宽频自适应大功率机械加工超声波电源研制

摘 要

　　随着科技快速发展，越来越多的先进设备和系统正在被研发，前沿的先进设备在性能等方面要求很高，随之对所需要材料的要求也提高，现在很多的新型的硬脆材料正被广泛的应用在国民生活的各个领域，通过研究和现场加工发现很多硬脆材料虽然具有很多独特优异的性能，但是加工难度非常大，传统的加工方法在加工质量和加工速度上已经不能满足人们的要求，目前发现超声振动辅助加工技术可以实现对硬脆材料高精度高效的加工，并且在超声振动辅助加工技术中超声波电源发挥着非常重要的作用，直接影响材料加工的质量，因此本文特研制出一套宽频自适应大功率机械加工超声波电源。

　　本文首先介绍了宽频自适应大功率机械加工超声波电源的意义、背景及国内外研究现状；并与市场上只能匹配固定换能器的传统超声波电源进行比较，提出可以对谐振频率为 15kHz-40kHz 的任意换能器进行匹配；对整流调压电路、高频逆变电路、阻抗匹配电路和电压电流采样电路的硬件参数进行计算分析和器件选取；根据典型机械加工换能器的阻抗和谐振频率，确定本文的宽频自适应大功率机械加工超声波电源装置的输出频率为 15kHz-40kHz,最大输出功率为 2kW.

　　本文利用 Matlab/Simulink 软件对装置整体电路拓扑和控制系统进行仿真验证，仿真结果验证了本文设计的宽频自适应大功率机械加工超声波电源系统的正确性和可行性，仿真研究发现恒功率模式下，设定功率后，通过 PI 调节，电源很快达到设定功率，并且稳定输出；设计了粗精结合变步长的频率跟踪算法，实现了谐振频率跟踪速度更快精度更高，实时保证换能器处于谐振状态。

　　本套装置的硬件开发以单相 BUCK 调压电路和全桥逆变拓扑作为主电路的核心，中央主控单元通过控制 BUCK 调压电路驱动信号的占空比，进行输出功率调节；通过控制逆变电路驱动信号的频率，来调整高频逆变电路输出的电压频率，使换能器工作在谐振的状态。

　　最后基于上述硬件平台，本文开发了对超声波电源工作和换能器谐振实时监控的应用软件平台，可实现基本参数设置、故障判断、实时显示输出功率和频率、历史数据存储等功能。并在实验室和工厂完成系统性能测试，试验结果满足现场机械加工要求，各项功能均达到了本文的设计目标。

　　关键词 超声波电源；频率自动跟踪；功率调节；机械加工

Abstract

　　With the rapid development of science and technology, more and more advanced equipment and systems are being developed. The cutting-edge advanced equipment has high requirements in terms of performance, and the requirements for required materials are also improved. Now many new hard and brittle materials are widely used in various fields of national life, Through research and field processing, it is found that although many hard and brittle materials have many unique and excellent properties, it is very difficult to process. The traditional processing methods can not meet people's requirements in processing quality and processing speed. At present, it is found that ultrasonic vibration assisted processing technology can realize high-precision and efficient processing of hard and brittle materials, And in ultrasonic vibration assisted machining technology, ultrasonic power supply plays a very important role, which directly affects the quality of material processing. Therefore, a set of broadband adaptive high-power ultrasonic power supply for machining is developed in this paper.

　　Firstly, this paper introduces the significance, background and research status of broadband adaptive high-power machining ultrasonic power supply at home and abroad; Compared with the traditional ultrasonic power supply which can only match fixed transducers in the market, it is proposed that any transducer with resonant frequency of 15khz-40khz can be matched; The hardware parameters of rectifier voltage regulating circuit, high frequency inverter circuit, impedance matching circuit and voltage and current sampling circuit are calculated, analyzed and selected; According to the impedance and resonant frequency of typical machining transducers, the output frequency of the broadband adaptive high-power machining ultrasonic power supply device in this paper is determined to be 15khz-40khz and the maximum output power is 2kW

　　In this paper, the overall circuit topology and control system of the device are simulated and verified by Matlab / Simulink software. The simulation results verify the correctness and feasibility of the broadband adaptive high-power machining ultrasonic power supply system designed in this paper. The simulation study shows that in the constant power mode, after setting the power, the power supply quickly reaches the set power through PI adjustment, and the output is stable; A frequency tracking algorithm combining coarse precision and variable step size is designed to realize faster resonant frequency tracking speed, higher accuracy and ensure that the transducer is in resonant state in real time.

