超声波发生器频率自动跟踪系统

要使超声波设备稳定工作，必须保证超声发生器处于良好的谐振状态，但由于负载变化、工具磨损、换能器发热等因素的影响，换能器的机械频率将会发生漂移从而使振动系统失谐。导致工具端面的振幅减小或消失，使系统降低或丧失超声加工能力。

为了保证超声加工的顺利进行，需要能适应负载变化的具有频率自动跟踪功能的智能超声波发生器。原理是数控插补法，分为租插补和精插补。类比数控插补原理，租跟踪由软件实现，耪跟踪由硬件实现。频率自动跟踪系统主要分为声反馈系统和电反馈系统。但是这些系统都有一定的局限性，如频率跟踪范围窄。跟踪速度慢等。

自动频率跟踪方案

换能器是用于负载变动剧烈的场合。即使在负载比较稳定的场合，换能器(以及与之配合使用的变幅杆、工具头)的参数也会因为发热、老化、磨损、疲劳等原因而发生变化。这些都会使得换能器的谐振频率改变。如果发生器的工作频率不随之而变化，换能器将工作在失谐状态而效率降低，甚至停振。因此，需要采取措施使发生器的振荡频率随着换能器的谐振频率做相应的变化，以保证换能器始终工作在谐振状态。这种措施就是频率自动跟踪。

实现频率跟踪的构思。从换能器的电端或声端取得一个反映换能器谐振特性的信号，用这个信号控制发生器的振荡频率。或者直接用此信号激振。这样。便可以使发生器的工作频率与换能器的谐振频率始终保持一致。

锁相频率跟踪系统

从换能器电端拾取信号的方法称为电反馈法。从声端拾取信号的方法称为声反馈法。声反馈法目前很少采用，这里介绍电反馈法中的一种较好的方案：锁相环。锁相环是一个相位误差控制系统，它比较输入信号和压控振荡器输出信号之间的相位差，从而产生误差控制电压来调整压控振荡器的频率，达到与输入信号同频。锁相环由三个基本的部件组成：鉴相器(PD)、环路滤波器(LPE)和压控振荡器(VCO)。

当换能器谐振且与发生器匹配时，其输入特性(包括匹配电抗元件在内)相当于一个纯阻。此时，加于其上的电压与流过的电流同相。一旦换能器的谐振频率改变，此电压与电流之间就会有一个相位差。锁相法的原理就是检测出这个相位差的大小和符号，用此偏差信号去调节振荡器的频率，使相位差减小。若压控振荡器的频率能够变化到与输入信号之间的频差为0。相差不会再随时间变化。误差电压为一固定值，这时环路就进入锁定状态。

锁相式频率自动跟踪系统由相位比较器、电压比较器、低通滤波器、压控振荡器、激励放大器、功率放大器、电流取样及电压取样等组成。

这是一个闭环系统。先进行频率跟踪，然后在谐振状态下再提高振幅。电路用电压采样Vl和电流采样V2相乘得到功率信号v，再用v控制振荡频率。使换能器工作在功率最大状态，但失谐时声功率会减小。工作时需将前一时刻的V保持下来，和后一时刻的V作比较，其结果以误差电压的形式送给压控振荡器。调节其振荡频率。但由于压控振荡器本身可以单独工作。所以，本系统开环亦能工作。开环时类似于他激式超声波发生器，这与自激式振荡器不一样。本系统利用了末级换能器上的电压和电流之间的相位差。经相位比较后。获得相位误差信号，再经低通滤波之后，去控制压控振荡器的输出信号的频率，使之保持与振动系统机械谐振频率一致。

尽管频率与相位之间有依存变换关系，但两者构成的反馈系统，从控制结果看，是不相同的。频率反馈结果。会导致使输入与输出信号之间的频率差尽可能小，而相位反馈结果使两信号之间相位差尽可能小。

锁相法的关键是取得电压与电流之间的相位差。当相差为正时，电压超前电流，系统呈感性，工作频率大于谐振频率：当相位为负时，电压滞后于电流，电路呈容性，工作频率小于谐振频率。根据频率与相位所构成的微分一积分关系，相位反馈系统最终导致两信号频率差为零。

相位检测电路主要由IC1(双电压比较器LM319)和IC2(双D触发器C013)组成。

该电路具有结构简单、精确度高及抗干扰能力强等优点，在低频0~30kHz范围内，检测精度优于0.1。电路输出信号既可直接与计算机接口相连，也可经过低通滤波器与数字电压表连接，从而构成十分理想的相位检测器。

用相位检测器的检出信号去控制检出信号去控制压电振荡器，就能改变其振荡频率直至相位差减小到零，由此达到了频率跟踪的目的。

随着电子技术的发展，集成锁相环发展迅速，且控制稳定。数字锁相环CD4046是目前应用广泛、价格低廉的产品。由该集成电路组成的频率自动跟踪系统已应用于超声波粉碎机等超声波发生器中，频率范围为19~25kHz，输出功率为l0~300W。

实验所用的超声旋转加工机床，要求工作频率20kHz左右，最大加工功率为250W，因而可以使用CD4046实现超声振动的动态频率跟踪。从振动系统采集电压与电流信号，送入数字锁相环CD4046的鉴相器，相位比较以后所产生的电压经环路滤波器滤除高频成分及噪声后，控制压控振荡器的频率向换能器振动系统在新参数下的谐振频率靠近，直到相差为零。

锁相式频率自动跟踪系统具有如下特点：

(1)由于锁相环是一个极好的带通滤波器，因此。不会产生系统误跟到非谐振的其它频率之上：

(2)频率自动跟踪系统的控制信号与取样的电压、电波波形之好坏。关系并不大：

(3)输出功率相对较稳定。不会因为负载的变化而发生显著变化，

(4)由于控制系统工作在小信号状态下，所以能长时间连续地工作。