采用超声波价格 并联电感的匹配方法

　　摘 要 - I - 新型大功率超声波发生器研究 摘 要 超声冲击处理是一种改善焊接接头残余应力的有效方法之一。在超声冲击处理过程中，声学系统的谐振频率和输出功率会随着负载的变化、变幅杆的磨损，换能器的发热等因素发生变化，导致处理质量不理想。因此制造控制性能好、结构简单的超声冲击装置具有现实意义。 本文对超声冲击装置的结构和性能进行分析，确立了新型大功率超声发生器的系统方案，并分析了控制系统的原理。本文设计的发生器系统采用粗精频率跟踪控制和输出功率恒定控制，其中电源的粗跟踪由单片机实现，精跟踪采用锁相环电路实现。同时采用 PWM 方...

　　摘 要 - I - 新型大功率超声波发生器研究 摘 要 超声冲击处理是一种改善焊接接头残余应力的有效方法之一。在超声冲击处理过程中，声学系统的谐振频率和输出功率会随着负载的变化、变幅杆的磨损，换能器的发热等因素发生变化，导致处理质量不理想。因此制造控制性能好、结构简单的超声冲击装置具有现实意义。 本文对超声冲击装置的结构和性能进行分析，确立了新型大功率超声发生器的系统方案，并分析了控制系统的原理。本文设计的发生器系统采用粗精频率跟踪控制和输出功率恒定控制，其中电源的粗跟踪由单片机实现，精跟踪采用锁相环电路实现。同时采用 PWM 方式控制 BUCK 斩波电路，达到恒功率及可调的目的。 同时设计了以 80C196KC 单片机为核心的监测和显示系统，能有效的采集电压、电流、频率信号并且通过液晶显示输出。 初步试验表明，本文的设计方案切实可行，超声发生器的控制性能良好。 关键字：超声发生器； 频率跟踪； 功率控制； 单片机；液晶显示 Abstract - II - Study of The New High Power Ultrasonic Generator Abstract Ultrasonic impacting treatment is one of the effective methods of improving the residual stress in the welding joint. During the ultrasonic impacting treatment, the resonant frequency and output power of the acoustic system vary in a wide range because of variable loads, horn wear and transducers heating-up, so the treatment quality can not reach the requirement. Therefore, it is very necessary to make an ultrasonic generator which has good performance and simple structure. In this paper, we analyses the structure and function of ultrasonic impacting equipment, proposes the scheme of ultrasonic g enerator system and discusses the principle of control systems. The ultrasonic generator, which can realize accuracy and inaccuracy frequency tracing and fixedness of output power, is presented in this paper. The high frequency tracing precision is realized with SCM（Single Chip Microcomputer）in this supply, and the low frequency tracing precision is realized with integrated PLL circuit. The power output can hold fixedness and be changed by changing the output voltage of BUCK circuit with the control of PWM control circuit. Meanwhile, the supervisory system is designed by 80C196KC SCM, which can effective monitor the voltage, current and frequency signals, which can be read by LCD. The experiments show that it is real feasible of the scheme of ultrasonic generator system, and the generator system has high controlling-quality. Key Words: Ultrasonic generator; Frequency tracing; Power control; SCM；LCD 论 文 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 日 期： 学 位 论 文 使 用 授 权 声 明 科技大学有权保存本人所送交的学位论文的复印件和电子文稿，可以将学位论文的全部或部分上网公布，有权向国家有关部门或机构送交并授权其保存、上网公布本学位论文的复印件或电子文稿。