Page 27 - 《应用声学）》2023年第5期

第 42 卷 第 5 期 苏含玉等： 步进追频及恒振幅控制的超声电源设计 919

响，进而使动态加载过程中的谐振频率发生变化。 程中负载变化对谐振频率有影响，谐振频率 f s 不断
在实际超声焊接过程中，为了保证焊接振幅维持稳 远离实际工作的驱动频率导致振幅快速下降。
定且最大，都会对超声焊接压力、超声波频率、功率 虽然在焊接过程中无法使用阻抗分析仪对带
及时间进行设定。此时，焊接参数中仅有摩擦系数 载换能器进行实时阻抗分析，但阻抗变化规律可
会随着工件表面变化而变化，若始终以定频率焊接， 从电流与电压相位变化情况中得出。如图 3 所示，
摩擦系数对负载阻抗及谐振频率的影响会体现在 焊接起始时换能器工作在串联谐振频率上，电流
振幅和负载端的电流与电压相位上。 与电压相位重合，换能器呈现纯阻性阻抗，此时对
以铜片焊接为实验研究对象，研究单一因素 应的焊接振幅最大，之后电压相位逐渐滞后电流
(摩擦系数)作用下负载变化对阻抗及谐振频率的影 相位至最大 90°，对应焊接振幅逐渐下降至最小的
响，设定的铜片焊接参数如表 1 所示。以阻抗分析 过程。
仪所测得的换能器谐振频率 f s 作为工作频率 f w 进 25
行定频焊接，利用激光测振仪OptoGUI记录焊接过 20
程中振幅的变化。同时，使用示波器观测该过程的 15
10
电流与电压相位变化情况。 5
ཝଌ૝ࣨ/mm 0
表 1 铜片焊接参数 -5
Table 1 Copper sheet welding parameters
-10
材 单片 数量 压强 工作频率 焊接时间 -15
料 厚度/mm /片 /MPa f w/Hz t/s -20
铜 0.2 2 0.5 20599 1 -25
-0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
௑ᫎ/s
焊接振幅如图 2所示，其初始振幅最大，之后呈 图 2 设定参数下的焊接振幅
现非线性下降趋势，极差为12.5 µm，表明在焊接过 Fig. 2 Weld amplitude under the setting parameters

u i
u
i
u/(200 VSಫ -1 ) i/(5 VSಫ -1 ) u/(200 VSಫ -1 ) i/(5 VSಫ -1 ) u/(200 VSಫ -1 ) i/(5 VSಫ -1 )
u
i

t/(25 msSಫ -1 ) t/(25 msSಫ -1 ) t/(25 msSಫ -1 )
(a) ཝଌᡑݽ௑ᄱͯ (b) ཝଌ᣿ሮ˗ᄱͯ (c) ཝଌፇౌ௑ᄱͯ
图 3 焊接过程中电流与电压相位变化
Fig. 3 Current and voltage phase changes during welding

综合上述测试参数可知，换能器在焊接过程中 快。因此，负载变化追频是在温升追频的基础上实
的负载呈现容性，实际的谐振频率 f s 逐渐升高，且 现补偿。
在焊接时间内升高速度较快。 根据 FPGA-DDS 的步进追频原理 [9] ，将数字
鉴相器检测到的电流及电压信号的相位差转换
3 步进追频及恒振幅控制方案
为对应大小的误差范围 ε。如图 4 所示，设定两
3.1 步进追频控制方案 个误差范围 ε 1 与 ε 2 ，当判定电流与电压相位差变
负载变化对谐振频率的影响 (实际谐振频率增 化超过 ε 2 /2 时，以步进量 1.01 Hz 向使谐振频率
大)与文献[9]中焊接工具头发热对谐振频率的影响 升高的正方向调节实时驱动频率，此时负载追频
(实际谐振频率减小) 相反，且变化速度与之相比较 补偿量 ∆f 负载变化 起主要作用，抵消温升对频率的