　　The hardware development of the device takes the single-phase buck voltage regulating circuit and full bridge inverter topology as the core of the main circuit. The central main control unit adjusts the output power by controlling the duty cycle of the driving signal of the buck voltage regulating circuit; By controlling the frequency of the driving signal of the inverter circuit, the output voltage frequency of the high-frequency inverter circuit is adjusted to make the transducer work in a resonant state.

　　Finally, based on the above hardware platform, an application software platform for real-time monitoring of ultrasonic power supply and transducer resonance is developed, which can realize the functions of basic parameter setting, fault judgment, real-time display of output power and frequency, historical data storage and so on. The system performance test is completed in the laboratory and factory. The test results meet the on-site machining requirements, and all functions achieve the design goal of this paper.

　　Keywords ultrasonic power supply; Automatic frequency tracking; Power regulation; machining

目 录

　　第1章 绪 论

　　1.1 课题研究背景及目的意义

　　随着高新技术快速发展，由于很多硬脆材料具备很多优异的性能，因此被广泛应用于国民生产生活的各个领域，通过研究和实际使用中发现 SiC 颗粒增强铝基复合材料（以下简称 SiCp/Al）比普通的复合材料强度更高、耐受的温度更高而且 SiCp/Al 比普通的复合材料的热膨胀系数小很多，因此近年来在精密仪器、卫星、汽车、航空航天等领域被广泛的应用，SiCp/Al 复合材料的加工难度非常大是因为 SiCp/Al 复合材料当中含有大量的 SiC 颗粒，并且成为了大家一起公认的典型难加工材料，但是由于 SiCp/Al 具有其他复合材料没有的优异性能，国内外都非常迫切的想要大量的应用 SiCp/Al 复合材料，因此SiCp/Al 的加工技术近年来一直都被受国内外研究学者的关注[1-2].

　　近年来，国内外学者针对 SiCp/Al 复合材料的加工从各个方面进行突破，寻找各种刀具材料，并进行大量的现场加工实验，从现场加工实验的试样加工效果来看都不好，而且随着 SiCp/Al 复合材料中的 SiC 颗粒含量的增加，SiCp/Al 复合材料的加工难度成指数增加，通过大量现场加工实验数据对比来看聚晶金刚石刀具（以下简称 PCD 刀具）具有很好的加工性能，但是从实际对 SiCp/Al 复合材料加工效果来看，PCD 刀具磨损严重，甚至报废，已经严重影响加工速度和加工质量，当 SiC 颗粒的含量继续增加，超过 50%以上时即高体积分数（简称高体分）SiCp/Al 复合材料，高体分 SiCp/Al 复合材料的难加工程度更加明显，一个传统的钻削都需要频繁换刀才能完成，所以高体分 SiCp/Al 复合材料的加工工艺已经严重阻碍了 SiCp/Al 复合材料被广泛的应用，针对这一现象超声波振动辅助加工技术应运而生，并且在实际使用中效果非常好，刀具磨损情况严重减小，工件表面加工效果非常好，因此越来越受到大家的认可，并被广泛的投入使用[3-4].

　　针对高体分 SiCp/Al 复合材料和其他硬脆材料加工难的问题，我们采用了超声振动辅助加工技术，超声振动辅助加工技术的工作原理是将超声波技术融合进普通的机械加工技术中[5],我们已经通过超声振动辅助加工技术和传统机械加工方法在工厂进行现场加工对比，通过对比两种方法对工件的加工效果来看，发现超声振动辅助加工技术加工的工件质量更好、加工的精度更高，超声振动辅助加工装置中的核心部分是机械加工超声波电源，而市面上的超声电源频率跟踪范围低，用于实验研究的换能器-变幅杆-工具头结构需要多次调试才能匹配上超声电源，导致实验周期增长、成本提高等问题，严重时可能会使得变幅杆-工具头部分报废。

