(gè)窄帶強(qiáng)制掃頻單元，改變了傳統(tǒng)鎖相環(huán)掃頻中過分依賴電流信號(hào)強(qiáng)度的問題，大大提高了頻率跟蹤的可靠性。由三角波發(fā)生器、模擬除法器、峰值檢測(cè)器和模擬加法器形成的窄帶強(qiáng)制掃頻單元作用在于:當(dāng)鎖相環(huán)在慢速掃頻下基本確定工作頻率后，通過在一個(gè)窄頻帶內(nèi)不斷進(jìn)行快速抖動(dòng)式掃頻來(lái)實(shí)現(xiàn)可靠頻率跟蹤。窄頻帶的寬度由換能器工作電流的峰值動(dòng)態(tài)控制，峰值電流越小，掃頻頻帶越寬，反之掃頻帶寬越窄。由于換能器停振時(shí)電流最小，因此本超聲波電源能夠通過加大掃頻帶寬和強(qiáng)制掃頻重新喚醒意外停振的換能器，使頻率跟蹤具有更好的可靠性。本實(shí)用新型通過主動(dòng)強(qiáng)制掃頻尋找諧振點(diǎn)，有效克服了傳統(tǒng)鎖相環(huán)頻率跟蹤式超聲波電源中存在的停振問題，能夠在負(fù)載劇烈變化的超聲加工中，更加可靠地實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤，具有十分重要的工程價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。所述超聲波電源由模擬器件和少量非程控?cái)?shù)字器件構(gòu)成，能夠適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的強(qiáng)電磁干擾，不怕輻射，不會(huì)出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象。

圖1是本實(shí)用新型所述強(qiáng)制微抖動(dòng)掃頻跟蹤式超聲波電源的結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施方式
具體實(shí)施方式
一:下面結(jié)合圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述強(qiáng)制微抖動(dòng)掃頻跟蹤式超聲波電源，它包括壓電換能器8，它還包括相位比較器1、模擬加法器2、壓控振蕩器3、全橋功率放大器4、輸出變壓器5、匹配電路6、電壓電流取樣器7、三角波發(fā)生器9、模擬除法器10、峰值檢測(cè)器11、第一低通濾波器12、第二低通濾波器13、電壓信號(hào)放大器14和電流信號(hào)放大器15,電壓電流取樣器7用于采集壓電換能器8的實(shí)時(shí)工作電壓Utr和實(shí)時(shí)工作電流Ita，電壓電流取樣器7的工作電壓Utr信號(hào)輸出端連接電壓信號(hào)放大器14的電壓信號(hào)輸入端，電壓信號(hào)放大器14的放大信號(hào)輸出端連接第一低通濾波器12的濾波信號(hào)輸入端,第一低通濾波器12的濾波信號(hào)Utljilte輸出端連接相位比較器I的電壓信號(hào)輸入端；電壓電流取樣器7的工作電流Itt信號(hào)輸出端連接電流信號(hào)放大器15的電流信號(hào)輸入端，電流信號(hào)放大器15的放大信號(hào)輸出端連接第二低通濾波器13的濾波信號(hào)輸入端，第二低通濾波器13的濾波信號(hào)Ife filto輸出端連接相位比較器I的電流信號(hào)輸入端，相位比較器I的掃頻電壓Uphase信號(hào)輸出端連接模擬加法器2的控制信號(hào)輸入端；模擬加法器2的電壓信號(hào)輸入端連接模擬除法器10的強(qiáng)制微抖動(dòng)掃頻電壓Us信號(hào)輸出端，模擬除法器10的第一信號(hào)輸入端連接三角波發(fā)生器9的三角波Utai信號(hào)輸出端，模擬除法器10的第二信號(hào)輸入端連接峰值檢測(cè)器11的峰值模擬電壓Urreak信號(hào)輸出端，峰值檢測(cè)器11用于米集第二低通濾波器13輸出的濾波信號(hào)ItljiltCT ;模擬加法器2的掃頻電壓Uvf信號(hào)輸出端連接壓控振蕩器3的控制信號(hào)輸入端，壓控振蕩器3的方波信號(hào)輸出端連接全橋功率放大器4的放大信號(hào)輸入端，全橋功率放大器4的輸出電壓信號(hào)經(jīng)輸出變壓器5升壓后輸入給匹配電路6,匹配電路6的信號(hào)輸出端連接電壓電流取樣器7的信號(hào)輸入端。