摘 要

　　隨著(zhù)科技快速發(fā)展，越來(lái)越多的先進(jìn)設備和系統正在被研發(fā)，前沿的先進(jìn)設備在性能等方面要求很高，隨之對所需要材料的要求也提高，現在很多的新型的硬脆材料正被廣泛的應用在國民生活的各個(gè)領(lǐng)域，通過(guò)研究和現場(chǎng)加工發(fā)現很多硬脆材料雖然具有很多獨特優(yōu)異的性能，但是加工難度非常大，傳統的加工方法在加工質(zhì)量和加工速度上已經(jīng)不能滿(mǎn)足人們的要求，目前發(fā)現超聲振動(dòng)輔助加工技術(shù)可以實(shí)現對硬脆材料高精度高效的加工，并且在超聲振動(dòng)輔助加工技術(shù)中超聲波電源發(fā)揮著(zhù)非常重要的作用，直接影響材料加工的質(zhì)量，因此本文特研制出一套寬頻自適應大功率機械加工超聲波電源。

　　本文首先介紹了寬頻自適應大功率機械加工超聲波電源的意義、背景及國內外研究現狀；并與市場(chǎng)上只能匹配固定換能器的傳統超聲波電源進(jìn)行比較，提出可以對諧振頻率為 15kHz-40kHz 的任意換能器進(jìn)行匹配；對整流調壓電路、高頻逆變電路、阻抗匹配電路和電壓電流采樣電路的硬件參數進(jìn)行計算分析和器件選取；根據典型機械加工換能器的阻抗和諧振頻率，確定本文的寬頻自適應大功率機械加工超聲波電源裝置的輸出頻率為 15kHz-40kHz,最大輸出功率為 2kW.

　　本文利用 Matlab/Simulink 軟件對裝置整體電路拓撲和控制系統進(jìn)行仿真驗證，仿真結果驗證了本文設計的寬頻自適應大功率機械加工超聲波電源系統的正確性和可行性，仿真研究發(fā)現恒功率模式下，設定功率后，通過(guò) PI 調節，電源很快達到設定功率，并且穩定輸出；設計了粗精結合變步長(cháng)的頻率跟蹤算法，實(shí)現了諧振頻率跟蹤速度更快精度更高，實(shí)時(shí)保證換能器處于諧振狀態(tài)。

　　本套裝置的硬件開(kāi)發(fā)以單相 BUCK 調壓電路和全橋逆變拓撲作為主電路的核心，中央主控單元通過(guò)控制 BUCK 調壓電路驅動(dòng)信號的占空比，進(jìn)行輸出功率調節；通過(guò)控制逆變電路驅動(dòng)信號的頻率，來(lái)調整高頻逆變電路輸出的電壓頻率，使換能器工作在諧振的狀態(tài)。

　　最后基于上述硬件平臺，本文開(kāi)發(fā)了對超聲波電源工作和換能器諧振實(shí)時(shí)監控的應用軟件平臺，可實(shí)現基本參數設置、故障判斷、實(shí)時(shí)顯示輸出功率和頻率、歷史數據存儲等功能。并在實(shí)驗室和工廠(chǎng)完成系統性能測試，試驗結果滿(mǎn)足現場(chǎng)機械加工要求，各項功能均達到了本文的設計目標。

　　關(guān)鍵詞 超聲波電源；頻率自動(dòng)跟蹤；功率調節；機械加工

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 錄

　　第1章 緒 論

　　1.1 課題研究背景及目的意義

　　隨著(zhù)高新技術(shù)快速發(fā)展，由于很多硬脆材料具備很多優(yōu)異的性能，因此被廣泛應用于國民生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域，通過(guò)研究和實(shí)際使用中發(fā)現 SiC 顆粒增強鋁基復合材料（以下簡(jiǎn)稱(chēng) SiCp/Al）比普通的復合材料強度更高、耐受的溫度更高而且 SiCp/Al 比普通的復合材料的熱膨脹系數小很多，因此近年來(lái)在精密儀器、衛星、汽車(chē)、航空航天等領(lǐng)域被廣泛的應用，SiCp/Al 復合材料的加工難度非常大是因為 SiCp/Al 復合材料當中含有大量的 SiC 顆粒，并且成為了大家一起公認的典型難加工材料，但是由于 SiCp/Al 具有其他復合材料沒(méi)有的優(yōu)異性能，國內外都非常迫切的想要大量的應用 SiCp/Al 復合材料，因此SiCp/Al 的加工技術(shù)近年來(lái)一直都被受?chē)鴥韧庋芯繉W(xué)者的關(guān)注[1-2].

