[发明专利]一种铸造用超声电源系统及谐振工作点自动跟踪方法

说明书

技术领域

本发明涉及铝合金铸造工艺的控制技术领域，尤其是涉及一种在铸造过程中用于施加超声振动的超声电源系统。

背景技术

目前，在铝合金铸造工艺中，有一种通过在金属凝固前或凝固过程中施加外加物理场的方法来改善金属的凝固组织的方法，从而获得高性能的铸造产品。研究表明，超声波振动施加到金属熔体中时，会产生空化、声流等一系列的非线性效应，会增加金属的形核率，能使合金整体的温度和化学成分均匀化，更重要的会产生明显的晶粒细化效果，从而可以提高铝合金的力学性能。

传统的超声波发生器采用自激振荡的模拟方式产生超声波，其依靠线路的自激来产生的超声波，频带比较窄，且由于发热、老化、负载变化等因素的影响，换能器的谐振频率会发生偏移，尤其应用在铝合金铸造工艺过程中，由于工具头浸入到高温熔融的浸入熔体中，变幅杆的工作温度高，工作环境恶劣，其固有频率的偏差更大，使超声电源输出的功率不能全部送到换能器上，工具头的振幅减小。目前国内常规模拟自激式超声电源用于铝合金铸造工艺中，经常自激不可靠，需要反复开关机，开机自激工作一段后，也经常发生失谐，甚至无法工作，导致超声加工不能有效的进行。

铝合金超声铸造过程中，根据铸锭规格、温度等铸造工艺的不同，工具头插入到铝液中的深度会有不同，这就导致不同工艺条件下换能器的负载和谐振频率会发生偏移，如超声系统不能快速跟踪在最佳谐振频率点，则会导致超声振动不能很好的施加到金属的凝固过程中去，从而影响铸件的质量。

现有的超声电源系统不能满足超声铸造过程中，谐振频率偏移范围大、负载变化大等要求。

专利CN201310524468.6公开了一种根据电流有效值大小来进行扫频搜索的方法，但经实践发现，这种方法准确性与可靠性有待提高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对铝合金超声铸造工艺过程中，工具头工作环境温度高，谐振频率漂移大、负载变化大等特点，提供一种安全可靠、能够实时跟踪谐振频率的超声电源系统及其自动跟踪方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供的铸造用超声电源系统包括电压变换与调节单元、单相全桥逆变单元、高频变压器、调谐匹配单元、超声换能器、驱动电路，电压检测单元、电流检测单元、触摸屏控制面板以及控制单元。

电压变换与调节单元将市电220VAC电源通过二极管整流电路转换成直流电源，再由SG3525集成开关电源控制芯片，通过半桥逆变电路和高频整流变压器变换得到合适的电压，该输出的电压由控制模块的PWM3信号占空比大小决定。

单相全桥逆变单元，用于接收高频驱动PWM信号，实现功率放大，由4个N沟道型MOSFET功率管组成，其输出端连接至高频变压器。

高频变压器，用于将超声功率信号传递到超声换能器侧，连接单相全桥逆变单元与调谐匹配单元。

调谐匹配单元，由1个静态匹配电感和4个动态匹配电感组成，接收来自控制单元的给定信号，根据给定信号对动态匹配电感进行投入和切断控制，其输出端与超声换能器连接，实现对超声换能器的实时调谐匹配。

驱动电路，由2块集成驱动芯片IR2110组成，用于将控制模块发送的PWM信号转换为单相全桥逆变单元功率管的驱动信号。

电压检测单元、电流检测单元，采用霍尔传感器隔离采集超声换能器两端的电压和流经超声换能器的工作电流，并传送至控制单元。

触摸屏控制面板，与控制器相连，用于实时显示检测到的数据以及超声换能器的工作频率、输出功率、电压与电流相位差大小，并用于输入、输出参数的设定和调整。

控制单元，用于接收超声换能器的实时工作电压、电流信号，经过内嵌的算法，得到超声换能器工作电压、电流的幅值、频率和相位差大小，并调整电压变换与调节单元的电压大小、PWM驱动信号的频率以及调谐匹配单元的电感值大小。

辅助电源用于给控制模块、驱动电路、传感器等电子电路提供工作电源。

本发明还提供了一种超声电源系统的谐振工作点搜索与自动跟踪方法，该方法的步骤如下：

a) 将电压变换与调节单元的输出电压调节到最低工作电压门槛值V1，并将4个动态匹配电感全部投入；

b) 控制单元输出频率为f0的PWM驱动信号至单相全桥逆变单元，使高频信号通过高频变压器和调谐匹配单元加载到超声换能器两端；