　　基于以上原因本文不采取调试换能器-变幅杆-工具头来匹配超声波电源的传统做法，而是从超声波电源匹配换能器-变幅杆-工具头的角度入手，通过设计一个自动匹配换能器-变幅杆-工具头的宽频超声波电源系统来实现缩减实验周期、降低实验成本、精确跟踪负载谐振频率的目的，如图 1-1 所示我们本文超声振动辅助加工系统由超声波电源、功率连接关节和变幅杆-工具头构成，如图 1-1 所示超声振动辅助加工系统中的连接关节可以是旋转关节也可以是非旋转关节。

　　1.2 国内外机械加工超声波电源研究现状

　　正因为机械加工超声波电源是超声振动辅助加工系统的核心部分，因此机械加工超声波电源的发展也在制约着超声振动辅助加工技术的发展，目前超声波辅助加工系统想要突破超声波电源跟踪频率窄，频率跟踪精度低的约束，现在急需宽频率跟踪范围、频率跟踪快速响应得的大功率超声电源。

　　1.2.1 国外机械加工超声波电源研究现状

　　国外对应用于机械加工的宽频自适应大功率超声波电源研究比较少，对其他应用的超声波电源控制研究有很多。1960 年美国西屋电气公司的 Yin-MinWei 为了满足工业中对超声波发生器高功率、高频率和高效率的要求，他通过利用晶体管代替真空管制作了新型超声波发生器，为之后设计大功率超声波电源奠定了基础[6].1962 年美国人 Frank Massa 详细介绍了超声波在工业中的成功应用，主要应用包括低、中、高功率。中低等功率超声波应用包括检测、遥控、探伤、超声波治疗和焊接等类型，高功率超声波应用包括金属、冶金和其他化学制品的分散以及物理应用。中低功率应用成功获得商业验收，但是大功率应用进展很慢[7].1967 年美国通用电气公司的 Neville Mapham 通过使用单个可控硅，从而使半导体和相关电路的成本最低化来降低超声波电源的成本。

　　电路具有良好的负载调节功能，控制基本电路的电压输出变化 5%,该电路还可以承受无功负载，输出频率范围是 400Hz-30kHz,输出最大功率为 1kW[8].

　　1975 年，美国 Branson 超声波公司的 A.Shoh 评估了大功率超声波在工业中的应用，据统计用于工业用途的功率超声设备每年总计 1 亿美元，在接下来的 25年里将会稳步发展[9].1996 年日本人 Yoko Mizutani 针对换能器具有复杂的阻抗特性，他提出新型的锁相环（PLL）方法和自动频率控制算法（AFC）实现逆变器输出频率与换能器谐振频率相适应，他通过研究了换能器的阻抗特性，发现当换能器工作在谐振频率时，换能器具有最小的阻抗并且此时流过换能器的电流最大，根据换能器这一特点他设计的新型 PLL 电路可以大大的提高超声波电源的输出功率，由此他设计处了一个高频低功率的超声波电源，频率为1MHz,功率为 60W[10].2007 年波兰人 Pawe? Fabijański 通过对换能器的等效阻抗进行研究分析，确定其等效电路由静态电容和动态电阻、电感和电容并联连接组成，通过采用模糊控制使换能器工作在最佳谐振频率，大大的提高换能器工作效率[11].2008 年，泰国的 Chankit Buasri 用微控制器产生脉冲宽度调制（PWM）、相移 PWM 控制（PS-PWM）和脉冲密度调制（PDM）作为超声波清洗机的控制信号，并对这三种控制模式的效果进行比较，采用全桥逆变器，谐振频率为 30kHz 来确定超声波清洗机的效率。测试结果表明 PDM 切换策略是清洗粗糙设备的最佳策略，PWM 和 PS-PWM 测略是清洁扁平设备的最佳策略[12].2010 年，土耳其人 Ali Tangel 设计了以 FPGA 为核心的多输出超声波发生器，可以实现四个独立的脉冲发生器和数字显示单元，输出频率为48kHz,频率分辨率为 5Hz,这项工作被认为是首次尝试利用 FPGA 技术的并行硬件设计[13].2013 年，马来西亚人 Javad abbaszadeh 设计了可以进行频率自动跟踪，跟踪步长为 100Hz,并对系统频率实时监控和调整的超声波电源[14].