本人电子文稿的内容和纸质论文的内容一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。 研究生签名： 导师签名： 日 期： 日 期： 章 绪 论 - 1 - 1超声功率发生器 2 1 波 形 发生器 功放电路 匹配电路 换能器 变幅杆 声负载 2超声换能振动系统 测量和控制电路 章 绪 论 1. 1 选题意义 研究表明[1]：应力集中是引起疲劳失效的主要原因。由于焊接接头处存在应力集中以及焊接缺陷、焊接残余应力、非金属夹渣等因素的综合影响，使其更容易产生疲劳裂纹，故而成为焊接结构失效发生的主要部位。由此可见，降低或消除焊接残余应力、改善焊接接头疲劳强度是提高焊接结构疲劳强度、防止焊接疲劳失效的重要环节之一。 超声冲击法是一种焊后改善焊接接头残余应力的新工艺，其机理与锤击法和喷丸法基本一致。该方法是通过超声冲击头在焊缝区进行振动，使拉应力的材料沿拉应力作用方向产生塑性变形，从而使拉应力松弛使焊缝表面产生压应力而达到降低残余应力的目的[2]。这种方法不仅可以处理低碳钢及铝合金，而且还可以用于处理高强度钢接头。它可以有效地改善焊缝与母材过渡区的形式，从而降低应力集中系数。同时，调整焊接残余应力场，超声波价格在应力集中处产生有利的压应力。此外，也提高了金属表层强度[3]。测试表明，经超声冲击处理过的试件，焊接接头处的疲劳相当于甚至于高于母材的疲劳强度，使疲劳失效能得到有效控制。与传统的焊后处理方法相比，该方法适用面广，不仅可用于平板对接接头、管状接头，还能用于焊接结构制造过程中和现场安装，而且使用设备简单，执行机构轻巧、可控性好、操作方便灵活、效率高、应用时受限制少，成本低。由此可见，超声冲击法是一种较理想的方法，该方法的广泛使用可大大改善传统方法所不能处理的焊接构件的可靠性。 功率超声处理系统包括大功率超声电源和换能振动系统两部分，其应用效果的好坏有赖于这两方面基础技术的双重突破。图 1.1 给出了典型功率超声处理系统的组成框图。 图 1.1 功率超声发生器系统组成框图 Figure1.1 Diagram of the power ultrasonic generator system 章 绪 论 - 2 - 在实际应用过程中，换能器温度、变幅杆的磨损以及负载力的变化均使得超声换能器谐振频率发生漂移，故超声发生器实时跟踪换能器的谐振频率是至关重要的[4,5]。即使频率跟踪性能良好，换能器振幅也会有衰减，要求换能器传送给负载的机械功率随负载的增大而增大[69]。在超声冲击处理中，负载变化大，由于现有设备不能很好的实现频率及负载的有效跟踪，导致换能器发热严重，效率低，且负载过大时，振幅明显衰减从而不能达到预期效果，大大降低了超声冲击的可靠性、稳定性。 因此有必要研制一台频率稳定、阻抗易于匹配、体积小、造价低、效率高以及易于操作的超声发生器，从而使超声处理方法高效、稳定、可靠的运用于实际工程生产中。 1.2 超声处理发生器研究现状与分析 超声发生器是改善焊接接头残余应力的超声冲击装置的核心。超声功率发生器的作用是将 50Hz 工频电流转变成超声频 20kHz 振荡电流，通过阻抗匹配网络激励换能器产生相同频率的弹性振动。超声发生器发展很大程度上有赖于电子信号处理和控制技术的发展。超声功率发生器的发展大致可分为三个阶段；个阶段是采用电子管放大器；第二个阶段是采用晶体管模拟放大器；第三个阶段是采用晶体管数字(开关)放大器[10]。 传统的超声发生器是采用振荡器来产生超声波的, 并且采用电子管作为功率器件。其缺点是体积庞大、笨重、热损耗较大, 无功功率大。20 世纪 80 年代，改为采用双极型大功率晶体管，开关工作频率常用 20KHz。后来又采用绝缘栅双极型功率晶体管（IGBT） ，工作电压和工作电流定额（即单管容量）明显地增大了。到 20 世纪 90年代，由于功率场效应管（MOSFET）的技术进步而被广泛采用, 开关工作频率达到100KHz 以上。近十年来，超声波电源采用高频开关交流电源技术，内部集成各种芯片或大规模集成电路实现对带宽频率的动态控制。 用数字化控制代替模拟控制，可以消除温度漂移等常规模拟调节器难以克服的缺点，有利于参数确定和变参数调节，便于通过改变程序软件来方便地调整控制方案和实现多种新型控制策略，同时可减少元器件的数目、简化硬件结构，从而提高系统的可靠性。此外，还可以实现运行数据的自动储存和故障自动诊断，有助于实现电力电子装置智能化运行。超声波发生器应用数字化控制技术一般有三种形式： （1）采用单片机控制； （2）采用 DSP 控制； （3）采用 FPGA 控制。 比较而言，单片机的工作频率与控制精度是一对矛盾，而且处理速度也很难满足高频电路的要求。DSP 适合取样速率低和软件复杂程度高的场合使用；而当系统取样速率高（MHz级） ，数据率高（20MB/s 以上） 、条件操作少、任务比较固定时，FPGA 章 绪 论 - 3 - 更有优势。就目前而言，采用 DSP 和 FPGA 控制的超声波发生器有待发展。 目前，为了提供稳定、可靠、高效的实用超声设备，超声发生器正向着大功率、小体积、低成本、标准化、智能化的方向发展[11]。为保证发生器具有的工作性能和效率，需解决以下关键技术：(1)输出频率稳定的电信号；(2)采用高效率、带保护功能的功率放大器；(3)具有良好的阻抗匹配网络，实现功率传输；(4) 灵敏的频率自动跟踪。 1.2.1 频率自动跟踪 频率自动跟踪，其目的是为了解决超声振动系统的谐振问题，即使超声发生器的激励信号频率等于换能振动谐振频率。在实际应用中，由于负载变化、振动系统的温度变化、变幅杆的磨损以及加压等因素的影响，使振动系统的固有频率发生变化，若不能及时调整换能器的电源频率，振动系统就会工作在非谐振状态，使振动系统的输出振幅减小，造成系统工作不稳定，严重时还会损坏设备。