基于DSP的智能多頻率阻抗匹配控制系統(tǒng)研究

李長有，張 攀，李帥濤

（河南理工大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，焦作 454003）

0 引言

超聲波加工設(shè)備可以通過換能器將高頻的電能轉(zhuǎn)換為刀具的機械振動[1]，換能器是超聲波加工設(shè)備的核心器件，其特性參數(shù)對整個設(shè)備的性能有決定性的影響[2]。常用的大功率超聲波換能器，應(yīng)用于超聲波金屬焊接機、超聲波加工機床、超聲波霧化器等設(shè)備[3]。常用的超聲波頻率段以20kHz～40kHz頻率段的產(chǎn)品應(yīng)用最多，還可以根據(jù)一些工件的特殊加工要求設(shè)計制作非標(biāo)準(zhǔn)換能器，以滿足加工的需求[4,5]。

多頻率阻抗匹配的基礎(chǔ)是單個頻率的換能器的阻抗匹配[6]，其主要作用都是使換能器在其自身的諧振頻率點附近時，通過電源和阻抗匹配共同使壓電換能器的輸入頻率阻抗呈現(xiàn)出電學(xué)純阻性的特性[7]。為了實現(xiàn)自動頻率阻抗匹配，本文設(shè)計了一個可調(diào)電抗控制系統(tǒng)來對換能器進(jìn)行匹配。

1 磁通可控電抗器阻抗匹配原理

磁通可控電抗器的原理[8]如圖1所示。

圖1 磁通可控電抗器原理示意圖

在圖1中，AX是磁通可控電抗器一次側(cè)匝數(shù)為N1的線圈。ax是磁通可控電抗器二次側(cè)匝數(shù)為N2的線圈。一次側(cè)和二次側(cè)的線圈匝數(shù)比當(dāng)交流電I1進(jìn)入變壓器一次側(cè)后，將電流值為的外部電流源接入二次側(cè)。如果忽略鐵芯的工作損耗，則電抗器端口的電學(xué)伏安特性方程為：

在式(1)中，L11為電抗器一次側(cè)線圈繞組的自感，L22為電抗器二次側(cè)線圈繞組的自感。M是它們的互感。式(1)可以化簡為：

那么從AX端看進(jìn)去，電抗器阻抗為：

由式(4)可知，從可變電抗器AX端看進(jìn)去時，其漏阻R1、漏感以及勵磁電感Lm是常量。可變電抗器呈現(xiàn)出的阻抗量為可變量，可變阻抗量的大小與α呈線性關(guān)系，在α的變化范圍[0,1]內(nèi)，可變電抗器的可調(diào)阻抗量的變化區(qū)間為[Z1,Z1+Zm]。通常變壓器的特征參數(shù)Zm＞＞Z1，且通過改變可變電抗器二次側(cè)端口的磁勢，進(jìn)而改變一次側(cè)端口鐵芯中的主磁通量使其成為可調(diào)阻抗。因此磁通可控電抗器的阻抗量的調(diào)節(jié)區(qū)間很大，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)可調(diào)且不會產(chǎn)生諧波分量。

2 DSP智能阻抗匹配控制系統(tǒng)

DSP智能阻抗匹配控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

DSP智能阻抗匹配控制系統(tǒng)的工作原理為：電壓傳感器和電流傳感器分別將電壓信號和電流信號轉(zhuǎn)換為模擬量信號，再經(jīng)過信號采樣電路和有效值轉(zhuǎn)換電路將模擬量信號轉(zhuǎn)變?yōu)镈SP控制模塊可識別的數(shù)字量信號，DSP控制模塊根據(jù)采樣信號的值來控制可變電抗器的電感量的大小。過流檢測保護(hù)電路分別檢測電流信號和可變電抗器流過的電流，放止電流過大燒毀電路模塊。

在DSP模塊的阻抗控制程序設(shè)計中，本文采用閾值判別的方法來進(jìn)行判斷。因此選擇合適的控制量來作為比對閾值對于系統(tǒng)的穩(wěn)定工作有著非常重要的影響，否則不僅達(dá)不到調(diào)節(jié)電感的目的，還會造成控制系統(tǒng)輸出信號不穩(wěn)定，對于電源主電路和控制電路部分都會造成非常大的影響。阻抗匹配控制程序流程圖如圖3所示。

圖3中，區(qū)間(0.9I0,1.1I0)為程序判別所選擇的閾值。在閾值的選擇中，本文選擇使用多次實驗獲得的經(jīng)驗值，經(jīng)過測試表明選擇的經(jīng)驗值滿足系統(tǒng)控制的設(shè)計要求。電流與頻率關(guān)系的實驗數(shù)據(jù)生成的曲線如圖4所示，X軸為頻率值，Y軸為電流值。其中圖4(a)圖是電源頻率匹配20kHz加工臺振動加工過程中的電流-頻率關(guān)系，圖4(b)是電源頻率匹配28kHz超聲焊接過程中的電流-頻率關(guān)系，圖4(c)是電源頻率匹配30kHz超聲波霧化過程中的電流-頻率關(guān)系，圖4(d)是電源頻率匹配35kHz加工刀具振動加工過程中的電流-頻率關(guān)系，圖4(e)是電源頻率匹配40kHz超聲波橡膠切割刀工作過程中的電流-頻率關(guān)系。

圖3 阻抗匹配控制程序流程圖

圖4 實驗數(shù)據(jù)生成的電流-頻率關(guān)系曲線

從上述電流-頻率關(guān)系曲線圖中可以知道，當(dāng)換能器處于其自然諧振點時，電流值最大，且與其他處于諧振狀態(tài)但非最佳諧振點相比電流值有明顯的一個閾值區(qū)間，可以作為程序判別的閾值范圍。經(jīng)過實驗驗證表明，根據(jù)電流值的閾值來作為判別依據(jù)是完全可行的，可以達(dá)到多頻率超聲電源的設(shè)計要求。

因此，阻抗匹配控制系統(tǒng)可以結(jié)合磁通可控電抗器共同完成智能阻抗匹配任務(wù)。在DSP控制系統(tǒng)中預(yù)先存儲磁通可控電抗器阻抗值和其所對應(yīng)的的二次側(cè)接入電流值，在接收到頻率阻抗匹配請求后，調(diào)用預(yù)先存儲的數(shù)值即可使相應(yīng)的管腳導(dǎo)通，輸出控制信號通過隔離電路控制磁通可變電抗器二次側(cè)的接入電流值，從而達(dá)到精細(xì)、連續(xù)的控制可變電抗器一次側(cè)阻抗的目的。

3 結(jié)束語

本文介紹了目前工業(yè)現(xiàn)場常用的超聲波換能器原理和其工作過程中阻抗匹配方法。著重研究了阻抗匹配系統(tǒng)特性，提出了根據(jù)諧振點電流值最大的特點使用電流閾值來作為智能控制系統(tǒng)判別依據(jù)的DSP智能阻抗匹配系統(tǒng)方案。并通過實驗數(shù)據(jù)中的電流-頻率關(guān)系驗證了DSP智能阻抗匹配系統(tǒng)方案的有效性。理論和實驗數(shù)據(jù)分析均表明DSP智能阻抗匹配系統(tǒng)方案具有可連續(xù)調(diào)節(jié)電感量、調(diào)節(jié)區(qū)間大的優(yōu)勢特點，非常適合在多頻率超聲電源阻抗匹配方面的應(yīng)用。

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