超声波电源频率自动跟踪电路设计1

1、超声波电源频率自动跟踪电路设计11st萱1在功率越市庄川中，巍率宜动曜琮技术息 需要整快的一个事要践履,些握高3声像缶蜥曲 别率脚故率的审要途径之一点本文根据莉声换 雎器在潸振率附近的电抗村柱句此握出采用 模.用技术进行捷率自动常犀的理设基文中 详崩叔述r场指撩制电粕的站构和匚作原理，井 用实！i鼎臆了谖控制系统可行性 关锭词 嘘据明琼 箱相环 撮助巩境1引盲近年弟.超声加工的应用十分活瓯,涉 及面广,正在不断发展.凑册垄陋节日 功率屈声设备在工作融嬲届础eH 化、工具膳撮，换能器发热等脂病,魏能楝 的机械共槌颗率将发生潭移,压电陶慌肉v 能嚣和快袒体磁致伸缅换能器对场戴变化 尤为皴感这将导致换能器说面的振幅 下降,拍工效率下降心因箕,必须斯振动系 统的倾率迁行自动编率跟踪控制“白动独 率跟踪有多种实现方法，ic声反蚀和电反 镣两大类。其虫，唱反愤的自激粮篇方式 简单.应用广泛本文在电踹匹配良 好的条件下，利用锁椎的方法实现振动系 统多Ji率的自动跟踪.2换能器在谐振频率附近 的电抗膊性采用锁相技术进药场率，i劫跟踪的关 st之处.在于获得负载电蹈中的电压和电 流的相位差*为此,我们从

2、任电换能器在 浩振歇率附近的等效电踹进行分析在曙振籁率射近压电换能器的等效电路如图1所示臼图中为换能器的劫态 等效质量堂为搜能器的等致力昵岛为 换能器的机俄阻为静态电容，为了使 压电振予工作在谐振状态，消除牌态电容 的影病音箕两端并联匹配电感L.井只 满足盘 土 -其中3为换备嚣利谐振搦率”设加在换能器两踹的电压为e通过 的电流为IM能器在蒲振状态时宥即当换能器处于诚振时,加在挽能as 两端的电压和也流是同相的。当激励信V 的领率偏商换能器的厝板频率时，换能器 工侔在失谐状态，其陶端的电压和电流不 向相.其ffett-ffi率特性曲线如图2所 示，囹中叫为审联谐撮顿率,咛井联港振 娘率；当如岭蹈，电路呈容性，缰藏超前 电压+相:位差为负.当 V时，电路 虽感性电田超前电8Ejfl位为正；汽E = 心时电路坚纯阻性电压和电流同招位. 因此,换能器两端的电辰粕流il换能器的 电流之阙的相位羌,其大小正负就&示激 励信号顿率勺振曲系统闵梅新率的责系 所以可以把电压耳电流的相位差携号眠大功率超声振动系统的频率自动跟踪，国创电气奉献浏览图3攸扣式频年白(1)相位检河出作为激励振动系统谐振频率变化

3、的控 制信号3锁相控制系统的设计项相环是一个很好的相位斐控例系 统.环路中的检相器比较两输入信号的相 位.输出一个代表两信号相位差的误差电 压，此电压经环路滤波后加在压投振荡器 上使压控振荡器的输出粳率朝着减小两 信号相位差的方向变化。从而达到白动频 率自动跟踪的目的。本文设ii r如图3所 示的锁相式敦率自动跟踪系统。图中1,9 为限幅放大;2.10为带涌海波部;3为电流 取样；II为电压取样;5为环路滤波;6为 功率放大:7为匹况器:8为换能器。相位检浏器在锁相控制中起着关键的 作用.系统跟踪性能肝坏在很大程度上取 决于相位检测器的好坏。本文设计了一种 新废的相位检测器.它能读出同线率输入 信号的相位差井以电压的正负表明其超前 还是落后，电捋如图4所示c由电压和电用4相位检滩8原理图流取样电路分别取得换能器输入电流i和 电压信息U.将它们分别接到两个过零比 较器c输入为正半周时.比较器摇出为逐 辑高电平;输入为负时.墙出为零。这样汶 完成了取样信号的逻我处理c将A、B两 点的逻圮信号进行异或，得到与电压电流 相位是有关的豚冲信号.信号的宽度等于 取样电压、电流的相位差.阙度为逻辑高