传统的超声波焊接机采用电子管振荡器产生高频信号，经功率放大后直接产生功率超声波，因而难以实现频率跟踪, 不能适应焊接负载的变化。 常见超声波电源频率自动跟踪控制系统有如下几种方式：(1)电反馈的自激振荡方式； (2)锁相压控振荡方式； (3)电流动态反馈方式； (4)超声焊接参数的自适应控制方式；(5) 粗精频率跟踪相结合的方式；(6) 模糊控制；(7) 动态跟踪，即：频率漂移时，在调节频率的同时，调节匹配电感值。 关于频率跟踪的早研究是 80 年代初期，前苏联学者采用事先模拟，预设“ 谐振”频率的方法实现频率跟踪[12]。 80年代中期， 西班牙 A.Ramos-Fernard和日本学者KeHchi都采用锁相压控振荡系统对高品质因素的压电陶瓷换能器进行了自动频率跟踪研究[8,9]。1988 年张镜澄教授采用差动变量器桥式自动跟踪电路进行频率跟踪[13]。蔡崇成等采用了差动变量器桥式电路补偿电学臂的原理[14]，采用运放的差动放大形式，对换能器的传输函数进行补偿运算，输出一个仅与机械谐振频率上达到同激励电压相位一致，是电学回路自激振荡。清华大学提出一种自寻模糊控制方法，利用它来实现自动频率跟踪，取得良好效果[15]。张其馨研究了电流反馈单片机控制频率的自动调节方法，超声波价格提出了搜索电流值的变步长频率跟踪技术，为超声发声器实现自动频率跟踪提供了新途径[16]。胡小建采用 IGBT 管（绝缘栅极双极晶体管）设计了超声波功率发生器的硬件系统, 运用规则取样方式实现 SPWM 序列的算法, 采用 8098 单片机编制软件实现 SPWM 序列算法的控制及频率自动跟踪。结果表明系统具有较高的可控性, 自动跟踪频率精度高[17]。马刚等人采用基于直接数字频率合成器 DDS(Direct Digital Synthesizer) 芯片的频率自动跟踪电路。 通过对电压和电流采样后，对其进行自适应带通滤波，获取其非常接近正弦波的基波波形，经整形得到两路占空比为 50 %的 章 绪 论 - 4 - 方波信号，比较后便可得到与相位差互补的同频的脉宽信号，由计算机来检测这一脉宽信号的占空比,从而获得相位差。通过模糊运算产生发生器频率增量，后通过SPI(Serial Peripheral Interface) 接口将数字频率信号写入 DDS 芯片的频率寄存器，实现高精度的频率跟踪控制[18]。 实际上，上述各种控制方法都存在不足之处。比如：对于自激振荡方式，如果压电换能器具有多种谐振模式，则这种方法就不可靠；锁相方式频率自动跟踪则要在驱动回路增加换能电抗器补偿元件；而对于动态反馈频率跟踪方式，频率调整的方向还很难把握，难以实现自动化控制。此外，在各种频率跟踪方式中，反馈信号都来自超声换能器或振荡控制信号，忽视了变幅杆和工具头等超声设备对谐振的影响，没能在工具头处检测出实际的频率输出状况（通常加入负载之后会明显改变输出频率） 。 1.2.2 阻抗匹配 在功率超声设备中，换能器与超声发生器的阻抗匹配占有重要的地位，因为匹配在很大程度上解决了超声设备能否高效而安全地工作。一般，匹配应起以下作用：一是调谐，从安全角度出发，要使激励源的频率等于换能器的谐振频率。二是变阻，将换能器的阻抗变至适当值，使发生器达到额定的输出，换能器获得足够的功率。三是滤波，超声波匹配合理的网络能有效地滤除开关电源输出中的谐波成分。 鲍善惠运用扩展后的功率传输定理，计算出不同电路程式的超声波发生器输出功率的条件和效率，得到与图解法等其他方法相同的结果[19]。此后，他又运用了他激式和自激式发生器具体的匹配方法和通过调节工作点来改变换能器的等效电阻和功率的方法，在实践应用中收到较好效果[20]。 1.2.3 输出功率自动控制 在实际使用中，由于变幅杆的载荷变化很大（往往从有载变为空载，或从空载变为有载） ，机械阻抗急剧变化，使超声发生器和换能器极易受损。为提高设备的稳定性和安全性，要求换能器传送出的机械功率随负载的变化而变化，即注入负载的比功率基本保持恒定。 实现控制的主要方法有： （1）对换能器的等效四端网络进行分析，提出了通过恒定控制功率源的输出电流达到对超声换能器的恒定振速控制方案。 （2）采用集成锁相环来实现无相差自动频率跟踪, 采用 PWM 方式控制 BUCK 电路的斩波, 达到恒功率及功率可调的目的。 （3）在分析振动系统等效机电模型基础上，提出了一种基于自调节 PID 模糊控制器的功率超声设备振幅控制方法。 （4）在原恒压输出电路基础上，增加单片机控制的恒功率控制电路，实时检测输出功率，采用偏差算法，调节控制压控放大器增益，控制电路的输出电压，实现输出超声波功率保持恒定。 章 绪 论 - 5 - 梁才忠通过对换能器的等效四端网络进行分析，提出了通过恒定控制功率源的输出电流达到对超声换能器的恒定振速控制方案[21]。哈工大采用 PWM 方式控制 BUCK电路的斩波，达到恒功率及功率可调的目的[22]。清华大学在分析振动系统等效机电模型基础上，提出了一种基于自调节 PID 模糊控制器的功率超声设备振幅控制方法，这种模糊控制器同 PID 控制器相比较，即可以消除极限环振动，又可以消除系统余差，为超声振动系统振幅的控制提供了新思路[23]。潘明等人在原恒压输出电路基础上，增加单片控制的恒功率控制电路，实时检测输出功率，采用偏差算法，调节压控放大器增益，控制电路的输出电压，实现输出超声波功率保持恒定[24]。 1.2.4 电路保护功能 功率器件的安全运行和有效保护是提高整个装置工作可靠性的一个重要措施。一般装置中应具备欠压保护、过流保护、过热保护、快速过载和输出短路等保护功能。 输入软启动功能。由于发生器输入输出网络都是由电容和电感组成，在工作时，会因瞬时的充放电产生较大的冲击电流，引起故障，因此有必要在超声发生器加入输入软启动措施。 随着超声技术的发展，迫切需要能提供稳定、可靠、高效的实用超声冲击装置。