本實(shí)施方式中，相位比較器1、壓控振蕩器3、電壓電流取樣器7、電壓信號(hào)放大器14、電流信號(hào)放大器15、第一低通濾波器12和第二低通濾波器13形成主頻率跟蹤環(huán)路；三角波發(fā)生器9、模擬除法器10、峰值檢測(cè)器11和模擬加法器2形成窄帶強(qiáng)制掃頻單元；全橋功率放大器4、輸出變壓器5、匹配電路6和壓電換能器8形成功率單元。相位比較器I的掃頻電壓Uphase信號(hào)輸入給模擬加法器2，作為主掃頻控制信號(hào)；峰值檢測(cè)器11輸出的峰值模擬電壓Upeak信號(hào)和三角波發(fā)生器9輸出的的三角波Utri信號(hào)輸入到模擬除法器10，分別作為除數(shù)和被除數(shù)。壓控振蕩器3輸出的可變頻率方波信號(hào)經(jīng)過全橋功率放大器4后，經(jīng)輸出變壓器5升壓，再經(jīng)過匹配電路6和電壓電流取樣器7后，推動(dòng)大功率壓電換能器8 產(chǎn)生高頻振動(dòng)。大功率壓電換能器8的功率范圍是5W 2000W。電壓電流取樣器7輸出的實(shí)時(shí)工作電流Ita和工作電壓Utr信號(hào)分別經(jīng)過電壓信號(hào)放大器14、電流信號(hào)放大器15、第一低通濾波器12和第二低通濾波器13后成為放大去噪信號(hào)Ufe filto和Ita filte，再送至相位比較器I的兩個(gè)輸入端，構(gòu)成主頻率跟蹤環(huán)路；放大去噪信號(hào)Itljilte接入峰值檢測(cè)器11的輸入端，在模擬除法器10的作用下，峰值模擬電壓Upeak對(duì)三角波發(fā)生器9輸出的三角波信號(hào)Utri進(jìn)行幅度控制,受控電壓Us在模擬加法器2的作用下疊加在相位比較器I生成的掃頻電壓Uphase上，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制窄帶掃頻功能，即鎖相環(huán)掃頻基礎(chǔ)上的強(qiáng)制微抖動(dòng)復(fù)合掃頻。
具體實(shí)施方式
二:下面結(jié)合圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式為對(duì)實(shí)施方式一的進(jìn)一步說(shuō)明，本實(shí)施方式所述三角波發(fā)生器9采用ICL8038實(shí)現(xiàn)。在超聲加工中，負(fù)載的快速劇烈變化，會(huì)使超聲波換能器意外停振，這會(huì)嚴(yán)重影響加工質(zhì)量。下面分析基于傳統(tǒng)鎖相環(huán)頻率跟蹤式超聲波電源存在問題的根本原因:在傳統(tǒng)的超聲波電源中，不存在上述的窄帶強(qiáng)制掃頻單元，相位比較器I的輸出信號(hào)直接作為壓控振蕩器3的輸入信號(hào)，即Uvf = Uphase0在工作狀態(tài)下，電壓電流取樣器7取出壓電換能器8的電壓信號(hào)Uta和電流信號(hào)1^后，經(jīng)過電壓信號(hào)放大器14、電流信號(hào)放大器15、第一低通濾波器12和第二低通濾波器13后，得到放大去噪的信號(hào)Uta filte和Ifefilter0相位比較器I對(duì)兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行相位判別，生成主掃頻電壓Uph_，其符號(hào)(極性)表示掃頻方向，大小正比于相位差的絕對(duì)值。在主掃頻電壓的控制下，壓控振蕩器3輸出頻率可變的方波信號(hào)，經(jīng)過全橋功率放大器4、輸出變壓器5、匹配電路6和電壓電流取樣器7后，推動(dòng)大功率壓電換能器8進(jìn)行超聲振動(dòng)，帶動(dòng)刀具完成超聲加工。