自动频率跟踪超声波焊接机线路的设计

摘 要 （深圳市恒波超声波设备有限公司  0755-28993510    www.chaoshengbo.org ）

用检相法测试出超声波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 ，自动频率跟踪

超声波焊接机换能器在不带负载的情形下，振动于谐振频率上，可近似看作纯电阻。但是一旦带负载工作，由于负载的变化，换能器等效电路参数有所变化，实际工作频率与电源的谐振频率有差异，此时焊接效率低下，焊接质量和效果受影响，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。

 1 超声波换能器特性调谐状态时，换能器两端电压U=iRm，即电压与电流是同相的。当换能器失谐时，u 与i 不再同相，当ωs（谐振频率）<ω（工作频率）时电路呈容性，i 相位超前u 相位；当ωs >ω 时电路呈感性， i 相位滞后u 相位。以1000W 功率源，20kHz 谐振频率的超声波焊接机为例，测试数据如表1，波形如图1 所示。

2 相位检测法以上数据显示，换能器输出电压与电流相位差的值和滞后/超前情况代表着工作频率与振动系统固有谐振频率之间的关系。所以，若把电压、电流相位差信号取出，作为工作频率变化的控制信号，达到频率跟踪的目的。电路原理框图如图2 所示。（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）（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）（c）失谐下输出电压－电流波形图（电流相位超前电压相位） i （F = 66.7kHz） u （F =20.04kHz） ΔQ= 0º i （F = 20.06kHz） ΔQ= -28.8º u （F = 20.04kHz） i （F = 20.14kHz） ΔQ= -90º u （F = 20.09kHz）42 IT Age/ Sep. 15, 2005 （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) 频率 Ii ～(A)交流输入电流 220AC 端 Ii¯(A) 直流输入电流 150DC 端 Vp-p(v) 输出电压峰-峰值 Vrms(v)输出电压有效值 Ip-p(A) 输出电流峰-峰值 Irms(A)输出电流有效值 Qu-Qi(º) 电压-电流相位差 Vo(v) 整流检测电压调谐 20.04 0.2 0.368 2813 912 0.98 0.19 0 0.2 调谐 20.04 0.2 0.368 2719 882 1.00 0.19 0 0.188 失谐 20.18 1.3 3.68 12000 4137 2.39 0.83 -86 1.96 失谐 19.97 1.8 5.152 11530 3499 2.16 0.70 +72 1.93 调谐工作 20.02 1.55 2.27 2560 826 1.28 0.36 +27.4 1.698 调谐工作 20.05 2.13 3.13 2563 818 1.68 0.5 +28.8 1.906 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。图2 电路原理框图相位检测法电路如图3 所示，它能读出同频率电压电流输入信号的相位差值并以电压的正负表明其滞后/超前情况。输入的电压电流信号u 和i 分别经由Af﹑Az 放大器构成的过零比较器输出两个方波送入D 触发器和异或门后，D 端和CK 端分别得到与电压﹑电流相位差值有关的脉冲信号，Q 端输出取样电压﹑电流的相位差滞后/超前关系信号（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 “0”），异或门输出信号的宽度等于相位差值，幅度为逻辑高电平。

图3 相位检测电路图 i （F = 20.04kHz） u （F = 19.97kHz） ΔQ= +72º G i Az u As D CK Q 1kΩ 1MΩ 1Ω 超声波焊接机频率跟踪控制的一种方法电子科技/2005年9月15 4 3

3 电场－磁场效应

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磁导率μ 是表示磁场空间媒质磁性质的物理量，是物质导磁能力的标志量。磁性物质没有外场时，各磁畴是混乱排列的，磁场互相抵消；当在外磁场作用下，磁畴就逐渐转到与外场一致的方向上，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(或激励磁场的电流) 增大到一定程度时，全部磁畴都会转向与外场方向一致。这时的磁感应强度将达到饱和值。原理如图4 所示。图4 电场一磁场效应图

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场，从而该变线圈电感L 的值，固定电容C 的值，根据f 正比于1/√LC 的原理就可以改变和调节工作频率使其回到谐振点了（测试数据如表2 所示），示意图如图5 所示。图5 磁感应示意图

4 实现电路

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选用数字电位器X9C120PI（原理图如图6 所示）实现电阻调节功能，总阻值为10kΩ，通过“加 /减计数”位控制内部100 个抽头的通断来选取所需阻值，带有7 位非易失性存储器，掉电存储设定值。驱动连接到线圈两端，通过改变电路电阻值而改变线圈两端电压。换能器输出电压电流相位差的大小表2 电压－频率对应关系磁芯骨架型号 EI 33 横截面积 S=1.2×1cm2 线圈匝数 N1=N2=20(φ0.55mm) N3=2400(φ0.12 mm) 串联电容 C=0.056μF 等效电阻 R=185Ω U(V) 2.02 2.49 2.86 3.20 3.44 3.70 3.92 F(kHz) 18.50 19.06 19.51 20.00 20.5 21.0 21.12 表3 电压－频率调节 U(mV) 412 415 419 422 425 430 432 435 F(kHz) 19.871 19.918 19.950 19.957 20.001 20.042 20.052 20.073 和方向检测出来后，就可以作为调节频率的依据了。若电流相位滞后电压相位，则上调线圈两端电压，超前则反之，根据模糊算法设置电压调整经验值Δu，DSP 芯片控制数字电位器“U/D”引脚改变电位器电阻设置，再次测试换能器输出电压电流相位差的值和滞后/超前情况以判断调整的效果何，若相位差减小且滞后/超前情况不变，则继续同向调节，反之则反向调节直到相位差接近0 为止。电路接线图如图7 所示，左边为恒流源输出和线圈输入电路，右边是数字电位器控制电路，测试结果如表3 所示。图6 数字电位器功能原理图 RL RW RH 加/减 计数存储/保持 U/D CS 99 98 1 0 工作区 0 U μ B B U L C 超声波焊接机频率跟踪控制的一种方法 44 IT Age/ Sep. 15, 2005 图7 实现电路图

5 结 论

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此种设计方法利用电场－磁场的对应关系改变电感量来调节超声电源的频率，有效地实现了超声波焊接机电源频率与换能器固有谐振频率的自动跟踪控制，达到预期目标。

参考文献 1 陈思忠. 产生超声波的功率源电路. 近代超声原理与应用, 2000, (6): 67～70. 2 张晓波. 超声波塑焊机频率自动跟踪的模糊控制设计. 应用电子技术, 2004, (1): 189～192. 作者简介吴秀玲（1981—），女，华南理工大学电信学院硕士研究生。

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