　　近年來(lái)，國內外學(xué)者針對 SiCp/Al 復合材料的加工從各個(gè)方面進(jìn)行突破，尋找各種刀具材料，并進(jìn)行大量的現場(chǎng)加工實(shí)驗，從現場(chǎng)加工實(shí)驗的試樣加工效果來(lái)看都不好，而且隨著(zhù) SiCp/Al 復合材料中的 SiC 顆粒含量的增加，SiCp/Al 復合材料的加工難度成指數增加，通過(guò)大量現場(chǎng)加工實(shí)驗數據對比來(lái)看聚晶金剛石刀具（以下簡(jiǎn)稱(chēng) PCD 刀具）具有很好的加工性能，但是從實(shí)際對 SiCp/Al 復合材料加工效果來(lái)看，PCD 刀具磨損嚴重，甚至報廢，已經(jīng)嚴重影響加工速度和加工質(zhì)量，當 SiC 顆粒的含量繼續增加，超過(guò) 50%以上時(shí)即高體積分數（簡(jiǎn)稱(chēng)高體分）SiCp/Al 復合材料，高體分 SiCp/Al 復合材料的難加工程度更加明顯，一個(gè)傳統的鉆削都需要頻繁換刀才能完成，所以高體分 SiCp/Al 復合材料的加工工藝已經(jīng)嚴重阻礙了 SiCp/Al 復合材料被廣泛的應用，針對這一現象超聲波振動(dòng)輔助加工技術(shù)應運而生，并且在實(shí)際使用中效果非常好，刀具磨損情況嚴重減小，工件表面加工效果非常好，因此越來(lái)越受到大家的認可，并被廣泛的投入使用[3-4].

　　針對高體分 SiCp/Al 復合材料和其他硬脆材料加工難的問(wèn)題，我們采用了超聲振動(dòng)輔助加工技術(shù)，超聲振動(dòng)輔助加工技術(shù)的工作原理是將超聲波技術(shù)融合進(jìn)普通的機械加工技術(shù)中[5],我們已經(jīng)通過(guò)超聲振動(dòng)輔助加工技術(shù)和傳統機械加工方法在工廠(chǎng)進(jìn)行現場(chǎng)加工對比，通過(guò)對比兩種方法對工件的加工效果來(lái)看，發(fā)現超聲振動(dòng)輔助加工技術(shù)加工的工件質(zhì)量更好、加工的精度更高，超聲振動(dòng)輔助加工裝置中的核心部分是機械加工超聲波電源，而市面上的超聲電源頻率跟蹤范圍低，用于實(shí)驗研究的換能器-變幅桿-工具頭結構需要多次調試才能匹配上超聲電源，導致實(shí)驗周期增長(cháng)、成本提高等問(wèn)題，嚴重時(shí)可能會(huì )使得變幅桿-工具頭部分報廢。

　　基于以上原因本文不采取調試換能器-變幅桿-工具頭來(lái)匹配超聲波電源的傳統做法，而是從超聲波電源匹配換能器-變幅桿-工具頭的角度入手，通過(guò)設計一個(gè)自動(dòng)匹配換能器-變幅桿-工具頭的寬頻超聲波電源系統來(lái)實(shí)現縮減實(shí)驗周期、降低實(shí)驗成本、精確跟蹤負載諧振頻率的目的，如圖 1-1 所示我們本文超聲振動(dòng)輔助加工系統由超聲波電源、功率連接關(guān)節和變幅桿-工具頭構成，如圖 1-1 所示超聲振動(dòng)輔助加工系統中的連接關(guān)節可以是旋轉關(guān)節也可以是非旋轉關(guān)節。