目前对于超声发生器的研究，也是朝着大功率、小体积、智能化程度高、可靠性强的方向发展。 1.3 本论文研究的主要内容 基于上述分析，可知超声发生器作为超声冲击装置的信号发生环节，其性能的好坏不仅直接影响声学系统的可靠工作及超声冲击处理工艺效果，而且决定了超声冲击装置连续工作的稳定性。 本文以超声冲击装置的发生器为研究对象，要力求满足超声发生器频率稳定、阻抗易于匹配、体积小、造价低、效率高、智能化以及易于操作等要求。 为了设计出符合上述要求的超声发生器，研究内容如下： (1) 对超声冲击工艺进行分析，了解超声冲击装置在工作中功率和频率的变化，为发生器设计提供依据； (2) 建立一个智能化超声冲击装置方案，该方案是在自适应控制方式的基础上提高系统的智能化程度。 (3)采用双环控制实现频率自动跟踪， 即在半桥逆变和匹配网络之间有一个频率跟踪闭环控制反馈，采用锁相技术跟踪频率，达到实时控制。另一个是由斩波电路与半桥逆变之间检测出电流信号，经滤波处理后由微机控制发生器的输出, 以获得理想的 章 绪 论 - 6 - 频率输出曲线) 采用 PWM 方式控制斩波器的输出, 达到恒功率及功率可调的目的； (5) 工作过程中各参数（输出电压、电流的有效值，工作频率等）的监测显示。 第二章 超声冲击处理发生器研究方案的建立 - 7 - 第二章 超声冲击处理发生器研究方案的建立 2.1 引言 改善焊接接头残余应力的超声冲击装置主要由三部分组成：超声发生器、振动系统以及手持式操作机构。通过超声发生器将工频 50Hz交流电转换成超声频 30KHz 的交流电，用以激励声学系统的换能器。声学系统将电能转换成相同频率的机械振动，在操作机构自重以及外界所施加的一定压力的联合作用下，将超声频率的机械振动传送给工件上的焊缝，使焊缝区的材料沿拉应力作用方向产生塑性变形，从而使拉应力松弛而达到改善焊接残余应力的目的。 同时超声冲击能有效改善焊缝与母材过渡区 （焊趾）的表面形状，使其平滑过渡，降低了焊接接头的应力集中程度，重新调整了焊接残余应力场。超声冲击处理综合了局部塑性变形和振动消除焊接残余应力的作用，从而达到改善焊接接头残余应力的目的。 2.2 超声振动系统原理 换能器在谐振频率附近，利用电声学类比的方法，其等效电路如图 2.1 所示[25]。其中 L1为动态电感，由换能器的振动质量引起；C1为换能器产生的动态电容；C0为换能器的静态电容，主要由压电陶瓷夹持产生的；R0为机械损耗阻抗，由压电陶瓷的内介电损耗引起，通常情况下忽略不计；R1为振动负载阻抗，对于固定的换能器来说，负载阻抗的大小主要和机械负载的大小有关。一般称 C 0支路为电学臂，称由 L1、C1、R1、 （R0）组成的支路为机械臂[26]。 图 2.1 换能器等效电路 Figure 2.1 The equivalent circuit of the trasducer 第二章 超声冲击处理发生器研究方案的建立 - 8 - 压电换能器的等效阻抗 Z 为： 其中电阻分量 Re为： 其中电抗分量 Xe为： 设声负载为纯阻 Z=R1，计 R=R1+R0，假定此时等效电阻 R 为零，此时等效电路的阻抗幅值｜Z｜与频率的关系为： 令｜Z｜=｜Zm｜=0，即得到阻抗小时的谐振频率 fm： 令｜Z｜=｜Zm｜= 8，即得到阻抗小时的谐振频率 fn： 根据电路理论，当发生器输出信号频率为： L1C1支路串联谐振，fs成为串联谐振； 当发生器输出信号频率为： () 122202211011C1RCLCRRe第二章 超声冲击处理发生器研究方案的建立 - 9 - X ??s ?pL1C1支路并联谐振，fp 成为并联谐振。 当换能器处于谐振时，加在换能器两端的电压和电流是同相的。当激励信号偏离谐振频率时，换能器处于失谐状态，此时换能器两端的电压和电流产生相差。其电抗频率特性曲线 所示， 图中： ?p为并联谐振频率， ?s为串联谐振频率。 当 ? =?s时，换能器和匹配电路组成的电路呈纯阻性，即电流和电压同相位；当 ? ?s时，换能器和匹配电路组成的电路呈容性，即电流超前电压，相位差为负；当 ? ?s时，换能器和匹配电路组成的电路呈感性，即电流滞后电压，相位差为正。由此可见，相位差的大小及正负表示了激励信号与振动系统谐振频率之间的关系。所以我们可以把换能器两端的电压及电流的相位差作为谐振频率的控制信号。另外，换能器处于谐振状态时，其机械阻抗恰为小，振幅，而流过换能器的电流，所以可以通过搜索电流值使振动系统处于谐振状态，从而实现频率跟踪[27]。 图 2.2 压电换能器的电抗频率特性曲线 The impedance-frequency characteristic curve of the piezoelertric transducer 2.3 频率自动跟踪 频率自动跟踪根据其反馈信号不同，可以分为电反馈和声反馈。其中电反馈又可以分为：采用阻抗电桥形式的动态反馈系统、简单的电压或电流反馈系统、功率反馈系统、锁相压控振荡系统。 2.3.1 电流搜索式电路 如图 2.3 所示，这种电路用单片机搜索工作电流的值，终将换能器的工作点设定在电流值。其依据是谐振状态下换能器阻抗小，回路电流。如果换能器的谐振频率发生漂移，电流将因系统失谐而减少。因此搜索到电流的值便可10101+121CCCCLffmp==p 第二章 超声冲击处理发生器研究方案的建立 - 10 - 电流检测 功 放换能器 驱 动 单片机 直流电源 振 荡 功放 功率检测 换能器 采样、保持、比较VCO 驱动 误差电压产生 使换能器工作在工作状态[28-30]。 工作时，单片机发出指令，以一定步长 f改变发生器的振荡频率，同时检测电流的变化。如频率改变后电流增大，则继续按此方向改变频率；如果频率改变后电流减少，单片机会使频率朝相反方向改变，直到电流值出现。这个电路实际上检测的是功放级的直流电流，也可以检测流过换能器的超声频电流。 