　　2017 年日本人 Jun Imaoka 设计了一个超声主轴的旋转变压器串并联组合谐振电路，超声主轴是主要的加工设备之一，用高频正弦电压驱动超声主轴驱动的超声换能器，利用旋转变压器代替电刷和滑环的电压传递方法，将正弦电压提供给连接在旋转轴上的超声换能器，但是旋转变压器的耦合系数不够高无法传递超声换能器所需要的驱动电压，因此，需要利用 LC 抵消技术对旋转变压器中的漏感进行等效抵消[15].2018 年俄罗斯人 Vladimir N. Khmelev 研究发现高强度的机械振动可以改变材料的结构和性能，因此设计了一个低压电源超声发生器用于工业产生机械振动来提高各种产品的产品质量[16].2020 年，印度人P.aanchal satyan 将太阳能与超声波发生器相结合，设计了太阳能超声波清洗机[17].

　　1.2.2 国内机械加工超声波电源研究现状

　　1980 年，我国开始利用模拟电路搭建功率超声设备，并在工业中开始投入使用，如超声清洗、超声焊接和超声加工[18-23].1993 年太原大学董丽萍设计了一款新型功率超声波发生器，通过利用功率 MOSFET 代替电子管来提高电能转换成械能的效率[24].2000 年，华北电力大学刘丽华以 mcs-80c196 单片机为信号控制芯片，设计了一种智能化大功率超声波发生器，输出频率为 20kHz-38kHz,输出功率为 300W,可以实现频率自动跟踪[25].2008 年，陕西师范大学鲜晓军通过对复频功率换能器的设计，实现一个换能器可以有多个机械谐振频率，很大程度上推广了换能器的使用，方便了用户，不用再买很多的换能器，降低了加工和实验的成本[26].2010 年，江南大学屈百达教授通过采用 PI控制器和锁相环（PLL）相结合的频率跟踪方法，解决了电源启动时超声波电源容易失谐的问题，而且还实现了宽范围频率跟踪，同时还大大提高了超声波电源的性能和系统得功率因数[27].2011 年，苏州大学李祖胜针对换能器的阻抗特性提出了一种新型的动态监测换能器谐振平频率和换能器参数的方法，这种动态检测方法有助于换能器的谐振频率跟踪。南京航空航天大学葛红娟教授提出了一种全新的全桥移相控制方法，大大的提高了超声电源的效率。中南大学的黄凯分析了压电陶瓷换能器的阻抗特性和谐振频率特性，以串联支路的谐振频率作为超声换能器的工作的最佳谐振频率，并采用 BP 神经网络提前计算好匹配网络的电感值，为了实现实时谐振频率跟踪和动态阻抗匹配，通过搜索电流最大值确定换能器的谐振频率。武汉理工大学夏自祥根据功率超声在工业中的重要作用设计了一个智能化大功率发生器，提高了系统频率跟踪精度，为了防止工作环境对系统工作的稳定性及可靠性产生干扰，夏自祥从硬件和软件都采取了抗干扰措施，双重保护系统的可靠运行[28-31].2014 年江南大学刘辉洪针对传统超声波电源只能工作在一个固定谐振频率，在实际应用中严重受限，为此，通过模糊控制对其谐振频率进行粗略调整，采用 DDS 实现谐振频率精准跟踪设计了一种输出频率范围为 15kHz-38kHz 的宽带低功率超声电源[32].

　　2015 年华南理工大学罗杰和杭州电子科技大学陈洪欢针对工业中对超声波电源功率要求越来越高的问题，设计了一款大功率超声波电源，并提出可以根据负载的变化进行更改谐振频率跟踪的方法和频率跟踪的速度。北京交通大学的钟 龙针发现传统的超声电源由于采用的是静态阻抗匹配网络，因此导致超声电源在谐振频率漂移时不能及时进行阻抗匹配带来效率降低、换能器停震等问题，因此提出了动静结合阻抗匹配策略[33-38].2016 年，浙江大学干洋红研究发现，硬脆材料比普通材料的强度和硬度都高而且耐磨性好，但是硬脆材料的加工比较困难，传统的机械加工工艺已经满足不了，通过研究发现引入超声的技术可以实现对很多硬脆材料的精密加工，因此设计了一套超声机械加工系统。李长有提出数字锁相频率跟踪技术与寻找电流最大值频率跟踪方法相结合的复合频率跟踪方法，可以实现动态搜索换能器的谐振状态，但是这种复合频率跟踪方法跟踪精度不够高[39-41].2017 年，江苏科技大学苏文虎针设计了一款以 FPGA为控制核心的宽频超声波电源，输出频率可达 20kHz-40kHz,解决了宽频域内锁相和频率跟踪的问题，可以任意的匹配换能器，突破专机专用的技术壁垒。

