基于ARM的感應式超聲電源*

姚 震 郭鐘寧 張永俊

（廣東工業大學，廣東 廣州 510006）

隨著新型材料的日益廣泛使用，超聲加工機床開始為人們所重視。傳統的旋轉超聲機床通過電刷給壓電陶瓷換能器供電，存在轉速低、維護不便等缺點。感應式旋轉超聲加工的電源通過電磁感應將電能傳遞到換能器。影響換能器工作的因素較多，諧振工作頻率會發生變化，因此超聲電源要有頻率跟蹤功能，保證換能器始終工作在諧振狀態下。

本文提出了一種采用罐型磁芯的高頻變壓器來傳遞能量的方案，突破了傳統旋轉超聲電刷的局限［1］。高頻旋轉變壓器的結構不但要保證能傳遞功率，還要求能效高，結構牢固。高頻變壓器的繞組選用銅箔進行繞制，既可以減小渦流反應，也使結構緊湊，保證了旋轉加工機床的工藝要求。以ARM為核心控制芯片，可實現感應式超聲電源的數字化控制，外圍接口資源豐富，性能價格比高。同時，該數字電源具有自動掃頻功能，可靈活方便地用于各種頻率的超聲換能器。

1 超聲電源頻率跟蹤的原理和方法

常用的頻率跟蹤方法按反饋信號的不同，分為電反饋和聲反饋兩種，電反饋又可分為阻抗電橋法、電流反饋法、電壓反饋法和鎖相環法等［2］。由于壓電陶瓷換能器受工作環境的影響較大，尤其對溫度比較敏感，運行一段時間后溫度會上升，導致諧振頻率隨著溫度上升而下降。圖1為壓電陶瓷換能器在不同溫度下的速度/頻率曲線，S1和S2分別為溫升前后的振幅－頻率曲線，ω1和ω2為對應的諧振頻率。

設A為當前工作點，當溫度升高換能器的溫度特性曲線由S1變為S2，如果沒有頻率跟蹤，頻率不變，工作點將變到B點，換能器的振幅將下降到Ht。因此，超聲電源必須自動降低驅動信號的頻率，使其工作點上升到Hf，從而保持原來的振幅，工作點變到C點，實現對溫度變化的頻率跟蹤。

常用的頻率跟蹤方法有基于驅動電壓和電流相位差的跟蹤方法（如鎖相法）、最大電流法和模糊控制法［3］。最大電流法是根據頻率電流特性關系，搜索電流大小，使得換能器工作在諧振頻率附近，該方法的優點是需要硬件少（電流傳感器）、容易實現，缺點是工作在一定的頻帶范圍內，電流信號的變化量較小，要達到一定的頻率跟蹤精度較為困難。

鎖相環法是基于驅動電壓和電流相位差的跟蹤方法。由于頻率漂移會在其相頻特性上反映出來，可通過跟蹤其相頻特性的變化，達到穩定工作狀態的目的。壓電陶瓷換能器在固定頻帶所對應的相位差不隨驅動電壓和溫度的變化而變化，即相位差能較好地反映換能器的工作狀態。相位差的精確檢測水平決定了頻率跟蹤控制的精度。鎖相法其優點是方案成熟簡單易實現，缺點是頻率跟蹤范圍較小，容易跟蹤失效。

還有基于驅動電壓的跟蹤方法，通過實驗研究和分析建立驅動電壓與所期望的機械性能（如轉速、輸出功率和輸出效率）之間的關系，便可以此驅動電壓為反饋依據，實現頻率自動跟蹤［4］。處在共振頻率附近時，驅動電壓值最小，反之電壓值變大。該方法在實施之前需要做大量的實驗工作，并且驅動器的穩定性、精度或效果受換能器本體性能的影響較大，實際操作具有一定的難度。

模糊控制法不要求建立換能器的數學模型，根據經驗規則控制決策，保證換能器工作在最大功率處。其優點是魯棒性強，缺點是需要豐富經驗才能建立好控制決策。

2 系統設計

基于ARM的超聲電源主要包括主電路及其驅動、控制回路和外圍接口等。設計的旋轉超聲加工的換能器的功率僅有幾百瓦，綜合考慮成本和技術，選用半橋結構的主回路;驅動電路采用集成的IR2110驅動芯片;參數設置及顯示選用大器智成公司的觸摸屏來實現，通過串口與控制板連接。感應式超聲電源控制結構框圖如圖2所示，該控制系統以Stm32f103rbt6芯片為核心，電壓電流反饋信號經過濾波調理電路后進入ARM芯片A/D轉換（PC0和PC1管腳復用），兩路PWM通道使用PA6和PA7管腳。

通過軟件改變驅動信號的占空比，可以方便地調節電源的輸出功率，不必像模擬電源需要通過斬波電路來實現功率的調節功能。

2.1 頻率跟蹤的實現

超聲加工過程中，隨著換能器的老化，或者工作時間增加導致發熱，或者負載變化較大時，換能器的特性會發生變化，其諧振頻率會發生漂移，超聲電源要能進行頻率跟蹤，才能最大限度地發揮換能器的性能，將電能轉換機械能的效率提高［5］。