图 2.3 电流搜索式电路框图 Figure 2.3 Diagram of the searching current circuit 2.3.2 功率搜索式电路 这个电路采用电压采样 Vv 和电流采样 Vi 相乘得到功率信号 Vp，再用 Vp 控制振荡频率，使换能器工作在功率的状态，其原理如图 2.4 所示。 图 2.4 功率搜索式电路框图 Figure 2.4 Diagram of the searching power circuit 此电路的设计依据是换能器的电声效率为一常数，超声波则其吸收的电功率与输出的声功率成正比。只需搜索出换能器电功率的点，将工作频率设定为该点的频率即可。由图 2-4 可知，此电路的关键在于对 Vp 的采样处理。工作时，需要将前一时刻的 Vp保持下来，用于和后一时刻的 Vp作比较。比较的结果以误差电压的形式送给压控振 荡器（VCO） ，调整其振荡频率。后，频率会在功率点附近来回摆动。 如果用软件取代如 2-4 中的硬件， 可以改成单片机编程搜索， 图 2.5 是其方框图[29]。其原理与电流搜索相似，因此不再重复。 第二章 超声冲击处理发生器研究方案的建立 - 11 - 功率检测 换能器 单片机 步进频率 迈进方向 功 放 驱 动 功率检测 PD VCO LF 功 放 驱 动 V PLL V0 Vv Vi 换能器 IR图 2.5 单片机搜索功率原理框图 Figure 2.5 Diagram of the SCM searching for maximum power 2.3.3 锁相压控振荡器系统 这种电路从电压采样 Vv 和电流采样 Vi 检测出它们的相位差 ，再将 转变成误差信号去控制 VCO 的振荡频率，终使换能器保持在 =0 的工作状态上。图2.6 是锁相环（Phase-Locked Loop，简称 PLL）跟踪电路的原理图。它的跟踪原理可简述如下：在调好匹配之后，换能器 TD 与匹配电感 L 组成的系统在谐振频率上呈纯阻性，换能器两端电压 V 和流经其电流 I 同相。一旦频率发生漂移，系统会出现电抗成分，超声波价格V 和 I 之间即有相位差。调解频率可以使 V 和 I 恢复同相，让系统重新回到纯阻状态[30-33]。 图 2.6 PLL 跟踪电路方框图 Figure 2.6 Diagram of the PLL tracking circuit 图 2.6 中的虚线框里是 PLL电路，它是由鉴相器（PD） 、 低通滤波器（ LF） 和 VCO组成的。工作时，将整形后采样信号 Vv 和 Vi 送入 PD，两者的相位差 被检测出，并经过滤波成为直流电压，用 VCO 的输入电压为 V0，振荡频率恰好等于换能器的谐振频率 fs0，此时 V 和 I 同相。当换能器的谐振频率由于某种原因变成 fs1时，V 和 I之间产生相位差 ， 形成的误差电压返回到 VCO，使其输入电压由 V0变为 V1，振荡频率则相应地变为 fs1，于是系统又回到了 V 和 I 同相的状态。 如果在VCO之后加一个分频电路， 使发生器的工作频率远低于 VCO的振荡频率， 第二章 超声冲击处理发生器研究方案的建立 - 12 - 则可防止因频率频繁在改变而产生的抖动。 2.3.4 粗精频率跟踪功能的实现 以上这些跟踪方法都有一定的局限性，如：PLL 这一形式的跟踪方法，它的频率跟踪范围窄，频率跟踪速度较慢；而采用单片机控制的电流搜索电路或功率搜索电路，若它们的采用信号为换能器侧的高频信号，则单片机的处理速度很难达到高频处理的要求。因此综合以上因素，本文提出一种粗精频率跟踪相结合的解决方案。 该方法类比于数控插补原理（数控插补分为：粗插补和精插补，粗插补由软件实现，精插补由硬件实现） 。具体思路为粗跟踪由软件实现，采用变频电流搜索法（采样信号是功放级的直流电流） ；精跟踪由硬件实现，采用锁相环电路实现。 2.4 输出功率自动跟踪 在超声冲击处理过程中，由于工作表面形状、应力集中、表面硬度、冶金性能等因素的影响，声学负载变化剧烈，使振动系统处于不稳定的工作状态，希望超声发生器输出功率能够根据负载状态自动调整。为了使超声冲击处理工艺过程稳定可靠，要求振动系统传送给负载的机械功率与负载大小成比例，以保证超声冲击装置的输出振动基本恒定。此外，超声冲击装置工作过程中，声学系统从有载（接触负载）变为空载时，其负载阻抗急剧减小，超声发生器和声学系统极易受损。在研究过程中发现，即使是频率跟踪良好，随着负载的增大，声学系统的输出振幅减小，输出功率下降，使得冲击处理效果难以保证。 压电换能器在谐振频率附近的等效电流如图 2.1 所示。当激励信号的频率等于换能器的谐振频率 fs时，串联支路谐振，此时振动系统的等效阻抗小，在恒压源的激励下，振动系统的输出功率。而在非谐振的情况下，因为动态电感 L1、动态电容C1的影响，无功分量增大，相同的激励电压作用下，流过机械臂的电流比谐振时小，因此，在电源输出相同功率时，以在谐振点的机械能的有功功率。谐振频率漂移、振动系统失谐导致无功分量增大，系统输出有功功率降低，必须采取有效的自动功率跟踪技术，使整个装置能正常工作，否则振动系统会因失谐时功率自动控制失效，而无法正常工作。 根据声学类比，图 2.1 可以等效变换为图 2.7，电参数 Im为流经机械臂的电流；Rm及 Rs分别代表换能器的机械振速、机械损耗阻及机械负载阻；Rm及 Rs的压降 Um及 Us分别代表换能器自身的机械振动力及换能器向负载传递的机械振动力。此时，换能器输出到负载的机械功率可以表示为 Pm=Im2Rm。显然，只要流经换能器的电流 Im恒定，输出功率 Pm就正比于机械负载阻 Rm。在超声冲击处理过程中，系统就能够通 第二章 超声冲击处理发生器研究方案的建立 - 13 - 过检测负载阻抗变化，使得输出功率随着负载的增大而增大，从而保证超声冲击处理质量和效率。 