步进追频及恒振幅控制的超声电源设计.pdf
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1、第 42 卷 第 5 期Vol.42,No.52023 年 9 月Journal of Applied AcousticsSeptember,2023 研究报告 步进追频及恒振幅控制的超声电源设计苏含玉安纯尧刘建停李喜峰(上海大学上海200040)摘要:针对超声金属焊接过程中出现的负载变化导致谐振频率漂移和焊接振幅失恒问题,设计了一种基于步进追频及恒振幅控制的超声电源。在负载变化对谐振频率影响的研究基础上,根据可编程逻辑阵列-直接数字式频率合成器步进追频原理设计了负载变化追频逻辑;结合全桥逆变电路的移相控制方式,研究了不同占空比下的最大输入电流与最大焊接振幅的关系,提出了基于输入电流反馈下的步
2、进移相恒振幅控制方案。实验结果表明,负载变化追频逻辑实现了谐振频率快速变化下的动态实时追踪,解决了因频率失谐导致的焊接振幅非线性下降问题。同时,在加入了振幅闭环控制后,实现了焊接振幅相对极差稳定在10%以内。关键词:步进追频;恒振幅控制;超声电源中图法分类号:TN86文献标识码:A文章编号:1000-310X(2023)05-0917-06DOI:10.11684/j.issn.1000-310X.2023.05.003Ultrasonic power supply design based on FPGA-DDS steppingfrequency tracking technologySU
3、 HanyuAN ChunyaoLIU JiantingLI Xifeng(Shanghai University,Shanghai 200040,China)Abstract:Aiming at the problems of resonance frequency drift and weld amplitude loss caused by load changesin ultrasonic metal welding,an ultrasonic power supply based on step chasing and constant amplitude controlis des
4、igned.Based on the study of the effect of load change on resonant frequency,the load change trackinglogic is designed according to the principle of field programmable gate array step chasing,and the relationshipbetween the maximum input current and the maximum weld amplitude under different duty cyc
5、les is studied,and the step-shift phase constant amplitude control scheme based on input current feedback is proposed.Itsolved the problem of nonlinear decrease in weld amplitude due to frequency detuning.At the same time,after adding the amplitude closed-loop control,the relative amplitude of the w
6、elding amplitude is stabilizedwithin 10%.Keywords:Step chasing frequency;Constant amplitude control;Ultrasonic power supply2022-05-10收稿;2022-05-30定稿作者简介:苏含玉(1995),女,江苏连云港人,硕士研究生,研究方向:超声焊接电源。通信作者 E-mail:lixifeng 9182023 年 9 月0 引言超声金属焊接的实现方式是使金属结合面在一定压力和高频超声振动下产生剧烈剪切和塑性变形,从而实现连接界面的固相粘连12。由于其具有焊接时间短、可靠
7、性高和环保安全等特性,被广泛应用于电器引线、熔断器片、锂电池极耳的焊接等领域35。超声电源作为金属焊接时功率信号的发生装置,其输出频率和振幅的大小对焊接质量有着至关重要的影响68。文献9提出了可编程逻辑阵列-直接数字式频率合成器(Field programmablegate array-direct digital synthesizer FPGA-DDS)进追频原理,并解决了压电换能器谐振频率受焊接工具头发热而产生漂移的问题,但未对实际焊接过程中工况变化导致的负载变化规律进行探究。本文在文献9的研究基础上,将FPGA-DDS步进追频原理与具体工况相结合,在金属薄片实际焊接过程中,把电压电流的
