基于fpga超声波电源频率自动跟踪系统设计

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1、《电加工与模具}2013年第3期设计·研究基于FPGA的超声波电源频率自动跟踪系统设计黄洪彬，唐勇军，付美荣，陈猛(广东工业大学机电工程学院，广东广州510006)摘要：针对超声振子工作过程中存在的频率漂移问题，提出了一种基于FPGA的数字化频率自动跟踪系统，在分析了超声振子电特性及多峰性的基础上，阐述了频率自动跟踪系统的设计原理及基于FPGA的实现方法。实验结果表明。超声振子谐振频率在随温度变化而漂移时，本超声电源能实时跟踪其谐振频率的变化。关键词：超声波电源；频率自动跟踪；FPGA；超声振子中图分类

2、号：TG663文献标识码：A文章编号：1009—279X(2013)03—0032-04DesignofAutomaticFrequencyTrackingSystemofUltrasonicPowerSupplyBasedonFPGAHuangHongbin，TangYongjun，FuMeirong，ChenMeng(GuangdongUniversityofTechnology，Guangzhou510006，China)Abstract：Inviewofthefrequencydriftprob

3、leminoperationoftheultrasonicvibrationsystem，averyflexiblesolutionisproposed．BasedonFPGA，automatic~equencytrackingsystemofUltrasonicpowersupply，theelectricalpropertiesandthemultimodalitiesoftheultrasonicvibratorareanalyzedandthedesignprinciplesandimpleme

4、ntationmethodsoftheautomatic~equencytrackingsystembasedonFPGAareintroduced．Finally，theexperimentalresultsindicatethattheresonant~equencyoftheultrasonicvibratorvariesastheenvironmentaltemperaturechanges，andthissystemisabletotrackitinrealtime．Keywords：ultr

5、asonicpowersupply；automatic~equencytracking；FPGA；ultrasonicvibrator超声加工是通过超声振动系统在有磨料的液用中，由于超声振子的工作负载变化、工具的磨损体介质或干磨料中产生磨料的冲击、抛磨、液压冲及温度变化等诸多因素的影响，使超声振子的谐振击，及由此产生的气蚀作用来去除材料，或给工具频率发生漂移，导致工作频率与谐振频率不一致，或工件沿一定方向施加超声频率振动进行振动加振动系统处于失谐状态。如果超声波电源输出的工工，或利用超声振动使工件相互结

6、合的一种加工方作频率不能及时跟踪振子的谐振频率，会使振子的法『l1。振动效果降低，影响加工效率和精度，甚至出现振超声振动系统设计的好坏直接影响到超声加动停止或损坏振子的现象。工及其复合加工能否顺利进行。只有超声波电源输在超声加工中．为了得到较大的振幅以提高加出的工作频率与超声振子的谐振频率一致，才能保工效率，要求振动系统工作在谐振状态【2]。故超声发证振动系统处于高效、稳定的工作状态。在实际应生器实时跟踪超声振子的谐振频率至关重要．即超声发生器应具有频率自动跟踪功能刚。收稿日期：2013—03—071超

7、声振子的电特性分析基金项目：国家自然科学基金资助项目(51275097)第一作者简介：黄洪彬，男，1988年生，硕士研究生。超声振子在谐振频率附近可用集总参数来表一32一设计·研究《电加工与模具}2013年第3期示【1]，其等效电路见图1。率，(=0，该状态称为串联谐振，此时的角频率OJ0称为串联谐振角频率．其表达式为：1(￡)0=————=~／'LIC1Rl则相应的串联谐振频率为：因此，在超声加工过程中。控制系统只需通过图1超声振子等效电路图检测电路中电压电流是否同相位。就能判断振子的R。为压电陶瓷的

8、内介电损耗；为静态电容；工作谐振状态。R为动态电阻；。为动态电感；C为动态电容。其(1)若检测到电压相位超前电流，则说明X(>中，R、L。、C并非真正的电学量，而是由换能器的损0，电路呈感性，工作频率高于振子谐振频率，即厂>耗、机械顺序及质量分别折算所得的等效参数。通厂0。此时，超声波电源的激励信号应跟踪谐振频率的常，由R、L、C构成的支路称为机械臂，由凰、C0组变化而变化。即降低激励信号频率。成的支路称为电学臂。由电学知识可知，设激励信(