图 2.7 振动系统等效电路图 Figure 2.7 The equivalent circuit of the vibrating system 通常，产生机械损耗的原因是存在内摩擦。换能器的机械损耗阻 Rs和流经换能器的电流 Im成非性关系，因此使 Im恒定，则换能器内部机械损耗功率 Ps（Ps=Is2Rs）便是恒定的，不随机械负载的变化而变化。由振动系统的等效电路图 2.7 可知，换能器的输入电流 Im由两部分组成，流经电学臂的电流 Ie和流经机械臂的电流 Im。在外接匹配电感电路合适的条件下，电学臂电抗得到了补偿，且补偿和匹配电路不引入明显的有功损耗，Ie很小，就有 Im Iin。当装置输出功率不变时，机械负载阻 Rm增大，电流将减小，振幅减少。机械负载阻 Rm减少，电流将增大，振幅增大。要想使超声冲击装置的输出振幅稳定，必须稳定超声换能器的输入电流（或装置的输出电流） ，也就是使输出功率随机械负载变化而变化。 综上所述，在超声冲击处理过程中，为了使冲击装置正常工作以及保证超声冲击处理的质量和效率，应当设法稳定换能器的输入电流，实现输出功率的自动控制。 2.5 匹配网络的设计 振动系统在机械谐振频率附近的等效电路如图 2.1 所示，超声波如前面所述，L1、C1、C0、R1及 R0为动态电感、动态电容、静态电容、振动负载阻及机械损耗阻。振动系统谐振（L1、C1、R1及 R0支路串联谐振）时，系统呈容性。 为了提高系统的功率因数，减少两部分之间的能量反射，使能量有效地从发生器输入到振动系统，提高能量的利用效率，保证超声冲击装置稳定、安全、高效的工作，必须配置相应的匹配网络。 IinImRmRsXeUsUinUm 第二章 超声冲击处理发生器研究方案的建立 - 14 - 为了减少匹配网络本身的功率损耗，匹配网络必须采用储能元件，如电感或电容等，通常采用的匹配方法有串联和并联两种。采用并联电感的匹配方法，并联电感和振动系统组成的电路有功电阻相对于振动系统本身并没有变化，但这种方式缺乏滤波作用。而串联电感的匹配方法还能有效的滤除其输出方波成分，便具有实用价值。下面讨论串联匹配，其原理可用图 2.8 来说明。 图 2.8 串联电感匹配电路 Figure 2.8 The series inductance in the suited circuit 换能器是一抗性元件，其输入阻抗可表示为： 串联电感后，其输入阻抗变为： 当发生工作频率 s=1/(L1C1)1/2， （ s 为串联谐振角频率）时，可得到理想匹配条件： 由此可以得到所需要的串联电感值为： 串联匹配电感后，振动系统的输入阻抗为： iiijXRZ+=() 72()[]()()[]+++++++R=210021R0R0C221001011RRCLjRCRRsssswwwwjXeZe+= Re() 82()[]21001+01RRCRRRRsei++==w()()[]210021R0R0C21R+RCLsss++=www(C)R()[]2100210021RRRCwLs+++=() 92 第二章 超声冲击处理发生器研究方案的建立 - 15 - 可以看出，串联电感后使振动系统的等效输入阻抗呈纯阻性，阻值降低，串联电感起到了阻抗变换的作用。公式(2-9)对超声发生器匹配网络设计，串联电感取值具有一定参考意义。 2.6 超声冲击处理发生器系统设计方案 综上所述，超声冲击处理发生器系统由频率自动跟踪、输出功率自动调节以及相应的匹配网络组成，其设计方案的结构框图如图 2.9 所示。 工频交流电经全桥整流、滤波以后，送至斩波电路。为了保证超声冲击装置具有输出功率自动调整的功能，逆变电路前一级设置 BUCK 型降压斩波电路来调节输入到半逆变电路的供电电压。直流电压经过斩波电路以后，经过 LC 滤波，施加到半桥式逆变器直流侧。半桥逆变器在频率自动跟踪电路的控制下，使输出的电流频率与换能器的谐振频率保持一致。逆变器将受控的直流电压转换成高频方波电流后，经高频变压器再升至所需的工作电压，然后经匹配网络对其协调、滤波后形成振动系统需要的近似正弦波的高频交流电。 图 2.9 超声发生器系统框图 Figure 2.9 Diagram of the ultrasonic generator system 系统工作时， 频率自动跟踪控制通过一种粗精频率跟踪相结合的解决方法来完成。()[]21001+021RRCRRZs++=w()102整 流 滤 波 斩 波 电 路 半 桥 逆 变 匹 配 电 路 振 动 系 统 频率控制电路 功率控制电路 AC 220V 显 示 单片机 电流 检测 电路 电压电流 检测电路 驱 动电 路 第二章 超声冲击处理发生器研究方案的建立 - 16 - 粗跟踪由软件实现，开始加工前，通过单片机发出指令，以一定步长改变发生器的振荡频率，同时检测功放端电流的变化。如频率改变后电流增大，则继续按此方向改变频率；如果频率改变后电流减少，单片机会使频率朝相反方向改变，直到电流为值，此时单片机停止对频率的跟踪，只进行数据显示。此后系统工作时的频率由精跟踪控制。精跟踪由硬件实现，采用锁相环电路实现，即通过采集输入到振动系统的电流、电压相位差，并作出判断，从而改变半桥逆变器的驱动信号频率，实现频率自动跟踪，从而保证振动系统工作在谐振状态。 由于外界因素变化使振动系统的机械负载发生变化时，输出功率自动控制电路通过调节斩波开关的占空比，维持输出到振动系统的电流恒定，从而实现输出功率的自动调节，振动系统输出振幅恒定，保证了超声冲击处理的质量和效果。当超声冲击处理意外时，保护电路能够起到保护作用。 2.7 单片机的选择 选择单片机系统的主控芯片，需要考虑以下问题： (1) 超声发生器的电信号频率较高（20~30KHz），因此单片机的 CPU 运转速度是否能与之匹配是关键的问题； (2) 由于实时监测要检测多个信号，因此要求 CPU 能在同一时间内处理的问题越多越好； (3) 单片机作为主控系统的核心，应具有较可靠和较强的抗干扰能力。 