　　1.2 國內外機械加工超聲波電源研究現狀

　　正因為機械加工超聲波電源是超聲振動(dòng)輔助加工系統的核心部分，因此機械加工超聲波電源的發(fā)展也在制約著(zhù)超聲振動(dòng)輔助加工技術(shù)的發(fā)展，目前超聲波輔助加工系統想要突破超聲波電源跟蹤頻率窄，頻率跟蹤精度低的約束，現在急需寬頻率跟蹤范圍、頻率跟蹤快速響應得的大功率超聲電源。

　　1.2.1 國外機械加工超聲波電源研究現狀

　　國外對應用于機械加工的寬頻自適應大功率超聲波電源研究比較少，對其他應用的超聲波電源控制研究有很多。1960 年美國西屋電氣公司的 Yin-MinWei 為了滿(mǎn)足工業(yè)中對超聲波發(fā)生器高功率、高頻率和高效率的要求，他通過(guò)利用晶體管代替真空管制作了新型超聲波發(fā)生器，為之后設計大功率超聲波電源奠定了基礎[6].1962 年美國人 Frank Massa 詳細介紹了超聲波在工業(yè)中的成功應用，主要應用包括低、中、高功率。中低等功率超聲波應用包括檢測、遙控、探傷、超聲波治療和焊接等類(lèi)型，高功率超聲波應用包括金屬、冶金和其他化學(xué)制品的分散以及物理應用。中低功率應用成功獲得商業(yè)驗收，但是大功率應用進(jìn)展很慢[7].1967 年美國通用電氣公司的 Neville Mapham 通過(guò)使用單個(gè)可控硅，從而使半導體和相關(guān)電路的成本最低化來(lái)降低超聲波電源的成本。

　　電路具有良好的負載調節功能，控制基本電路的電壓輸出變化 5%,該電路還可以承受無(wú)功負載，輸出頻率范圍是 400Hz-30kHz,輸出最大功率為 1kW[8].

　　1975 年，美國 Branson 超聲波公司的 A.Shoh 評估了大功率超聲波在工業(yè)中的應用，據統計用于工業(yè)用途的功率超聲設備每年總計 1 億美元，在接下來(lái)的 25年里將會(huì )穩步發(fā)展[9].1996 年日本人 Yoko Mizutani 針對換能器具有復雜的阻抗特性，他提出新型的鎖相環(huán)（PLL）方法和自動(dòng)頻率控制算法（AFC）實(shí)現逆變器輸出頻率與換能器諧振頻率相適應，他通過(guò)研究了換能器的阻抗特性，發(fā)現當換能器工作在諧振頻率時(shí)，換能器具有最小的阻抗并且此時(shí)流過(guò)換能器的電流最大，根據換能器這一特點(diǎn)他設計的新型 PLL 電路可以大大的提高超聲波電源的輸出功率，由此他設計處了一個(gè)高頻低功率的超聲波電源，頻率為1MHz,功率為 60W[10].2007 年波蘭人 Pawe? Fabijański 通過(guò)對換能器的等效阻抗進(jìn)行研究分析，確定其等效電路由靜態(tài)電容和動(dòng)態(tài)電阻、電感和電容并聯(lián)連接組成，通過(guò)采用模糊控制使換能器工作在最佳諧振頻率，大大的提高換能器工作效率[11].2008 年，泰國的 Chankit Buasri 用微控制器產(chǎn)生脈沖寬度調制（PWM）、相移 PWM 控制（PS-PWM）和脈沖密度調制（PDM）作為超聲波清洗機的控制信號，并對這三種控制模式的效果進(jìn)行比較，采用全橋逆變器，諧振頻率為 30kHz 來(lái)確定超聲波清洗機的效率。測試結果表明 PDM 切換策略是清洗粗糙設備的最佳策略，PWM 和 PS-PWM 測略是清潔扁平設備的最佳策略[12].2010 年，土耳其人 Ali Tangel 設計了以 FPGA 為核心的多輸出超聲波發(fā)生器，可以實(shí)現四個(gè)獨立的脈沖發(fā)生器和數字顯示單元，輸出頻率為48kHz,頻率分辨率為 5Hz,這項工作被認為是首次嘗試利用 FPGA 技術(shù)的并行硬件設計[13].2013 年，馬來(lái)西亞人 Javad abbaszadeh 設計了可以進(jìn)行頻率自動(dòng)跟蹤，跟蹤步長(cháng)為 100Hz,并對系統頻率實(shí)時(shí)監控和調整的超聲波電源[14].