　　杭州电子科技大学的张青发现，超声波电源的功率调节和输出电压的稳定性严重影响了超声波电源的焊接质量。因此，为了提高焊接质量，提出了超声波电源的恒振幅控制策略[42-44].2019 年中国民航大学张朋朋在超声加工研究中发现切削力的快速变化和电能传输效率低，会对加工的质量产生影响，原因是切削力的变化和电能传输效率会使振幅不稳定，甚至振幅还会衰减，设计一个能根据振幅变化调节输出功率的超声波电源[45-47].2020 年湖北工业大学杨景嵛针发现目前的用于功率焊接的超声波电源存很多问题，如在负载突变时失谐并且输出功率不稳定和频率跟踪速度等问题，采用 LCL 型匹配电路和积分分离 PI 控 制并结合数字频率合成技术 DDS 的频率跟踪策略，设计了一个 2kW 超声波电源，频率跟踪步长为 1Hz 提高了超声波驱动电源频率跟踪精度，并解决了超声波电源频率跟踪响应速度慢和易失谐的问题[48].

　　综合以上国内外学者的研究成果，虽已经取得了巨大突破而且有的超声波电源已经在某些领域投入使用，但是市场上传统的超声波电源仍存在频率跟踪动态响应慢、频率跟踪范围窄、参数不易调整、专机专用、输出功率不稳定和电源长时间运行不稳定等缺陷，为了解决上述问题，研究能够自动进行精准快速频率跟踪以及功率自动调整的超声波电源是装置是十分必要的。

　　1.3 论文的主要研究内容

　　本文研究的主要内容是研制一款用于对硬脆材料进行机械加工的宽频自适应大功率超声波电源装置，能够对谐振频率为 15kHz-40kHz 之间的任意换能器进行自动匹配、实时进行频率跟踪以及功率稳定输出的超声波电源，本文的主要研究内容如下：

　　（1）简述宽频自适应大功率机械加工超声波电源研制的重要意义，并介绍超声振动辅助加工技术，本文并着重介绍了一下国内外对超声波电源研究的进展和突破。

　　（2）结合换能器的工作原理和对换能器的阻抗特性分析，可将其等效为RLC 串联电路，利用 Matlab/Simulink 软件对超声波电源系统整体电路拓扑的可行性进行仿真，在仿真中模拟了换能器谐振频率漂移时的谐振频率跟踪和功率调节，模拟了谐振频率偏移时电压、电流的变化趋势，并对装置的性能指标进行了合理设计，对电力电子器件的参数进行了计算和选择。

　　（3）建立上位机超声波电源工作和换能器谐振实时监控应用软件平台，并对监控平台子模块进行合理设计，确保实现底层硬件装置单元与上位机实现基于 MODBUS 协议的双向通信控制，同时应在监控软件平台中加入参数配置及故障显示，确保用户操作便捷。

　　（4）宽频自适应大功率机械加工超声波电源装置需在实验室进行系统性能测试，在工厂对硬脆材料现场进行机械加工，验证超声波电源装置在工厂现 场加工时的实际运行的可行性、可靠性和稳定性，并对试验结果进行分析。