综合以上问题的考虑以及经济因素，本文单片机主控芯片采用 INTEL 16 位高性能的 CHMOS 单片机 80C196KC，其基本特性能够如下： 1) 16 位 CPU，没有了累加器结构，采用寄存器寄存器结构； 2) 外部时钟 16MHz，速度高； 3) 除原来片外 232 字节的寄存器空间外，增加 256 个字节的附加 RAM，且在垂直窗口下可灵活地应用； 4) 16K 字节，存址能力为 64KB； 5) 外设十五服务器（PTS），专门用于处理外设中断事务； 6) 5 个 8 位 I/O 口； 7) 高速输入/输出器（HSIO），无需 CPU 干预，用于记载引脚上输入事件（信号电平的跳变）的发生时刻和按预先时间执行操作； 8) 一个全双工串行口； 9) 三路 PWM 输出； 第二章 超声冲击处理发生器研究方案的建立 - 17 - 10) 10 位 8 通道的模数传唤器（ADC），可选择 10bit/8bit AD 转换方式，可预先设定采样时间和转换时间； 11) 28 个中断源和 18 级中断、PTS15 级中断； 12) 16 位监视定时器（WDT），具有修复软件和抗干扰功能。 2.8 小结 本章在超声冲击处理发生器的建立方案方面进行了以下工作： (1) 分析了超声冲击装置的振动系统的电抗特性； (2) 在详细分析振动系统的工作情况下， 确立了频率自动跟踪控制和输出功率自动控制的实施方案； (3) 指出匹配网络对超声发生器系统的意义， 分析了串联匹配对振动系统输入阻抗的影响； (4) 建立了超声发生器系统设计方案，分析其工作原理； (5) 选用 80C196KC 单片机作为控制核心的检测系统的设计方案。 第三章 超声冲击处理发生器的设计 - 18 - 第三章 超声冲击处理发生器的设计 3.1 电路构成及其工作原理 超生发生器是超声冲击装置的重要组成部分，其性能的好坏直接影响改善焊接接头残余应力的效果。为了使超声冲击处理工艺过程稳定可靠，超声冲击装置能够稳定、高效的工作，要求发生器系统具有频率自动跟踪、输出功率自动控制的功能。为了获得的振幅以提高工艺效果，在电路设计方面，采用粗精频率跟踪，使超声发生器输出电流的频率和换能器振动系统的谐振频率保持一致； 针对在超声冲击处理过程中，负载变化剧烈特点，为使其工艺过程稳定可靠，采用 BUCK 型降压斩波电路来调节输入到逆变半桥的电压，以保证功率超声发生器具有输出功率恒定及可调的功能。 3.2 主电路 超声发生器主电路原理如图 3.1 所示，它包括单相桥式整流滤波电路、BUCK 直流斩波电路、半桥逆变器、输出变压器和匹配网络。 图 3.1 超声发生器主电路的原理图 Figure 3.1 Schematic diagram of he main circuit of the ultrasonic generator 工频交流 220V电经过全桥整流（D1D4）和电容 C1、C2 滤波，得到 310V左右的直流电；以 T1 功率管为核心的 BUCK 斩波电路，通过调节 T1 触发信号占空比，可输出大小可调的直流电；由电感 L1、电容 C6、C7 组成的“+”型低通滤波器，可以将 BUCK 斩波电路输出的脉冲信号转换成平滑的直流电； 且经过半桥逆变器 DC? AC 第三章 超声冲击处理发生器的设计 - 19 - 转换、输出变压器 B1 的阻抗变换，传送给匹配电路。匹配电路将功率信号滤波、调谐送给负载。 3.2.1 功率开关器件的选择 功率开关器件是逆变器以及整个超声冲击装置系统的关键元器件， 它负担着逆变、功率输出、频率调节等具体过程的执行。因此，选择合适的功率开关器件对于提高发生器系统的性能和效率是非常重要的。理想的开关器件具有零导通压降和无限大的反向截止电压，不需要驱动功率，能以无限量速率进行操作。在实际设计中不存在这种理想器件，但是我们可以根据设计要求，在满足允许功率和开关频率的前提下，尽量选择导通电阻小、通态损耗小、驱动功率小、安全工作区域宽以及使用简单、可靠性高的开关器件。这对于提高超声发生器的性能和效率非常有利。 目前，用于逆变器的功率开关器件主要有大功率晶闸管（GTR）、功率场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅晶体管（IGBT）、静态场效应管（SIT）、静态感应晶闸管（SITH）等，它们均属于全控型电力电子器件。关于它们的性能比较详见表 3.1[34]。 表 3.1 几种全控型电力电子器件的性能比较 Table 3.1 The performance comparison of the several full-controlled power electronic devices 器 件 名 称 GTR IGBT MOSFET SIT SITH 控制方式 电流 电压 电压 电压 电压 常态 阻断 阻断 阻断 导通/关断 导通/关断 反向电压阻断范围（V） 50 200-2500 0 0 500-4500 正向电压阻断范围（V） 100-1 200-2500 50-1000 50-1500 500-4500 正向电流范围（A） -100 100-12 200 2200 正向导通电流密度（A/cm2） 30 60 6 30 100-500 浪涌电流耐量 3 倍额定值 5 倍额定值 5 倍额定值 5 倍额定值 10 倍额定值 开关速度（Hz） 50K 50K 20M 200M 100K 门极驱动功耗 高 很低 低 低 中等 通态电阻 稍大 小 大 大 小 功率容量 大 中小 小 大 大 使用难度程度 较难 中等 很容易 容易 容易 通过比较可知，SIT、SITH 性能比较优良，但目前主要用于高压直流输电，且价格昂贵，用于本文超声发生器并不能充分发挥器件的作用，本文不予采用；GTR 属于电流控制器件，功率容量比较大，但开关频率难以达到音频以上，驱动电路复杂、功 第三章 超声冲击处理发生器的设计 - 20 - 耗大、存在二次击穿等问题，不适合本文超声发生器；MOSFET能克服 GTR 的缺点，驱动功率小，开关频率高，二次击穿可能性极小。