Page 26 - 《应用声学）》2023年第5期

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在文献 [9] 的研究基础上，将 FPGA-DDS 步进追频
0 引言 原理与具体工况相结合，在金属薄片实际焊接过程

中，把电压电流的相位差信号取出，作为激励振动
超声金属焊接的实现方式是使金属结合面在
系统谐振频率变化的控制信号 [10] ，通过研究焊接过
一定压力和高频超声振动下产生剧烈剪切和塑性
程中电流与电压的相位关系，进行负载变化追频逻
变形，从而实现连接界面的固相粘连 [1−2] 。由于其
辑设计，并对焊接振幅与输入电流的关系进行研究，
具有焊接时间短、可靠性高和环保安全等特性，被广
将输入电流大小作为反馈信号进行振幅控制。当电
泛应用于电器引线、熔断器片、锂电池极耳的焊接等
源检测到相位差和输入电流变化过大时，数字鉴相
领域 [3−5] 。超声电源作为金属焊接时功率信号的发
器和功率调节单元对驱动频率和占空比进行同步
生装置，其输出频率和振幅的大小对焊接质量有着
调节，以保证超声金属焊接电源工作的稳定性及可
至关重要的影响 [6−8] 。文献 [9] 提出了可编程逻辑
靠性。
阵列 -直接数字式频率合成器 (Field programmable
gate array-direct digital synthesizer FPGA-DDS) 1 超声电源系统
进追频原理，并解决了压电换能器谐振频率受焊接
工具头发热而产生漂移的问题，但未对实际焊接过 超声电源的系统结构如图 1 所示，分为屏幕、
程中工况变化导致的负载变化规律进行探究。本文 FPGA、主电路模块和采样电路模块。

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图 1 超声电源系统结构图
Fig. 1 Structure diagram of ultrasonic power system
屏幕与 FPGA 通过 UART 协议进行通信，将 电源的过热和过流保护以及恒振幅控制。
初始占空比、频率和焊接时间等焊接参数传递给
FPGA 进行处理，FPGA 将实时驱动频率、功率和 2 负载变化对谐振频率及焊接振幅的影响
温度回传给屏幕进行显示。FPGA对采样电路模块
超声金属焊接过程是动态加载过程，过程中时
得到的信号进行逻辑运算，并根据运算结果对驱动
变性的焊接参数减弱了匹配电路调谐变阻的效果，
波形的频率和相位做出调整，最后将经过反馈控制
导致声学系统的性能远低于空振状态 [11] 。焊接结
的驱动信号输出给主电路模块。
果受多个焊接参数共同影响，常用的焊接参数为焊
主电路模块包括整流滤波、全桥逆变、驱动和 接压力、驱动频率、电功率、焊接时间及摩擦系数。
匹配电路，主电路模块将 220 V 工频交流电整流滤 焊接压力与被焊接材料的可流动性极限、硬度及厚
波后逆变成需要的高频交流电，并通过匹配电路驱 度有关；超声波驱动频率和功率决定了焊接振幅的
动换能器。 大小，对于所需焊接能量一定的被焊件，在谐振频
采样电路模块将电流与电压信号转换为数字 率点和较大电功率下进行焊接，可以减少焊接时间，
信号传递给 FPGA进行相位差计算，并将采样得到 提高工作效率；摩擦系数与工具头和被焊件的表面
的温度信号和输入电流信号与设定值比较，以实现 状态有关。其中任何参数的改变都会对负载产生影