超声电源频率跟踪电路的改进

　　超声加工是将超声振动能量能使物质的某些物理、化学特性或状态发生瞬间变化的原理应用到材料加工中的一种新技术。该技术与磨削技术相结合形成的超声磨削在硬脆材料加工上应用较广泛。超声发生器(超声电源)是超声加工装置中一个重要组成部分,由它产生的超声信号向超声换能器提供超声能量,换能器能否正常工作与超声电源的信号输出是否稳定,反馈控制是否精确有密切的关系,最终会影响材料加工的质量。

　　超声振动系统一般工作在谐振状态,因为此时能量转换效率较高。但是,由于负载变化、工具磨损、换能器发热等影响因素,换能器的机械共振频率会发生漂移,压电陶瓷换能器和铁氧体磁致伸缩换能器对负载变化尤为敏感[1]。这将导致换能器端面的振幅下降,能量传输受阻,甚至损坏整个系统。

　　因此,必须对振动系统进行自动频率跟踪控制。

　　1 频率跟踪电路的设计

　　目前超声电源的频率跟踪方式主要以电反馈为主,电反馈法包括电流反馈法、差动变量器电桥法、锁相法等,其中由于前两种在频率跟踪时会出现灵敏度不高、稳定性差等问题,因此锁相法运用较广泛。锁相环(PLL)法的原理就是检测出两个相较信号相位差的大小和符号,用此偏差信号去调节振荡器的频率,使相位差减小,直至被锁定在零上。它主要由3个基本单元构成:相位比较器PD、压控振荡器VCO和外接的R、C无源低通滤波器LPF。运用锁相法实现频率自动跟踪,在一般的超声电源上是使用锁相CD4046来实现的,CD4046包含前面2个单元,使用时外接低通滤波器,从而形成完整的锁相环。

　　1.1 传统频率自动跟踪电路的设计

　　由CD4046组成的串联谐振型频率跟踪电路[2]如图1所示。电流i0的采样通过霍尔电流传感器实现,然后经过零比较器整形变换成方波信号Vi,电压U0的采样通过霍尔电压传感器实现,Vi与Vu同时送至CD4046锁相环。只要负载固有谐振频率的变化在锁相环的跟踪范围内,就可保证锁相环实现频率自动跟踪,U0和i0的相位差为零,使换能器工作在谐振状态,达到输出功率最大。图1中R3、R4和C2构成了低通滤波器,其时间常数限制了系统跟踪输入信号频率变化的速度,同时环路滤波器还能帮助防止噪声电压干扰环路的正常工作。

　　采用CD4046实现频率自动跟踪,当电流信号超前电压信号时,系统表现为容抗,4脚输出振荡频率升高;反之系统表现为感抗,4脚输出振荡频率降低,最终使电流电压反馈信号的相位差为零,换能器工作在谐振状态。该电路输出脚(4脚)为了防止逆变桥上下桥臂直通短路,对串联谐振型逆变器要求驱动信号具有一个死区时间。