Page 196 - 《应用声学》2024年第1期

192 2024 年 1 月

1.2 频率的误跟踪原因分析 小。负载抖动和频率跟踪的延迟有可能导致电源的
误跟踪是指追踪的频率点发生变化。图3 为换 发波频率从第三区域跑到了第二区域，引发误跟踪
能器的相频特性曲线，依据换能器振动频率和阻抗 (追f a 变为追 f r )。现有的变步长频率跟踪、PID、模
特性的不同，整个曲线可分为 4 个区域。设换能器 糊 PID 等各种频率跟踪控制算法，一旦发生误跟踪
的当前工作频率为f，当f < f r 为第一个区域，此时 就难以找回目标跟踪频率。
换能器阻抗呈现容性，当ω 增加时，换能器容性会越 图 4(a) 和图 4(b) 均为同次焊接时换能器电压
√
2
2
来越弱，最终呈现阻性；当 f r < f < (f + f )/2 电流波形，深蓝色线为换能器电压波形，浅绿色线
r a
为第二个区域，此时换能器阻抗呈现感性，当ω 增加 为换能器电流波形。电源匹配电路为 LC 匹配，跟
时，换能器感性会越来越强，最终达到整个换能器 踪算法为变步长频率跟踪算法 [4] ，在焊接的全过程
√
感性状态的峰值；当 (f + f )/2 < f < f a 为第 换能器均处于谐振状态。图4(a) 中为跟踪到反谐振
2
2
r a
三个区域，此时换能器阻抗呈现感性，当 ω 增加时， 频率点时的电压电流波形，换能器电压达 1380 V，
换能器感性会越来越弱，最终换能器回到呈现阻性； 电流是 663 mA。电压高电流低是换能器处于 f a 的
当 f > f a 为第四个区域，此时换能器阻抗呈现容 特征，此时焊接功率为 915 W。图 4(b) 中为跟踪到
性，当ω 增加时，换能器容性会越来越强。传统的频 谐振频率点的电压电流波形，电压降为 844 V，电
率跟踪算法通过对起始跟踪频率所处区域来确定 流上升到1780 mA。电压低电流高是换能器处于f r
跟踪目标。当起始频率处于第一、第二区域时，跟踪 的特征，此时焊接功率上升到 1502 W，功率上升近
目标为 f r ；当起始频率处于第三、第四区域时，跟踪 65%。由此可知，换能器的跟踪频率由 f a 误跟踪到
目标为f a 。在小负载的情况下，第二、第三区域比较 了 f r ，出现这种情况容易导致功率波动，影响焊接
宽，传统跟踪算法根据跟踪目标来设定不同的跟踪 一致性。
频率上下限，避免误跟踪的发生。

90
60 f r
2
f r + 2 f a
+f a
30 2 ૱ᑟ٨ႃԍ
ᄱͯᝈ/(°) -30 0 ኄʷӝ۫ ኄ̄ӝ۫ ኄʼӝ۫ ኄپӝ۫
૱ᑟ٨ႃื
-60
-90
Ͱ ᰴ
᯶үᮠဋ/Hz
(a) ᡲᢎ҂Ԧៈ૝ᮠဋགᄊႃԍႃืฉॎ
图 3 换能器的相频特性曲线
Fig. 3 Schematics for the phase and frequency of
the transducer
૱ᑟ٨ႃื
૱ᑟ٨ႃԍ
由式(1)可以推导出f r 、f a 两个频率的间距为
√
√ √
1 ( C 0 + C 1 − C 0 ) 2 R 2 1
|f a − f r | = − . (3)
2π L 2
L 1 C 0 C 1
1
在超声金属焊接中，负载重且波动大，导致跟
踪频率上下限难以合理设置。假设目标跟踪频率为 (b) ᡲᢎ҂ៈ૝ᮠဋགᄊႃԍႃืฉॎ
f a ，根据扫频结果，起始频率定位在第三、第四区
图 4 金属焊接频率误跟踪换能器电压电流波形图
域。焊接加载时，换能器的 R 1 会随着负载增加而
Fig. 4 Waveforms of the voltage and current ap-
增加，连续的焊接会使换能器发热，导致换能器的
plied on the transducer during the process of weld-
C 0 上升。由式 (3)可知，假设L 1 、C 1 不变，当C 0 、R 1 ing the metal when its frequency was tracked in-
增加时，f r 、f a 的间距减小 [8] ，即第二、第三区域缩 accurately