一种基于相位定位的超声刀柄谐振频率追踪系统及方法技术方案

一种基于相位定位的超声刀柄谐振频率追踪系统及方法，系统包括功率逆变模块、信号采样处理模块、微处理器、松耦合无线供能超声刀柄及可调直流电源。本发明专利技术的谐振频率追踪方法结合了相位法搜索快速的优势和最大电流法搜索精准的优势，运用阻抗和相位特性将超声刀柄划分为5个相位工作区，通过相位曲线的单调特性进行快速相位识别，在定位相位位置后，确定最大电流的方向，避免了搜索过程中最大电流方向的多次判断，可快速精准的搜索最大电流点的频率。本发明专利技术在相位划分以及判断上，结合扫频结果进行区域划分，主要利用工作区域单调性的差异进行判断，而不是具体值，因此可以适用各种相位范围的相位特性曲线，使得对不同超声刀柄的适用性大大加强。柄的适用性大大加强。柄的适用性大大加强。

【技术实现步骤摘要】
一种基于相位定位的超声刀柄谐振频率追踪系统及方法


[0001]本专利技术属于超声加工
，特别是涉及一种基于相位定位的超声刀柄谐振频率追踪系统及方法。

技术介绍

[0002]目前，针对硬脆材料、薄壁件等加工过程，超声辅助加工逐渐得到应用。以超声铣削为例，超声振动的加入，具有减小铣削力、提高被加工件表面质量的作用。
[0003]然而，超声刀柄受负载的影响会发生谐振频率的偏移，导致振幅衰减甚至失效，对加工表面造成反作用。因此，谐振频率的追踪对于超声辅助加工过程十分重要。
[0004]传统的谐振频率追踪方法包括相位法和最大电流法，相位法是通过锁定电压与电流之间零相位差保证谐振状态的方法，最大电流法是通过搜索换能器的最大电流(即阻抗最小点)保证谐振状态的方法。
[0005]但是，对于无线供能超声刀柄来说，相位法和最大电流法的适用性大打折扣。具体的，相位法的阻抗特性中谐振相位并不在一定在零相位点，并且会随着辅助加工过程中负载的变化而不断变化。最大电流法的频率追踪的难点在于追踪方向的获取，在谐振频率发生偏移时需要更多的计算。