由于Stm32f103rbt6芯片的工作頻率為72 MHz，假設換能器的諧振頻率為25 kHz，根據ARM的定時器工作原理，對應的裝載到周期定時器T的值為2 880，數值加1后對應的頻率是24 991.3 Hz。如果單純采用軟件頻率跟蹤，對應25 kHz的換能器，精度為10 Hz。換能器諧振頻率越高，精度越差，不能保證頻率跟蹤的準確性。

本系統的頻率跟蹤結合硬件跟蹤（鎖相法）和軟件跟蹤的方法，發揮鎖相環跟蹤精度高和電流搜索法調節范圍寬的優點。鎖相環采用的是74HC4046N芯片，當固有諧振頻率發生突變，超出鎖相環的頻率跟蹤范圍，則切換到軟件跟蹤。搜索到最大電流值點對應的諧振頻率，將頻率拉回到鎖相環頻率跟蹤范圍內。

2.2 采樣和保護電路

工作電壓的采樣是通過分壓電阻來實現，高頻電流信號的采樣是通過霍爾傳感器取得，經過信號調理電路進入ARM處理芯片，最后通過D/A轉換輸出電壓控制74HC4046的壓控振蕩器。由于旋轉超聲電源的特點，電壓電流信號的采樣位置在高頻變壓器的原邊側。電壓信號通過功率電阻分壓后進入控制板，電流信號通過滿足頻率和電流大小的高頻電流傳感器獲得。

保護電路包括過壓過流和短路保護，產生保護中斷信號后，程序立刻中斷 PWM的輸出，或者控制IR2110驅動芯片的使能端，使超聲電源停止工作。

2.3 系統程序設計

系統軟件主要包括主程序、自動掃頻程序、頻率跟蹤程序和中斷服務程序等［6］。主程序包括系統初始化、看門狗復位等操作;定時中斷程序主要完成電源的電壓電流采樣和控制算法。圖3為超聲電源頻率跟蹤控制的流程圖。

自動掃頻程序主要完成開機時對換能器參數的檢測，確保超聲電源和加工工具的匹配，其過程如下:將驅動信號的占空比設為15%，作為換能器的工作電壓，間隔固定時間施加不同頻率的激勵電壓，采樣主回路的電壓，通過一定的算法，可以判斷出換能器的諧振頻率，因此該數字式超聲電源能適用于多種頻率的換能器。

通過判斷鎖相環芯片4046的第1腳的高低電平，可知是否處于鎖定頻率狀態，決定調用軟件是否頻率跟蹤。

3 實驗結果

根據上述理論分析制作了一臺樣機，并進行了實驗研究。實驗裝置包括感應式超聲電源、諧振頻率約為30 kHz的換能器和工具頭、示波器和電壓電流傳感器等。通過阻抗分析儀PV70A測量得到換能器的參數為27.996 kHz，等效阻抗為45.73 Ω，靜態電容為3.168 nF。

分別記錄超聲加工空載和帶載時電壓電流的波形，如圖4所示。其中，1通道為主回路電壓，2通道為電流信號。

運行20 min后，諧振工作頻率由27.950 kHz減小到27.928 kHz，電壓和電流的相位仍保持一致，保持工作在恒振幅模式，說明電源系統較好實現了頻率跟蹤。

4 結語

設計了一種帶自動掃頻和復合頻率跟蹤的超聲電源，分析了超聲電源的頻率跟蹤原理，研制了基于ARM的全數字控制的旋轉超聲加工機床上用的電源樣機，有自動掃頻功能、結構簡單、頻率跟蹤效果好的優點。實驗結果表明，該電源設計合理，具有良好的頻率跟蹤性能，應用前景廣闊。

［1］姚震，郭鐘寧，張永俊，等.旋轉式變壓器在超聲加工中的應用［J］.機床與液壓，2011（15）:70－72.

［2］Khmelev Vladimir N，Barsukov Roman V，Slivin Alexey N，et a1.System of phase－locked－loop frequency control of ultrasonic generators［A］.The Second Siberian Russian Student Workshop EDM’01［C］.［S.1.］:［s.n.］，2001，（3－7）:56－57.

［3］戴向國，傅水根.旋轉超聲加工智能超聲波發生器的研究［J］.清華大學學報:自然科學版，2002，42（2）:182－184.

［4］趙淳生.超聲電機技術與應用［M］.北京:科學出版社，2007.

［5］鄭書友，徐西鵬.超聲加工中超聲發生器的頻率跟蹤技術［J］.機械工程師，2005（7）:70－72.

［6］李遠波，張永俊，周慧峰，等.基于DSP的軟開關逆變式脈沖電源［J］.電力電子技術，2009（11）:59－60.