[实用新型]强制微抖动扫频跟踪式超声波电源

说明书

技术领域

本实用新型涉及强制微抖动扫频跟踪式超声波电源，属于超声波加工技术领域。

背景技术

超声加工是目前硬脆材料加工的新方法，其特点是刀具与工件在超声作用下周期性的接触和分离，因此切削力小、刀具发热小、磨损低，加工质量高。但在加工过程中，由于刀具进给、加力和分离过程中伴随着剧烈的负载变化，大功率压电换能器容易发生停振问题，表现为振幅骤然降低、切削力剧增等不良现象，甚至导致刀刃损坏和工件报废等问题。

理论研究表明：超声加工过程中伴随的剧烈负载变化，直接导致换能器的机械谐振频率发生偏移，此时要求超声波电源必须能够及时改变自身振荡频率，在新的频率上激励换能器，重新使其恢复谐振状态，才能维持超声加工的继续进行。因此，频率跟踪是超声加工中十分重要的技术保证。

目前，用于超声加工的频率跟踪主要有两种方法：最大电流跟踪法和锁相环跟踪法。

最大电流跟踪法，根据换能器在谐振点附近振幅最大、电流最大的原理，时刻通过扫频，保持换能器工作在最大电流状态，从而实现频率跟踪。但换能器工作电流在谐振点的两侧都变小，因此容易误判扫频方向，从而出现跟踪失败。

锁相环法，利用换能器在谐振状态下电压和电流同相位的原理，通过改变振荡频率寻找电压电流的同相点，从而实现频率跟踪。一般来说，设计良好的换能器在较宽频率范围内只有一个谐振频率，而且谐振点两侧电压电流的相位相反，因此不会出现最大电流跟踪法中的误判跟踪方向问题。但是，由于换能器，特别是高品质因数换能器在非谐振状态时的电流很小，不易检测其相位；而提高放大器增益，又会引入额外的相位偏移，同样也很难将换能器拉回谐振状态。

发明内容

本实用新型是为了解决超声加工中由于负载的快速剧烈变化，而出现的超声波换能器意外停振的问题，提供了一种强制微抖动扫频跟踪式超声波电源。

本实用新型所述强制微抖动扫频跟踪式超声波电源，它包括压电换能器，它还包括相位比较器、模拟加法器、压控振荡器、全桥功率放大器、输出变压器、匹配电路、电压电流取样器、三角波发生器、模拟除法器、峰值检测器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、电压信号放大器和电流信号放大器，

电压电流取样器用于采集压电换能器的实时工作电压U_tr和实时工作电流I_tr，电压电流取样器的工作电压U_tr信号输出端连接电压信号放大器的电压信号输入端，电压信号放大器的放大信号输出端连接第一低通滤波器的滤波信号输入端，第一低通滤波器的滤波信号U_{tr_filter}输出端连接相位比较器的电压信号输入端；

电压电流取样器的工作电流I_tr信号输出端连接电流信号放大器的电流信号输入端，电流信号放大器的放大信号输出端连接第二低通滤波器的滤波信号输入端，第二低通滤波器的滤波信号I_{tr_filter}输出端连接相位比较器的电流信号输入端，相位比较器的扫频电压U_phase信号输出端连接模拟加法器的控制信号输入端；

模拟加法器的电压信号输入端连接模拟除法器的强制微抖动扫频电压U_s信号输出端，模拟除法器的第一信号输入端连接三角波发生器的三角波U_tri信号输出端，模拟除法器的第二信号输入端连接峰值检测器的峰值模拟电压U_peak信号输出端，峰值检测器用于采集第二低通滤波器输出的滤波信号I_{tr_filter}；

模拟加法器的扫频电压U_vf信号输出端连接压控振荡器的控制信号输入端，压控振荡器的方波信号输出端连接全桥功率放大器的放大信号输入端，全桥功率放大器的输出电压信号经输出变压器升压后输入给匹配电路，匹配电路的信号输出端连接电压电流取样器的信号输入端。

本实用新型的优点：本实用新型可实现包括超声加工在内的各类功率超声应用中，大功率压电换能器驱动的可靠频率跟踪。它是对锁相环频率跟踪法的改进，通过加入一个窄带强制扫频单元，改变了传统锁相环扫频中过分依赖电流信号强度的问题，大大提高了频率跟踪的可靠性。