基于DSP的智能多频率阻抗匹配控制系统研究

李长有，张 攀，李帅涛

（河南理工大学 机械与动力工程学院，焦作 454003）

0 引言

超声波加工设备可以通过换能器将高频的电能转换为刀具的机械振动[1]，换能器是超声波加工设备的核心器件，其特性参数对整个设备的性能有决定性的影响[2]。常用的大功率超声波换能器，应用于超声波金属焊接机、超声波加工机床、超声波雾化器等设备[3]。常用的超声波频率段以20kHz～40kHz频率段的产品应用最多，还可以根据一些工件的特殊加工要求设计制作非标准换能器，以满足加工的需求[4,5]。

多频率阻抗匹配的基础是单个频率的换能器的阻抗匹配[6]，其主要作用都是使换能器在其自身的谐振频率点附近时，通过电源和阻抗匹配共同使压电换能器的输入频率阻抗呈现出电学纯阻性的特性[7]。为了实现自动频率阻抗匹配，本文设计了一个可调电抗控制系统来对换能器进行匹配。

1 磁通可控电抗器阻抗匹配原理

磁通可控电抗器的原理[8]如图1所示。

图1 磁通可控电抗器原理示意图

在图1中，AX是磁通可控电抗器一次侧匝数为N1的线圈。ax是磁通可控电抗器二次侧匝数为N2的线圈。一次侧和二次侧的线圈匝数比当交流电I1进入变压器一次侧后，将电流值为的外部电流源接入二次侧。如果忽略铁芯的工作损耗，则电抗器端口的电学伏安特性方程为：

在式(1)中，L11为电抗器一次侧线圈绕组的自感，L22为电抗器二次侧线圈绕组的自感。M是它们的互感。式(1)可以化简为：

那么从AX端看进去，电抗器阻抗为：

由式(4)可知，从可变电抗器AX端看进去时，其漏阻R1、漏感以及励磁电感Lm是常量。可变电抗器呈现出的阻抗量为可变量，可变阻抗量的大小与α呈线性关系，在α的变化范围[0,1]内，可变电抗器的可调阻抗量的变化区间为[Z1,Z1+Zm]。通常变压器的特征参数Zm＞＞Z1，且通过改变可变电抗器二次侧端口的磁势，进而改变一次侧端口铁芯中的主磁通量使其成为可调阻抗。因此磁通可控电抗器的阻抗量的调节区间很大，能够实现连续可调且不会产生谐波分量。

2 DSP智能阻抗匹配控制系统

DSP智能阻抗匹配控制系统结构框图如图2所示。

图2 系统结构框图

DSP智能阻抗匹配控制系统的工作原理为：电压传感器和电流传感器分别将电压信号和电流信号转换为模拟量信号，再经过信号采样电路和有效值转换电路将模拟量信号转变为DSP控制模块可识别的数字量信号，DSP控制模块根据采样信号的值来控制可变电抗器的电感量的大小。过流检测保护电路分别检测电流信号和可变电抗器流过的电流，放止电流过大烧毁电路模块。

在DSP模块的阻抗控制程序设计中，本文采用阈值判别的方法来进行判断。因此选择合适的控制量来作为比对阈值对于系统的稳定工作有着非常重要的影响，否则不仅达不到调节电感的目的，还会造成控制系统输出信号不稳定，对于电源主电路和控制电路部分都会造成非常大的影响。阻抗匹配控制程序流程图如图3所示。

图3中，区间(0.9I0,1.1I0)为程序判别所选择的阈值。在阈值的选择中，本文选择使用多次实验获得的经验值，经过测试表明选择的经验值满足系统控制的设计要求。电流与频率关系的实验数据生成的曲线如图4所示，X轴为频率值，Y轴为电流值。其中图4(a)图是电源频率匹配20kHz加工台振动加工过程中的电流-频率关系，图4(b)是电源频率匹配28kHz超声焊接过程中的电流-频率关系，图4(c)是电源频率匹配30kHz超声波雾化过程中的电流-频率关系，图4(d)是电源频率匹配35kHz加工刀具振动加工过程中的电流-频率关系，图4(e)是电源频率匹配40kHz超声波橡胶切割刀工作过程中的电流-频率关系。

图3 阻抗匹配控制程序流程图

图4 实验数据生成的电流-频率关系曲线

从上述电流-频率关系曲线图中可以知道，当换能器处于其自然谐振点时，电流值最大，且与其他处于谐振状态但非最佳谐振点相比电流值有明显的一个阈值区间，可以作为程序判别的阈值范围。经过实验验证表明，根据电流值的阈值来作为判别依据是完全可行的，可以达到多频率超声电源的设计要求。

因此，阻抗匹配控制系统可以结合磁通可控电抗器共同完成智能阻抗匹配任务。在DSP控制系统中预先存储磁通可控电抗器阻抗值和其所对应的的二次侧接入电流值，在接收到频率阻抗匹配请求后，调用预先存储的数值即可使相应的管脚导通，输出控制信号通过隔离电路控制磁通可变电抗器二次侧的接入电流值，从而达到精细、连续的控制可变电抗器一次侧阻抗的目的。

3 结束语

本文介绍了目前工业现场常用的超声波换能器原理和其工作过程中阻抗匹配方法。着重研究了阻抗匹配系统特性，提出了根据谐振点电流值最大的特点使用电流阈值来作为智能控制系统判别依据的DSP智能阻抗匹配系统方案。并通过实验数据中的电流-频率关系验证了DSP智能阻抗匹配系统方案的有效性。理论和实验数据分析均表明DSP智能阻抗匹配系统方案具有可连续调节电感量、调节区间大的优势特点，非常适合在多频率超声电源阻抗匹配方面的应用。

[1]王超,黄文美,古海江,高嘉纬,李庆竖.具有阻抗匹配功能的磁致伸缩换能器驱动电源[J].机电技术,2016,(04)：40-43,56.

[2]李路路,王振宇,郭庆.水声宽带换能器阻抗匹配电路设计[J].桂林电子科技大学学报,2016,(02)：104-107.

[3]韩旭,章康宁,郑海祥,马青玉.超声换能器的“电感-变压器”阻抗匹配模型研究[J].声学技术,2015,(04)：380-384.

[4]杨亚丽,刘寒冰.基于负载阻抗激励的换能器串联调谐匹配设计[J].科技通报,2015,(02)：215-217.

[5]唐新星.基于频率自动跟踪与振幅恒定控制的超声电源的研制[D].北京：北京交通大学,2014.

[6]刘东宇.自动阻抗匹配器检测电路设计及匹配算法研究[D].合肥：中国科学技术大学,2010.

[7]耿金登,王水波,韩笑飞.一种超磁致伸缩换能器驱动电源的设计与实现[J].现代电子技术,2007,(04)：1-3.

[8]刘润华,王丙义.基于磁通控制可调电抗器的超声波换能器动态匹配策略[J].电气应用,2013,32(19)：82-85.