IGBT较好的解决了高耐压和低通态损耗之间的矛盾，它相当于 MOSFET 和 GTR 的复合器件，综合了两者的优点，既有MOSFET 的工作速度快、输入阻抗高、驱动电路简单、热温度性好的优点，又包括GTR的载流量大、阻断电压高等多项优点。但考虑到本文超声发生器的实际要求，同时 MOSFET 具有开关速度高、过载能力强、具有负阻特性、易于并联使用可直接用TTL、CMOS 电路输出驱动等特点[35-37]，所以，本文采用 MOSFET 器件作为主电路的开关器件。 3.2.2 BUCK 直流斩波器 BUCK 直流斩波电路主要起调节电源输出功率的作用，通过检测负载阻抗，通过PWM 控制，实现输出功率的自动调节，负载增大时，发生器输出功率自动增大。 由于 BUCK 直流斩波器可以在高频下工作，使得储能元件重量和尺寸大大降低，从而使整个发生器体积小、重量轻；此外相对于目前较多采用可控硅调节输出功率的发生器系统，采用 BUCK 直流斩波器的发生器具有效率高、谐波污染小、工作可靠性好、性价比高的特点。 本文采用的 BUCK 直流斩波电路图如图 3.1 中所示， 它属于同向降压式变换电路。斩波电路由 VMOS 场效应管 T1、储能电感 L1、续流二极管 D6、滤波电容 C6、C7 组成。 斩波电路的输入端电压是由工频电压经过整流滤波得到直流电压。当驱动信号（Ug1）为正半周时，场效应管 T1 导通，续流二极管 D6 因反偏而截止，电流通过储能电感 L1 向负载供电，并同时向滤波电容充电，此时 L1 处于储能状态；当 Ug1处于负半周时，T1 截止，由于 L1 中电流没有突变，原先储存的磁能转化成电能以供应负载。由此可见，在驱动信号（Ug1）的控制下，场效应管 T1 呈周期性的导通或截止状态，储能电感 L1 同样也呈周期性的储能或放能的状态。而滤波电容 C6、C7 主要起降低输出电压脉动的作用。 BUCK 直流斩波器的输入电压和输出电压的关系为： TU+式中：q=TON/TOFF称为脉冲占空比，改变占空比，输出电压的平均值也随之改变。因此当负载及电网电压变化时，可以通过闭环控制自动调整占空比 q 来维持输出电压的恒定。 本文采用的 PWM 来控制驱动信号 Ug1的占空比，在保持驱动信号频率及大小不变的基础上，改变占空比来控制输出电压。而保持驱动信号频率恒定，是为了便于滤1110qUUTTUTTONOFFONON===() 13 第三章 超声冲击处理发生器的设计 - 21 - 波电路的设计，大大减少装置的体积和重量。 BUCK 斩波电路工作时，当频率较低时，开关损耗虽小，但滤波电路的体积和重量将大大提高，造成浪费；当频率较高时，由于开关管频繁工作而发热现象较为严重，使开关管的损耗又提高了。所以鉴于以上两方面因素，要选择适当的工作频率达到理想效果。本文选用的工作频率为 50KHz。 根据前面的分析可知，BUCK 直流斩波器的输出电压处于脉动的状态，其输出电压的脉动大小用 ?V0来表示： (TLC08式中：U0为斩波器的输出电压；T 为斩波器的工作周期；TOFF为开关管的关断时间；L、C0分别为滤波电路的电感、电容。 储能电感量选取一般是按照流过储能电感的电流恰好不出现间断所需要的小电感量的 1.3 倍左右。在确定了储能电感的电感量后，再按照输出电压的允许脉动 ?V0的要求进行设计。常用以下公式进行储能电感和电容的初步设计： 式中：f为斩波器的工作频率。 本文对 BUCK 直流斩波电路的设计要求如下： (1) 输出电压 U0在 20250V可调，输出电流为 4A； (2) 斩波器的工作频率是 50KHz； (3) 输出电压脉动 ?V0为 1%U0，电感电流在 10%额定电流情况下连续。 经过理论的计算和实验校正，后确定的直流斩波电路的参数如下：VMOS 场效应管 T1 选用型号为 IRF640，续流二极管 D6 选用型号为 DSEI60-10A，储能电感为1.4mH，滤波电容选用电解电容 470/V。 3.2.3 半桥逆变器的建立 逆变器的主回路形式主要有单端正激式、单端反激式、推挽式、半桥式和全桥式等几种[38]。 单端式结构所用的开关功率数量少，控制电路简单，但是功率开关管所承受的峰值电流和电压较高，且频率变压器只工作在磁滞回线的一侧，变压器利用率太低，所以只适合小功率的输出。 推挽式结构只需要用两个开关管就可以获得较大的输出功率，但中频变压器的利)LCTTUTUTVOFFOFFONOFF00800=+=∆() 230000L088VLfT∆UVTTUCOFFOFF∆=() 33()43()TqIU2L=100min 第三章 超声冲击处理发生器的设计 - 22 - 用率低，且开关管关断时电压高（开关管关断时需要承受两倍的直流输入电压） ，存在磁偏饱和现象，因此适合于小功率、原边电压比较低的场合使用。 半桥式结构也只需要两个开关管，驱动线路简单，抗不平衡能力强，抗变压器偏磁能力强，但中频变压器上施加的电压幅值只有输入电源电压的一半，欲得到和全桥、推挽式逆变电路相同的输出功率，则流经功率开关管的电流需提高一倍。另外，电路中必须有两个同值的输入电容，电流对电容的充放电频率与电路的工作频率相同，电压脉冲的顶部倾斜等是其不足之处。一般，半桥式只宜获得中等容量的输出。 全桥式结构将直流电压直接加在中频变压器上，功率开关管的耐压要...
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