超声波焊接机频率跟踪控制的一种方法

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1、电子科技2005年第9期（总第192期）超声波焊接机频率跟踪控制的一种方法吴秀玲，方少元（华南理工大学电信学院，广东广州510640）摘要用检相法测试出换能器输出电压和电流相位差的值和滞后/超前情况作为超声波焊接机工作频率调整信号，通过磁饱和原理和数字电位器改变线圈电场强度来改变其电感值（即改变电路工作频率）从而跟踪控制频率使电路回到谐振状态。本文讲述了频率控制原理，给出了实现电路和测试数据，证明了此方法是可行的。关键词换能器；磁饱和；数字电位器中图分类号TN712相，当ωs（谐振频率）<ω（工作频率）时电路

2、呈超声波焊接机换能器在不带负载的情形下，振容性，i相位超前u相位；当ωs>ω时电路呈感性，动于谐振频率上，可近似看作纯电阻。但是一旦带i相位滞后u相位。以1000W功率源，20kHz谐振负载工作，由于负载的变化，换能器等效电路参数频率的超声波焊接机为例，测试数据如表1，波形有所变化，实际工作频率与电源的谐振频率有差如图1所示。异，此时焊接效率低下，焊接质量和效果受影响，2相位检测法焊接机也易受损。所以在设计电路时，必须要考虑到谐振频率的自动跟踪。以上数据显示，换能器输出电压与电流相位差的值和滞后/超前情况代表

3、着工作频率与振动系统1超声波换能器特性固有谐振频率之间的关系。所以，若把电压、电流调谐状态时，换能器两端电压U=iRm，即电压相位差信号取出，作为工作频率变化的控制信号，与电流是同相的。当换能器失谐时，u与i不再同达到频率跟踪的目的。电路原理框图如图2所示。i（F=66.7kHz）u（F=20.04kHz）∆Q=0º（a）调谐下输出电压－电流波形图（电流相位几乎等同电压相位）i（F=20.06kHz）u（F=20.04kHz）∆Q=-28.8º（b）调谐工作下输出电压－电流波形图（电流相位超前电压相位）i（F

4、=20.14kHz）∆Q=-90ºu（F=20.09kHz）收稿日期：2005-04-20（c）失谐下输出电压－电流波形图（电流相位超前电压相位）41超声波焊接机频率跟踪控制的一种方法i（F=20.04kHz）u（F=19.97kHz）∆Q=+72º（d）失谐下输出电压－电流波形图（电流相位滞后电压相位）图1输出电压－电流波形图表1超声波焊接机输入电流、输出电压电流检测状态F(kHz)I～(A)交流I¯(A)直流V(v)输V(v)输I(A)输I(A)输Q-Q(º)电Vo(v)iip-prmsp-prmsui频

5、率输入电流输入电流出电压出电压出电流出电流压-电流相整流检220AC端150DC端峰-峰值有效值峰-峰值有效值位差测电压调谐20.040.20.36828139120.980.1900.2调谐20.040.20.36827198821.000.1900.188失谐20.181.33.681200041372.390.83-861.96失谐19.971.85.1521153034992.160.70+721.93调谐工作20.021.552.2725608261.280.36+27.41.698调谐工作20.0

6、52.133.1325638181.680.5+28.81.906注：调谐指焊接之前调整电路频率接近谐振频率，失谐指焊接之前调整电路频率远离谐振频率，调谐工作指在调谐频率下进行焊接操作。1MΩ1kΩ1Ω图2电路原理框图相位检测法电路如图3所示，它能读出同频率“0”），异或门输出信号的宽度等于相位差值，电压电流输入信号的相位差值并以电压的正负表幅度为逻辑高电平。明其滞后/超前情况。输入的电压电流信号u和i分uDAsQ别经由Af﹑Az放大器构成的过零比较器输出两个CK方波送入D触发器和异或门后，D端和CK端分别得

7、到与电压﹑电流相位差值有关的脉冲信号，Q端G输出取样电压﹑电流的相位差滞后/超前关系信号iAz（当电压超前电流时，电流信号的每个上升沿到来时，D触发器输出为“1”。当电压滞后电流时，电流信号的每个上升沿到来时，D触发器输出为图3相位检测电路图42ITAge/Sep.15,2005超声波焊接机频率跟踪控制的一种方法3电场－磁场效应利用在工作区电场与磁场的这一近似线性比例关系，改变线圈两端的电压就能改变线圈的磁磁导率µ是表示磁场空间媒质磁性质的物理场，从而该变线圈电感L的值，固定电容C的值，量，是物质导磁能力的标

8、志量。磁性物质没有外场根据f正比于1/√LC的原理就可以改变和调节工作时，各磁畴是混乱排列的，磁场互相抵消；当在外频率使其回到谐振点了（测试数据如表2所示），磁场作用下，磁畴就逐渐转到与外场一致的方向示意图如图5所示。上，即产生了一个与外场方向一致的磁化磁场，从而磁性物质内的磁感应强度大大增加。磁性物质因磁化产生的磁场是不会无限制增加的，当外磁场(或LC激励磁场的电流)增大到一定程度时，全部磁畴都U