　　2017 年日本人 Jun Imaoka 設計了一個(gè)超聲主軸的旋轉變壓器串并聯(lián)組合諧振電路，超聲主軸是主要的加工設備之一，用高頻正弦電壓驅動(dòng)超聲主軸驅動(dòng)的超聲換能器，利用旋轉變壓器代替電刷和滑環(huán)的電壓傳遞方法，將正弦電壓提供給連接在旋轉軸上的超聲換能器，但是旋轉變壓器的耦合系數不夠高無(wú)法傳遞超聲換能器所需要的驅動(dòng)電壓，因此，需要利用 LC 抵消技術(shù)對旋轉變壓器中的漏感進(jìn)行等效抵消[15].2018 年俄羅斯人 Vladimir N. Khmelev 研究發(fā)現高強度的機械振動(dòng)可以改變材料的結構和性能，因此設計了一個(gè)低壓電源超聲發(fā)生器用于工業(yè)產(chǎn)生機械振動(dòng)來(lái)提高各種產(chǎn)品的產(chǎn)品質(zhì)量[16].2020 年，印度人P.aanchal satyan 將太陽(yáng)能與超聲波發(fā)生器相結合，設計了太陽(yáng)能超聲波清洗機[17].

　　1.2.2 國內機械加工超聲波電源研究現狀

　　1980 年，我國開(kāi)始利用模擬電路搭建功率超聲設備，并在工業(yè)中開(kāi)始投入使用，如超聲清洗、超聲焊接和超聲加工[18-23].1993 年太原大學(xué)董麗萍設計了一款新型功率超聲波發(fā)生器，通過(guò)利用功率 MOSFET 代替電子管來(lái)提高電能轉換成械能的效率[24].2000 年，華北電力大學(xué)劉麗華以 mcs-80c196 單片機為信號控制芯片，設計了一種智能化大功率超聲波發(fā)生器，輸出頻率為 20kHz-38kHz,輸出功率為 300W,可以實(shí)現頻率自動(dòng)跟蹤[25].2008 年，陜西師范大學(xué)鮮曉軍通過(guò)對復頻功率換能器的設計，實(shí)現一個(gè)換能器可以有多個(gè)機械諧振頻率，很大程度上推廣了換能器的使用，方便了用戶(hù)，不用再買(mǎi)很多的換能器，降低了加工和實(shí)驗的成本[26].2010 年，江南大學(xué)屈百達教授通過(guò)采用 PI控制器和鎖相環(huán)（PLL）相結合的頻率跟蹤方法，解決了電源啟動(dòng)時(shí)超聲波電源容易失諧的問(wèn)題，而且還實(shí)現了寬范圍頻率跟蹤，同時(shí)還大大提高了超聲波電源的性能和系統得功率因數[27].2011 年，蘇州大學(xué)李祖勝針對換能器的阻抗特性提出了一種新型的動(dòng)態(tài)監測換能器諧振平頻率和換能器參數的方法，這種動(dòng)態(tài)檢測方法有助于換能器的諧振頻率跟蹤。南京航空航天大學(xué)葛紅娟教授提出了一種全新的全橋移相控制方法，大大的提高了超聲電源的效率。中南大學(xué)的黃凱分析了壓電陶瓷換能器的阻抗特性和諧振頻率特性，以串聯(lián)支路的諧振頻率作為超聲換能器的工作的最佳諧振頻率，并采用 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )提前計算好匹配網(wǎng)絡(luò )的電感值，為了實(shí)現實(shí)時(shí)諧振頻率跟蹤和動(dòng)態(tài)阻抗匹配，通過(guò)搜索電流最大值確定換能器的諧振頻率。武漢理工大學(xué)夏自祥根據功率超聲在工業(yè)中的重要作用設計了一個(gè)智能化大功率發(fā)生器，提高了系統頻率跟蹤精度，為了防止工作環(huán)境對系統工作的穩定性及可靠性產(chǎn)生干擾，夏自祥從硬件和軟件都采取了抗干擾措施，雙重保護系統的可靠運行[28-31].2014 年江南大學(xué)劉輝洪針對傳統超聲波電源只能工作在一個(gè)固定諧振頻率，在實(shí)際應用中嚴重受限，為此，通過(guò)模糊控制對其諧振頻率進(jìn)行粗略調整，采用 DDS 實(shí)現諧振頻率精準跟蹤設計了一種輸出頻率范圍為 15kHz-38kHz 的寬帶低功率超聲電源[32].