技术实现思路

[0006]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种基于相位定位的超声刀柄谐振频率追踪系统及方法，结合了相位法搜索快速的优势和最大电流法搜索精准的优势，运用阻抗和相位特性将超声刀柄划分为5个相位工作区，通过相位曲线的单调特性进行快速相位识别，在定位相位位置后，确定最大电流的方向，避免了搜索过程中最大电流方向的多次判断，可快速精准的搜索最大电流点的频率。本专利技术在相位划分以及判断上，结合扫频结果进行区域划分，主要利用工作区域单调性的差异进行判断，而不是具体值，因此可以适用各种相位范围的相位特性曲线，使得对不同超声刀柄的适用性大大加强。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于相位定位的超声刀柄谐振频率追踪系统，包括功率逆变模块、信号采样处理模块、微处理器、松耦合无线供能超声刀柄及可调直流电源；所述可调直流电源的电流输出端与功率逆变模块的电流输入端进行电连接，功率逆变模块的电流输出端分两路输出，一路与松耦合无线供能超声刀柄进行电连接，另一路与信号采样处理模块的电流输入端进行电连接；所述信号采样处理模块的信号输出端与微处理器的信号输入端进行电连接，微处理器的信号输出端与功率逆变模块的信号输入端进行电连接。
[0008]所述功率逆变模块包括斩波电路子模块、全桥逆变电路子模块、功率控制子模块及驱动频率控制子模块；所述斩波电路子模块的电流输入端与可调直流电源的电流输出端进行电连接，斩波电路子模块的电流输出端与全桥逆变电路子模块的电流输入端进行电连接，全桥逆变电路子模块的电流输出端分两路输出，一路与松耦合无线供能超声刀柄进行
电连接，另一路与信号采样处理模块的电流输入端进行电连接；所述功率控制子模块的信号输入端与微处理器的信号输出端进行电连接，功率控制子模块的信号输出端与斩波电路子模块的信号输入端进行电连接；所述驱动频率控制子模块的信号输入端与微处理器的信号输出端进行电连接，驱动频率控制子模块的信号输出端与全桥逆变电路子模块的信号输入端进行电连接。
[0009]所述信号采样处理模块包括电压采样滤波子模块、相位转换子模块、电流采样滤波子模块及电流有效值转化子模块；所述电压采样滤波子模块的信号输入端与全桥逆变电路子模块的信号输出端进行电连接，电压采样滤波子模块的信号输出端与相位转换子模块的信号输入端进行电连接，相位转换子模块的信号输出端与微处理器的信号输入端进行电连接；所述电流采样滤波子模块的信号输入端与全桥逆变电路子模块的信号输出端进行电连接，电流采样滤波子模块的信号输出端分两路输出，一路与相位转换子模块的信号输入端进行电连接，另一路与电流有效值转化子模块的信号输入端进行电连接，电流有效值转化子模块的信号输出端与微处理器的信号输入端进行电连接。
[0010]所述功率逆变模块用于对松耦合无线供能超声刀柄的频率和功率进行控制和转换；所述信号采样处理模块用于进行信号采样和处理；其中，所述电压采样滤波子模块用于对电压信号进行采样和处理，所述电流采样滤波子模块用于对电流信号进行采样和处理，所述相位转换子模块用于提取电压与电流的相位差，所述电流有效值转化子模块用于提取电流有效值；所述微处理器用于接收来自信号采样处理模块的相位差信号和电流有效值信号，在松耦合无线供能超声刀柄的谐振频率发生偏移时，用于向功率逆变模块发出控制指令，以快速精准的搜索最大电流点的频率。
[0011]一种基于相位定位的超声刀柄谐振频率追踪方法，采用了所述的基于相位定位的超声刀柄谐振频率追踪系统，包括如下步骤：
[0012]步骤S1：频率扫描与阻抗分析
[0013]对当前工作的松耦合无线供能超声刀柄进行频率扫描，同时对当前工作的松耦合无线供能超声刀柄的阻抗特性进行分析，得到当前工作的松耦合无线供能超声刀柄的谐振频率和谐振相位；
[0014]步骤S2：工作区间划分
[0015]在谐振相位附近的相位范围内，将工作电流维持在最大电流点附近，根据需求的谐振电流工作范围，设定谐振频率区间，并据此划分A、B、C、D、E五个工作区域，为步骤S3的判断提供理论依据；
[0016]步骤S3：工作相位定位
[0017]当松耦合无线供能超声刀柄工作在失谐状态时，根据步骤S2中划分的各工作区域，对当前频率的工作区域进行判断，判定最大电流的搜索方向；其中，B区处在谐振工作区，不进行搜索；A区频率小于最大电流点的频率，设定搜索为方向为频率增加；C、D、E区频率大于最大电流点的频率，设定搜索为方向为频率减小；
[0018]步骤S4：最大电流搜索
[0019]根据步骤S3确定的搜索方向，单调调节频率，快速追踪到最大电流点，即谐振频率。
[0020]在步骤S2中，划分的A、B、C、D、E五个工作区域具体为：A区为松耦合无线供能超声
