基于DSP的智能多頻率阻抗匹配控制系統研究

李長有，張 攀，李帥濤

（河南理工大學 機械與動力工程學院，焦作 454003）

0 引言

超聲波加工設備可以通過換能器將高頻的電能轉換為刀具的機械振動[1]，換能器是超聲波加工設備的核心器件，其特性參數對整個設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、超聲波霧化器等設備[3]。常用的超聲波頻率段以20kHz～40kHz頻率段的產品應用最多，還可以根據一些工件的特殊加工要求設計制作非標準換能器，以滿足加工的需求[4,5]。

多頻率阻抗匹配的基礎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出電學純阻性的特性[7]。為了實現自動頻率阻抗匹配，本文設計了一個可調電抗控制系統來對換能器進行匹配。

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匝數為N1的線圈。ax是磁通可控電抗器二次側匝數為N2的線圈。一次側和二次側的線圈匝數比當交流電I1進入變壓器一次側后，將電流值為的外部電流源接入二次側。如果忽略鐵芯的工作損耗，則電抗器端口的電學伏安特性方程為：

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

那么從AX端看進去，電抗器阻抗為：

由式(4)可知，從可變電抗器AX端看進去時，其漏阻R1、漏感以及勵磁電感Lm是常量。可變電抗器呈現出的阻抗量為可變量，可變阻抗量的大小與α呈線性關系，在α的變化范圍[0,1]內，可變電抗器的可調阻抗量的變化區間為[Z1,Z1+Zm]。通常變壓器的特征參數Zm＞＞Z1，且通過改變可變電抗器二次側端口的磁勢，進而改變一次側端口鐵芯中的主磁通量使其成為可調阻抗。因此磁通可控電抗器的阻抗量的調節區間很大，能夠實現連續可調且不會產生諧波分量。

2 DSP智能阻抗匹配控制系統

DSP智能阻抗匹配控制系統結構框圖如圖2所示。

圖2 系統結構框圖

DSP智能阻抗匹配控制系統的工作原理為：電壓傳感器和電流傳感器分別將電壓信號和電流信號轉換為模擬量信號，再經過信號采樣電路和有效值轉換電路將模擬量信號轉變為DSP控制模塊可識別的數字量信號，DSP控制模塊根據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計中，本文采用閾值判別的方法來進行判斷。因此選擇合適的控制量來作為比對閾值對于系統的穩定工作有著非常重要的影響，否則不僅達不到調節電感的目的，還會造成控制系統輸出信號不穩定，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驗值，經過測試表明選擇的經驗值滿足系統控制的設計要求。電流與頻率關系的實驗數據生成的曲線如圖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-頻率關系。

圖3 阻抗匹配控制程序流程圖

圖4 實驗數據生成的電流-頻率關系曲線

從上述電流-頻率關系曲線圖中可以知道，當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但非最佳諧振點相比電流值有明顯的一個閾值區間，可以作為程序判別的閾值范圍。經過實驗驗證表明，根據電流值的閾值來作為判別依據是完全可行的，可以達到多頻率超聲電源的設計要求。

因此，阻抗匹配控制系統可以結合磁通可控電抗器共同完成智能阻抗匹配任務。在DSP控制系統中預先存儲磁通可控電抗器阻抗值和其所對應的的二次側接入電流值，在接收到頻率阻抗匹配請求后，調用預先存儲的數值即可使相應的管腳導通，輸出控制信號通過隔離電路控制磁通可變電抗器二次側的接入電流值，從而達到精細、連續的控制可變電抗器一次側阻抗的目的。

3 結束語

本文介紹了目前工業現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特性，提出了根據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判別依據的DSP智能阻抗匹配系統方案。并通過實驗數據中的電流-頻率關系驗證了DSP智能阻抗匹配系統方案的有效性。理論和實驗數據分析均表明DSP智能阻抗匹配系統方案具有可連續調節電感量、調節區間大的優勢特點，非常適合在多頻率超聲電源阻抗匹配方面的應用。

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