基于STM32的频率自动跟踪与振幅恒定的超声电源的研制

摘要

超声辅助加工技术是将超声振动系统与传统加工方法相结合的一种复合加工方法，近年来在硬脆难加工材料的加工中取得了快速发展并获得广泛应用。超声电源系统作为超声振动系统的核心，直接影响刀具的振动效果和加工表面质量，而且随着各种先进硬脆复合材料的大量应用和更高的加工质量要求的提出，现有超声电源技术已经无法满足高频输出、快速动态响应等性能要求。为了解决以上问题，本文结合STM32高速处理器研制了频率自动跟踪与振幅恒定控制的超声电源系统，主要研究内容可分为以下三个方面： （1）对超声电源系统的硬件进行了全面的分析和优化，对超声电源的各个功能模块进行重新设计与仿真，最终使用DDS技术采用AD9850芯片作为高频信号发生器并给出相应控制方法，使用全桥MOSFET逆变桥路作为高频逆变器，使用IR2110驱动芯片设计全桥驱动电路并进行了负压电路优化，采用串联电感法设计超声换能器的匹配电路，并且为了实现超声电源的自动控制，设计了简单高效的电流电压反馈电路等等。 （2）提出并实现了三种能够实现超声电源自动控制的具有快速响应能力的软件算法。一是基于二分思想的快速扫频算法，该算法可以在超声电源系统的启动阶段快速找到换能器的谐振频率，加快系统初始化速度；二是频率输出的自动跟踪算法，该算法基于模糊PID理论，自适应PID参数，当换能器谐振频率发生漂移时，能够实现频率输出的快速跟踪；三是振幅恒定控制算法，该算法在频率自动跟踪的基础上，通过斩波器实现对超声电源供电电压的调节，从而达到换能器振幅恒定控制的目的。 （3）搭建超声电源系统的测试平台和试验平台，对超声电源的静态输出性能和动态性能进行验证。在测试过程中，多次迭代超声电源系统的设计与优化，最终保证了该超声电源能够很好的满足20-50KHz输出的高频特性和快速频率自动跟踪性能。此外设计了单因素试验，对比分析了C/SiC材料超声辅助磨削与普通磨削加工方法在磨削力方面的性能差异，加工试验过程中通过对超声电源输出状态的监测，验证了该超声电源振幅恒定控制和动态响应能力。试验结果表明，相对于普通磨削，超声辅助磨削具显著的优势如有效降低磨削力、延长刀具寿命等，进一步证明了本文所设计超声电源具有良好的工作性能。

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