由于在每一個(gè)頻點(diǎn)下Utr—filter和的相位差都不同，因此Uphase也發(fā)生變化，從而壓控振蕩器3的頻率改變，實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)掃頻過程。如果在發(fā)現(xiàn)某一頻率處，Uphase = O，就動(dòng)態(tài)鎖定該頻率，達(dá)到動(dòng)態(tài)頻率跟蹤的目的。不過，一旦換能器在負(fù)載劇烈變化的影響下停振，Itr會(huì)立即減小，經(jīng)實(shí)測(cè)，小于諧振狀態(tài)下電流強(qiáng)度的百分之一，從而使Itljilte也相應(yīng)減小，由于相位比較器I有輸入電壓門限，此時(shí)Uphase便不能準(zhǔn)確描述換能器電壓電流的相位差，從而使壓控振蕩器3輸出錯(cuò)誤的振蕩頻率，也就不能再次“喚醒”換能器，加工過程被迫終止。本實(shí)用新型所述超聲波電源中，首先將三角波發(fā)生器9輸出電壓Utai的幅度設(shè)定為相位比較器I輸出電壓Uphase最大值的1/5左右，即設(shè)定強(qiáng)制掃頻范圍，將三角波頻率設(shè)定為相位比較器I輸出截止頻率的5至10倍，將峰值檢測(cè)器11輸出電壓Upeak的最小值設(shè)為 1丫，即 Upeak >= IV。在正常工作，即換能器諧振時(shí)，由于filt 很大，故Upeak也很大，而在模擬除法器10的作用下，有:Us = UtriZUpeak(I)因此模擬除法器10的輸出電壓Us很小，即壓控振蕩器3的控制電壓Uvf具有如下特性:Uvf = Uphase+Us ^ Uphase (2)因此，在換能器正常諧振狀態(tài)下，強(qiáng)制微抖動(dòng)掃頻跟蹤式超聲波電源和傳統(tǒng)的鎖相環(huán)頻率跟蹤式超聲波電源基本一致，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的動(dòng)態(tài)跟蹤。當(dāng)換能器在各種原因下發(fā)生振幅減小時(shí)，Itafilte/變小，故Upeak也變小，三角波UJiI之增大，繼而Uvf變成Uphase和一個(gè)三角波的疊加。在這種情況下，壓控振蕩器3開始輸出強(qiáng)制掃頻信號(hào)，如果此時(shí)大功率壓電換能器8的諧振頻率位于這個(gè)強(qiáng)制掃頻區(qū)域，那么必然會(huì)在某一頻點(diǎn)處出現(xiàn)Itr—filtCT增大的情況。此時(shí)換能器在諧振點(diǎn)附近，Itrjilter變大，強(qiáng)制掃頻區(qū)域會(huì)迅速收窄，從而使超聲電源恢復(fù)到正常的工作狀態(tài)下，達(dá)到“喚醒”換能器的目的。如果換能器的諧振頻率已經(jīng)偏移較遠(yuǎn)，并不位于強(qiáng)制掃頻范圍內(nèi)，此時(shí)由于Itifilter的繼續(xù)減小，使得強(qiáng)制掃頻范圍更寬，從而增大了 “喚醒”換能器的可能性。由于一般換能器諧振頻率的漂移在±5%至±10%以內(nèi)，因此只要合理設(shè)置了強(qiáng)制掃頻范圍，就能夠可靠“喚醒”換能器，使其重新回到諧振狀態(tài)下正常工作。將信號(hào)Uta filte和filtCT回送至相位比較器1，實(shí)現(xiàn)了鎖相環(huán)路的閉合。信號(hào)Ifefilter還送至峰值檢測(cè)器11，得到峰值電壓uPMk，用于對(duì)三角波電壓進(jìn)行幅度控制，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制掃頻的帶寬控制。
相位比較器I和壓控振蕩器33可用集成電路⑶4046內(nèi)部的兩個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)；模擬除法器10可由AD633和AD711實(shí)現(xiàn)；峰值檢測(cè)器11由跨導(dǎo)運(yùn)放組成；電壓電流取樣器7可由電壓和電流互感器構(gòu)成。