8、相位差信号取出,作为激励振动系统谐振频率变化的控制信号10,通过研究焊接过程中电流与电压的相位关系,进行负载变化追频逻辑设计,并对焊接振幅与输入电流的关系进行研究,将输入电流大小作为反馈信号进行振幅控制。当电源检测到相位差和输入电流变化过大时,数字鉴相器和功率调节单元对驱动频率和占空比进行同步调节,以保证超声金属焊接电源工作的稳定性及可靠性。1超声电源系统超声电源的系统结构如图1所示,分为屏幕、FPGA、主电路模块和采样电路模块。FPGA?220 V?AD?IGBT?图1超声电源系统结构图Fig.1 Structure diagram of ultrasonic power system屏幕与
9、FPGA通过UART协议进行通信,将初始占空比、频率和焊接时间等焊接参数传递给FPGA进行处理,FPGA将实时驱动频率、功率和温度回传给屏幕进行显示。FPGA对采样电路模块得到的信号进行逻辑运算,并根据运算结果对驱动波形的频率和相位做出调整,最后将经过反馈控制的驱动信号输出给主电路模块。主电路模块包括整流滤波、全桥逆变、驱动和匹配电路,主电路模块将220 V工频交流电整流滤波后逆变成需要的高频交流电,并通过匹配电路驱动换能器。采样电路模块将电流与电压信号转换为数字信号传递给FPGA进行相位差计算,并将采样得到的温度信号和输入电流信号与设定值比较,以实现电源的过热和过流保护以及恒振幅控制。2负载
10、变化对谐振频率及焊接振幅的影响超声金属焊接过程是动态加载过程,过程中时变性的焊接参数减弱了匹配电路调谐变阻的效果,导致声学系统的性能远低于空振状态11。焊接结果受多个焊接参数共同影响,常用的焊接参数为焊接压力、驱动频率、电功率、焊接时间及摩擦系数。焊接压力与被焊接材料的可流动性极限、硬度及厚度有关;超声波驱动频率和功率决定了焊接振幅的大小,对于所需焊接能量一定的被焊件,在谐振频率点和较大电功率下进行焊接,可以减少焊接时间,提高工作效率;摩擦系数与工具头和被焊件的表面状态有关。其中任何参数的改变都会对负载产生影第42卷 第5期苏含玉等:步进追频及恒振幅控制的超声电源设计919响,进而使动态加载过
11、程中的谐振频率发生变化。在实际超声焊接过程中,为了保证焊接振幅维持稳定且最大,都会对超声焊接压力、超声波频率、功率及时间进行设定。此时,焊接参数中仅有摩擦系数会随着工件表面变化而变化,若始终以定频率焊接,摩擦系数对负载阻抗及谐振频率的影响会体现在振幅和负载端的电流与电压相位上。以铜片焊接为实验研究对象,研究单一因素(摩擦系数)作用下负载变化对阻抗及谐振频率的影响,设定的铜片焊接参数如表1所示。以阻抗分析仪所测得的换能器谐振频率fs作为工作频率fw进行定频焊接,利用激光测振仪OptoGUI记录焊接过程中振幅的变化。同时,使用示波器观测该过程的电流与电压相位变化情况。表1铜片焊接参数Table 1
12、 Copper sheet welding parameters材料单片厚度/mm数量/片压强/MPa工作频率fw/Hz焊接时间t/s铜0.220.5205991焊接振幅如图2所示,其初始振幅最大,之后呈现非线性下降趋势,极差为12.5 m,表明在焊接过程中负载变化对谐振频率有影响,谐振频率fs不断远离实际工作的驱动频率导致振幅快速下降。虽然在焊接过程中无法使用阻抗分析仪对带载换能器进行实时阻抗分析,但阻抗变化规律可从电流与电压相位变化情况中得出。如图3所示,焊接起始时换能器工作在串联谐振频率上,电流与电压相位重合,换能器呈现纯阻性阻抗,此时对应的焊接振幅最大,之后电压相位逐渐滞后电流相位至最
13、大90,对应焊接振幅逐渐下降至最小的过程。?/mm0.2-0.200.40.60.81.01.2?/s2520151050-5-10-15-20-25图2设定参数下的焊接振幅Fig.2 Weld amplitude under the setting parametersui(b)?u/(200 VS?-1)i/(5 VS?-1)u/(200 VS?-1)i/(5 VS?-1)u/(200 VS?-1)i/(5 VS?-1)t/(25 msS?-1)t/(25 msS?-1)t/(25 msS?-1)(a)?(c)?uiui图3焊接过程中电流与电压相位变化Fig.3 Current and v
14、oltage phase changes during welding综合上述测试参数可知,换能器在焊接过程中的负载呈现容性,实际的谐振频率fs逐渐升高,且在焊接时间内升高速度较快。3 步进追频及恒振幅控制方案3.1步进追频控制方案负载变化对谐振频率的影响(实际谐振频率增大)与文献9中焊接工具头发热对谐振频率的影响(实际谐振频率减小)相反,且变化速度与之相比较快。因此,负载变化追频是在温升追频的基础上实现补偿。根据FPGA-DDS的步进追频原理9,将数字鉴相器检测到的电流及电压信号的相位差转换为对应大小的误差范围。如图4所示,设定两个误差范围1与2,当判定电流与电压相位差变化超过2/2时,以步
15、进量1.01 Hz向使谐振频率升高的正方向调节实时驱动频率,此时负载追频补偿量f负载变化起主要作用,抵消温升对频率的9202023 年 9 月补偿(温升补偿步进量为0.01 Hz)后,实际步进量为1 Hz;当判定电流与电压相位差变化较小时(2/2 1/2),温升补偿起主要作用,负载追频已补偿的叠加量保持不变,其追频逻辑如图4所示,其中fr为实时驱动频率,fi为起始谐振频率。fr=fi-Df?+Df?NDf?=Df?+1.01Df?=Df?+0.01?Y?N?Y?/2?/2?Y N 图4负载变化追频逻辑Fig.4 Load change chasing logic根据DDS调频原理可知,当FPG
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