　　第 2 章 机械加工超声波电源主电路设计

　　2.1 机械加工超声波电源总体设计方案

　　2.2 整流调压模块

　　2.2.1 整流电路参数设计

　　2.2.2 滤波电路参数设计

　　2.2.3 BUCK 降压电路参数设计

　　2.3 高频逆变模块

　　2.4 阻抗匹配模块

　　2.4.1 换能器阻抗特性分析

　　2.4.2 静态匹配技术研究

　　2.4.3 动态匹配技术研究

　　2.5 本章小结

　　第 3 章 超声波电源硬件电路设计

　　3.1 控制系统总体方案设计

　　3.2 采样硬件电路设计

　　3.2.1 电压电流检测电路设计

　　3.2.2 电压电流调理电路仿真验证

　　3.2.3 电压电流调理硬件电路设计

　　3.3 信号发生电路硬件设计

　　3.3.1 DDS 信号发生电路设计

　　3.3.2 MOSFET 驱动电路

　　3.4 保护电路设计

　　3.5 本章小结

　　第 4 章 超声波电源软件设计与系统性能测试

　　4.1 控制系统软件算法设计

　　4.1.1 功率控制算法设计

　　4.1.2 频率跟踪算法设计

　　4.1.3 DDS 软件算法设计

　　4.1.4 人机交互模块软件算法设计

　　4.2 超声波电源控制系统仿真验证

　　4.3 系统性能测试

　　4.3.1 实验室系统性能测试

　　4.3.2 系统现场测试及运行

　　4.4 本章小结

结 论

　　本文在分析了机械加工超声波电源国内外研究现状的基础之上，提出了宽频自适应大功率机械加工超声波电源装置的研制，为了实现对硬脆材料高效高质的加工，本文对超声振动辅助加工技术的核心部分机械加工超声波电源中的核心技术和控制策略进行设计，并通过在 Matlab/Simulink 中建立超声波电源系统模型进行仿真验证，在实验室搭建系统功能测试平台，在调试完成的基础上搭建样机，系统样机并在现场进行功能测试，通过理论分析、实验研究和现场测试得出以下结论：

　　1. 通过分析了换能器的等效电路模型和换能器的阻抗特性，本文发现换能器具有静态支路参数稳定和动态支路参数变化剧烈的特性，因此本文提出动静结合的阻抗匹配技术，通过对比实验证明，所提的阻抗匹配技术有效的解决了换能器工作过程中失谐的问题。

　　2.针对目前市场上超声波电源频率跟踪范围窄、专机专用的问题，本文提出了粗精结合的频率跟踪算法并设计了十二阶有源带通滤波器，通过实验表明实现了超声波电源可以对谐振频率为 15kHz-40kHz 的任意换能器自动匹配功能和智能频率跟踪功能。 3. 通过在实验室和现场对本文研制的样机测试可知，发现以最大输出功率2kW 输出时，可以保持良好的运行状态，其可靠性高，本套超声波电源系统内部具有完善的过压和过流保护功能，而且抗干扰能力强，且当设备长时间工作，换能器一直可以工作在谐振状态。

　　4.本文建立了良好的上位机操作界面。用户可以更加直观的观察超声波电源运行情况和换能器工作情况，在上位机操作界面可以简单方便的修改参数；并且上位机操作界面还具有报警功能。

　　本文研制的超声波电源系统在实验室和工厂性能测试中各项功能均达到设计要求，在测试中发现本套超声波电源还可以在超声波电源的体积和功率损耗方面进行优化。

致 谢

　　时光飞逝，两年半的研究生学习生活即将结束，第一次进实验室的场景还历历在目，而现在却不得不和我亲爱的实验室，敬爱的老师，帅气的师兄弟们说再见了，我的内心百感交集，想要感谢的人很多，想要说的话也有很多。

　　首先，我要衷心的感谢我的导师刘骥教授。刘骥老师渊博的专业知识、严谨的学术态度和良好的科研习惯都深深的激励着我，每次与老师讨论问题时，刘老师的悉心指导让我受益匪浅。科研方面，刘老师给我们提供了广阔的实验平台与实践机会，使我从开始认识电子器件到独立完成科研项目的一个快速成长。在生活中，刘老师平易近人给予了我们无微不至的关怀和帮助，为我们创造了良好的实验室氛围。

　　在课题的研究和实践中，实验室的师兄弟们都给予了我很大的帮助，我要感谢张春博和王守明师兄在搭建实验平台和后期调试时，传授给我很多实践经验，让我少走很多的弯路，还有感谢张明泽博士师兄在我撰写论文期间给我提出很多指导性修改建议，帮助我顺利完成论文的撰写，以及师弟师妹们也给予了我很大的帮助，感谢你们有求必应，放下手中的活帮我做实验，感谢我的好朋友付宇和我一起发现问题、解决问题，怀念我们一起奋战的时光。

　　感谢我的父母对我慢慢求学路的支持，你们的关心和支持是我拼搏的动力源泉，我将继续努力不辜负你们的期望。

　　最后，感谢能够在百忙之中对本人硕士毕业论文进行评审的各位专家和评审老师，在这里致以最诚挚的感谢！

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