權(quán)利要求1.一種強(qiáng)制微抖動(dòng)掃頻跟蹤式超聲波電源，它包括壓電換能器(8)，其特征在于，它還包括相位比較器(I)、模擬加法器(2)、壓控振蕩器(3)、全橋功率放大器(4)、輸出變壓器(5)、匹配電路￠)、電壓電流取樣器(7)、三角波發(fā)生器(9)、模擬除法器(10)、峰值檢測(cè)器(11)、第一低通濾波器(12)、第二低通濾波器(13)、電壓信號(hào)放大器(14)和電流信號(hào)放大器(15), 電壓電流取樣器(7)用于采集壓電換能器(8)的實(shí)時(shí)工作電壓1和實(shí)時(shí)工作電流Ita，電壓電流取樣器(X)的工作電壓Utt信號(hào)輸出端連接電壓信號(hào)放大器(14)的電壓信號(hào)輸入端，電壓信號(hào)放大器(14)的放大信號(hào)輸出端連接第一低通濾波器(12)的濾波信號(hào)輸入端，第一低通濾波器(12)的濾波信號(hào)Uta filte輸出端連接相位比較器⑴的電壓信號(hào)輸入端； 電壓電流取樣器(7)的工作電流信號(hào)輸出端連接電流信號(hào)放大器(15)的電流信號(hào)輸入端，電流信號(hào)放大器(15)的放大信號(hào)輸出端連接第二低通濾波器(13)的濾波信號(hào)輸入端，第二低通濾波器(13)的濾波信號(hào)Ita filte輸出端連接相位比較器⑴的電流信號(hào)輸入端，相位比較器⑴ 的掃頻電壓Uphase信號(hào)輸出端連接模擬加法器⑵的控制信號(hào)輸入端; 模擬加法器(2)的電壓信號(hào)輸入端連接模擬除法器(10)的強(qiáng)制微抖動(dòng)掃頻電壓Us信號(hào)輸出端，模擬除法器(10)的第一信號(hào)輸入端連接三角波發(fā)生器(9)的三角波Utai信號(hào)輸出端，模擬除法器(10)的第二信號(hào)輸入端連接峰值檢測(cè)器(11)的峰值模擬電壓Upeak信號(hào)輸出端，峰值檢測(cè)器(11)用于采集第二低通濾波器(13)輸出的濾波信號(hào)Ifefilto ； 模擬加法器(2)的掃頻電壓Uvf信號(hào)輸出端連接壓控振蕩器(3)的控制信號(hào)輸入端，壓控振蕩器(3)的方波信號(hào)輸出端連接全橋功率放大器(4)的放大信號(hào)輸入端，全橋功率放大器⑷的輸出電壓信號(hào)經(jīng)輸出變壓器(5)升壓后輸入給匹配電路(6)，匹配電路(6)的信號(hào)輸出端連接電壓電流取樣器(X)的信號(hào)輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的強(qiáng)制微抖動(dòng)掃頻跟蹤式超聲波電源，其特征在于，所述三角波發(fā)生器(9)采用ICL8038實(shí)現(xiàn)。
專利摘要強(qiáng)制微抖動(dòng)掃頻跟蹤式超聲波電源，屬于超聲波加工技術(shù)領(lǐng)域。它解決了超聲加工中由于負(fù)載的快速劇烈變化，而出現(xiàn)的超聲波換能器意外停振的問題。它包括壓電換能器，它還包括相位比較器、模擬加法器、壓控振蕩器、全橋功率放大器、輸出變壓器、匹配電路、電壓電流取樣器、三角波發(fā)生器、模擬除法器、峰值檢測(cè)器、第一低通濾波器、第二低通濾波器、電壓信號(hào)放大器和電流信號(hào)放大器，它是對(duì)鎖相環(huán)頻率跟蹤法的改進(jìn)，通過加入一個(gè)窄帶強(qiáng)制掃頻單元，改變了傳統(tǒng)鎖相環(huán)掃頻中過分依賴電流信號(hào)強(qiáng)度的問題，大大提高了頻率跟蹤的可靠性。本實(shí)用新型適用作超聲波電源。
文檔編號(hào)H03L7/18GK202998062SQ20132002513
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2013年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月17日
發(fā)明者吳麗君, 齊冀, 齊海群 申請(qǐng)人:黑龍江工程學(xué)院