4、电 平。经阻容平滑滤波得一直流电压，其幅 值与电压电流相位差成正比。电压落后或超前电疏同一相位角时. D点得到的直渔电平相等。为了使鉴相电 路具有方向性.即识别超前落后的能力，利 用运放的正反相输入放大特性，如图4。 Aj接成正、反相放大当电压超前电流 时,A、B四端点信号经D触发器，电压信 导作为时仲信号，电压信号的每个上升沿 到来时触发器的输出踹(Q)为低电平。 此时，开关三极管裁止，放大券*有同相 跟随器功能，对相位误差进行同相放大：， 电伍落后电液时，D髓发器输出为 I*开美瞥土扳管电和导通人同相琬相 当于接地构成反相放大放大倍故为-lo 所以,如果命8汴孔部氏、甲，分别为电压 利电质的相&角立雨么经签相电路以后， 输出电压为Vc(9) = Pe-0 ( -Tt0n) TC?为A3、l及环路滤波器总的增益系 数,&为异或门逻辑高电平电压值。(2)控制器线路控制电路要求提供西路快速的矩形昧 冲.并且踪冲宽度及频率均为可调。本文 采用德克萨斯仪器公司生产的集成单片电 路TU94作为豚冲发生电路TM94是脉 宽调制式开美电源控制器，诃为推挽,桥 式、单端及串联斩波型SMI*S ( S

5、witching Mude Power Supply)供全部控制系坑的投制 单元。片内提供脉宽沏制基准电压+ 5V, 具有可酒输出频率和脉宽占空比等功能。 输出频率可调范围为(2 IOO)kHz.通过外 接Cj.Rt的调节来实现占空比独立可调范 国为(0-100%).物出时既可用路占空比大功率超声振动系统的频率自动跟踪，国创电气奉献浏览(0 100%)输出，乂可双路双错脉冲输出。 在双路卷出时.具有最小死区的保护功能。 片内还提供了的个误差放大器可用做闭 环控制和电路保护。本文采用双路双错输 出工作频率在25kHz左右,其接我如图5 所示。检相器的墙出连接在图5的PLC 端.检相器的输出电朋使信号发生器的族 率变化，从而达到跟踪系统振动貌率的目 虹予制电路与制动电与之间采用尚速光 精6N137进行隔离，如图5所示。本文采 用了光电三极情的跟随参电路.这种接法 使得光电三极管的动态衬应速度极快与 反向强接法相比至少要快35倍。因此, 波形的上下跳沿很陡通过精心调整.河使 两路豚冲宽度匹配到几个纳秒级,这对我 频变压器防偏感很有利。此外，咒崩有一 定的沆波作用.可以把控制回路的尖岭沌 掉，使得波形很光滑.进免开关的误动作。加压力(025ON)范围内，自动跟踪时跟踪利用本文设计的频率跟蛛系统对知声康率2；0荡兹.手动跟踪时狡率跟踪了 270 振动系统进行了族率跟踪实盖。为了检骏 林兹。实验结果表明，本文所研制的锁相 自动跟踪效果，将自动跟踪与人工调谐进 式频率跟踪系统的跟踪性能能够较好地满 行比较。首先使振动系垸空裁时处于谐振足功率超声设备的实际受求。状态,接上自动跟踪系统。然后，在变幅杆的擒出端施加不同的压力F(改变负载).分别记下所加的压力和振动频率fo利用 工人淞谐的方法.在施加的各压力点雨夏 上述实脸。实跄结果如图6所示。其中, 曲线A为人工调谐测试结果.曲线B为自

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