刀柄的谐振区间左侧全部区域，远离谐振点；B区为松耦合无线供能超声刀柄的谐振区间范围，由允许的谐振电流区间对应的相位区间决定；C区为松耦合无线供能超声刀柄的谐振区间与反谐振区间之间的区域；D区为与松耦合无线供能超声刀柄的谐振区间相位值对应的反谐振区间；E区为松耦合无线供能超声刀柄的反谐振区间右侧全部区域，远离反谐振点。
[0021]在步骤S3中，工作相位定位的具体执行步骤为：
[0022]步骤S301：根据步骤S2设定的A、B、C、D、E五个工作区域，由微处理器进行相位捕获，采集当前相位差信号phase0；
[0023]步骤S302：通过判断语句区分AE区、BD区与C区；当前相位差在[phase1,phase2]谐振区间内时，处在B区或D区，执行步骤S306；否则，处在A区、C区或E区，执行步骤S303；
[0024]步骤S303：判断是否在C区；当前相位差信号phase0大于phase2时，处在C区，执行步骤S308；否则，处在A区或E区，执行步骤S304；
[002本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于相位定位的超声刀柄谐振频率追踪系统，其特征在于：包括功率逆变模块、信号采样处理模块、微处理器、松耦合无线供能超声刀柄及可调直流电源；所述可调直流电源的电流输出端与功率逆变模块的电流输入端进行电连接，功率逆变模块的电流输出端分两路输出，一路与松耦合无线供能超声刀柄进行电连接，另一路与信号采样处理模块的电流输入端进行电连接；所述信号采样处理模块的信号输出端与微处理器的信号输入端进行电连接，微处理器的信号输出端与功率逆变模块的信号输入端进行电连接。2.根据权利要求1所述的一种基于相位定位的超声刀柄谐振频率追踪系统，其特征在于：所述功率逆变模块包括斩波电路子模块、全桥逆变电路子模块、功率控制子模块及驱动频率控制子模块；所述斩波电路子模块的电流输入端与可调直流电源的电流输出端进行电连接，斩波电路子模块的电流输出端与全桥逆变电路子模块的电流输入端进行电连接，全桥逆变电路子模块的电流输出端分两路输出，一路与松耦合无线供能超声刀柄进行电连接，另一路与信号采样处理模块的电流输入端进行电连接；所述功率控制子模块的信号输入端与微处理器的信号输出端进行电连接，功率控制子模块的信号输出端与斩波电路子模块的信号输入端进行电连接；所述驱动频率控制子模块的信号输入端与微处理器的信号输出端进行电连接，驱动频率控制子模块的信号输出端与全桥逆变电路子模块的信号输入端进行电连接。3.根据权利要求2所述的一种基于相位定位的超声刀柄谐振频率追踪系统，其特征在于：所述信号采样处理模块包括电压采样滤波子模块、相位转换子模块、电流采样滤波子模块及电流有效值转化子模块；所述电压采样滤波子模块的信号输入端与全桥逆变电路子模块的信号输出端进行电连接，电压采样滤波子模块的信号输出端与相位转换子模块的信号输入端进行电连接，相位转换子模块的信号输出端与微处理器的信号输入端进行电连接；所述电流采样滤波子模块的信号输入端与全桥逆变电路子模块的信号输出端进行电连接，电流采样滤波子模块的信号输出端分两路输出，一路与相位转换子模块的信号输入端进行电连接，另一路与电流有效值转化子模块的信号输入端进行电连接，电流有效值转化子模块的信号输出端与微处理器的信号输入端进行电连接。4.根据权利要求3所述的一种基于相位定位的超声刀柄谐振频率追踪系统，其特征在于：所述功率逆变模块用于对松耦合无线供能超声刀柄的频率和功率进行控制和转换；所述信号采样处理模块用于进行信号采样和处理；其中，所述电压采样滤波子模块用于对电压信号进行采样和处理，所述电流采样滤波子模块用于对电流信号进行采样和处理，所述相位转换子模块用于提取电压与电流的相位差，所述电流有效值转化子模块用于提取电流有效值；所述微处理器用于接收来自信号采样处理模块的相位差信号和电流有效值信号，在松耦合无线供能超声刀柄的谐振频率发生偏移时，用于向功率逆变模块发出控制指令，以快速精准的搜索最大电流点的频率。5.一种基于相位定位的超声刀柄谐振频率追踪方法，采用了权利要求1所述的基于相位定位的超声刀柄谐振频率追踪系统，其特征在于包括如下步骤：步骤S1：频率扫描与阻抗分析对当前工作的松耦合无线供能超声刀柄进行频率扫描，同时对当前工作的松耦合无线供能超声刀柄的阻抗特性进行分析，得到当前工作的松耦合无线供能超声刀柄的谐振频率和谐振相位；
步骤S2：工作区间划分在谐振相位附近的相位范围内，将工作电流维持在最大电流点附近，根据需求的谐振电流工作范围，设定谐振频率区间，并据此划分A、B、C、D、E五个工作区域，为步骤S3的判断提供理论依据；步骤S3：...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱立达，秦德钢，秦少青，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：