　　2015 年華南理工大學(xué)羅杰和杭州電子科技大學(xué)陳洪歡針對工業(yè)中對超聲波電源功率要求越來(lái)越高的問(wèn)題，設計了一款大功率超聲波電源，并提出可以根據負載的變化進(jìn)行更改諧振頻率跟蹤的方法和頻率跟蹤的速度。北京交通大學(xué)的鐘 龍針發(fā)現傳統的超聲電源由于采用的是靜態(tài)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )，因此導致超聲電源在諧振頻率漂移時(shí)不能及時(shí)進(jìn)行阻抗匹配帶來(lái)效率降低、換能器停震等問(wèn)題，因此提出了動(dòng)靜結合阻抗匹配策略[33-38].2016 年，浙江大學(xué)干洋紅研究發(fā)現，硬脆材料比普通材料的強度和硬度都高而且耐磨性好，但是硬脆材料的加工比較困難，傳統的機械加工工藝已經(jīng)滿(mǎn)足不了，通過(guò)研究發(fā)現引入超聲的技術(shù)可以實(shí)現對很多硬脆材料的精密加工，因此設計了一套超聲機械加工系統。李長(cháng)有提出數字鎖相頻率跟蹤技術(shù)與尋找電流最大值頻率跟蹤方法相結合的復合頻率跟蹤方法，可以實(shí)現動(dòng)態(tài)搜索換能器的諧振狀態(tài)，但是這種復合頻率跟蹤方法跟蹤精度不夠高[39-41].2017 年，江蘇科技大學(xué)蘇文虎針設計了一款以 FPGA為控制核心的寬頻超聲波電源，輸出頻率可達 20kHz-40kHz,解決了寬頻域內鎖相和頻率跟蹤的問(wèn)題，可以任意的匹配換能器，突破專(zhuān)機專(zhuān)用的技術(shù)壁壘。

　　杭州電子科技大學(xué)的張青發(fā)現，超聲波電源的功率調節和輸出電壓的穩定性嚴重影響了超聲波電源的焊接質(zhì)量。因此，為了提高焊接質(zhì)量，提出了超聲波電源的恒振幅控制策略[42-44].2019 年中國民航大學(xué)張朋朋在超聲加工研究中發(fā)現切削力的快速變化和電能傳輸效率低，會(huì )對加工的質(zhì)量產(chǎn)生影響，原因是切削力的變化和電能傳輸效率會(huì )使振幅不穩定，甚至振幅還會(huì )衰減，設計一個(gè)能根據振幅變化調節輸出功率的超聲波電源[45-47].2020 年湖北工業(yè)大學(xué)楊景崳針發(fā)現目前的用于功率焊接的超聲波電源存很多問(wèn)題，如在負載突變時(shí)失諧并且輸出功率不穩定和頻率跟蹤速度等問(wèn)題，采用 LCL 型匹配電路和積分分離 PI 控 制并結合數字頻率合成技術(shù) DDS 的頻率跟蹤策略，設計了一個(gè) 2kW 超聲波電源，頻率跟蹤步長(cháng)為 1Hz 提高了超聲波驅動(dòng)電源頻率跟蹤精度，并解決了超聲波電源頻率跟蹤響應速度慢和易失諧的問(wèn)題[48].

　　綜合以上國內外學(xué)者的研究成果，雖已經(jīng)取得了巨大突破而且有的超聲波電源已經(jīng)在某些領(lǐng)域投入使用，但是市場(chǎng)上傳統的超聲波電源仍存在頻率跟蹤動(dòng)態(tài)響應慢、頻率跟蹤范圍窄、參數不易調整、專(zhuān)機專(zhuān)用、輸出功率不穩定和電源長(cháng)時(shí)間運行不穩定等缺陷，為了解決上述問(wèn)題，研究能夠自動(dòng)進(jìn)行精準快速頻率跟蹤以及功率自動(dòng)調整的超聲波電源是裝置是十分必要的。

　　1.3 論文的主要研究?jì)热?/strong>