应用于无线传能的分离式超声电源

1.本发明涉及超声电源在无线传能系统中的频率追踪。


背景技术：

2.超声波频率较高，其传播具有方向性好、携带能量大、穿透能力强等特性，还具有空化作用。随着现代工业和科学研究的高速发展，超声波技术在各个领域的应用日益广泛。如将超声振动和各种传统的机械加工方法相结合的超声辅助加工技术、利用超声波空化作用的超声清洗技术、超声波检测、超声雾化、医学b超等。
3.超声辅助加工的基本原理是在传统的机械加工基础上进行超声赋能，如在工具头上加超声振动，该机械加工工具头除了原本的加工运动外还产生了微米级的高频振动，使得刀头与工件之间出现周期性的接触与分离。由于超声辅助加工具有诸多的优势，其被广泛的应用于光学工业加工、医疗仪器生产、脆硬材料加工、模具加工等行业。加工过程中工具头的工作方式也分为很多种，主要包含切削加工和旋转加工，将超声振动与此类旋转加工相结合就产生了应用广泛的旋转超声辅助加工。在旋转超声辅助加工领域，超声刀柄的超声振动一般由压电陶瓷换能器产生，由于其功率相对于主轴旋转加工功率来说很低，在材料去除加工过程中，超声振动主要起辅助作用。旋转超声辅助加工技术在旋转超声供能方式上，通常采用旋转电刷供电方式，而传统的电刷供电会由于高速旋转产生的刷片高速摩擦，导致电刷等器件极易损坏，变成易损器件增加使用成本，同时其损坏速度与转速息息相关，限制了主轴的旋转速度。随着旋转超声辅助加工技术的发展，为了克服传统电刷式传能的缺陷，引入了无线电能传输技术，该技术为无接触式电能传输，因此大大降低了器件的耗损成本，提升了加工主轴的转速上限。超声辅助加工技术的供能单元称为超声电源，其可以向系统输入高频交变电压，其输出能量的频率与换能器的状态直接相关，因此超声电源需要具备控制器系统完成换能器状态实时检测，进而调节输出的频率与换能器相匹配。由于无线传能技术的引入，超声电源无法通过电刷直接检测换能器的实时工作状态，而通过检测松耦合变压器的原端电压间接测量的方式也会受松耦合变压器漏磁的影响变得难以实现，包含无线传能变压器的整个超声刀柄与实际的换能器谐振频率存在差异，使得超声电源的频率追踪调节变得困难。
4.可见，如何使超声电源能够在无线传能系统中实现频率追踪，是本领域技术人员亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明提供一种应用于无线传能的分离式超声电源，能够在无线传能加工系统中对换能器进行监测，保证超声电源输出频率和电压的准确性，提升系统的加工性能。
6.根据本发明实施例一方面，提供一种分离式超声电源，给采用无线传能系统的超声辅助加工系统的换能器供能，所述分离式超声电源包括：无线反馈模块，所述无线反馈模块安装在超声主轴旋转侧与换能器连接，并测量所述换能器的谐振状态；以及功率输出控
制模块，所述功率输出控制模块被配置为通过无线方式获取所述换能器的所述谐振状态，并根据所述谐振状态控制超声电源的输出电压和输出频率，实现超声电源的频率追踪。
7.在一些示例中，所述无线反馈模块测量的所述换能器的所述谐振状态包括电流有效值、电流电压相位。
8.在一些示例中，所述无线反馈模块测量换能器工作温度。
9.在一些示例中，所述无线反馈模块包括：采集流过所述换能器的电流电压信号的精密无感电阻；检测流过所述换能器的所述电流有效值的电流有效值检测电路；检测所述换能器的所述电流电压相位的相位检测电路。
10.在一些示例中，所述功率输出控制模块与所述无线传能系统的功率电路中buck电路和逆变电路连接；所述功率输出控制模块根据获取的所述换能器的所述电流有效值，产生pwm驱动所述buck电路，实现超声电源输出电压的调节；所述功率输出控制模块根据获取的所述换能器的所述电流电压相位，利用dds产生所述逆变电路的驱动信号，实现超声电源输出频率的调节。
11.在一些示例中，在恒压恒频模式下：将所述功率输出控制模块产生的pwm占空比和dds输出波频率调整至预设值。
12.在一些示例中，在谐振恒流模式下：所述换能器的所述电流电压相位不同时，调整dds输出波形频率至相位差减小至0；所述换能器的所述电流有效值与预设值不一致时，调整pwm占空比至所述换能器的所述电流有效值与预设值一致。
附图说明
13.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
14.图1为本发明一实施例提供的基于无线反馈的分离式超声电源结构示意图。
具体实施方式
15.图1示出了一种基于无线反馈的分离式超声电源。超声电源应用于含有无线传能系统的超声辅助加工领域，该无线传能系统主要元件包括松耦合变压器，松耦合变压的原端固定于机床主轴外，并与超声电源功率输出端连接。松耦合变压器副端固定在主轴上随主轴一起旋转，并与机床超声换能器连接。如图1，超声电源包括超声电源功率输出控制模块3和无线反馈模块8，在机械结构上功率输出控制模块3和无线反馈模块8是分离的，二者通过无线网络进行交互。超声电源功率输出控制模块3与无线传能系统的功率电路连接，其被配置为调节超声电源的输出电压值和输出频率。无线反馈模块8与加工主轴旋转侧换能器连接，能够测量换能器的谐振状态。
16.功率输出控制模块3包含逆变电路驱动电路1、pwm波产生电路2、控制器4。
17.pwm波产生电路2与控制器4相连，pwm波产生电路2波形的控制信号由控制器4直接产生，再由驱动芯片进行放大用于驱动buck电路，通过控制器4调节pwm波的占空比，进而实现超声波输出电压的调节。控制器4可以采用stm32，但不限定于此。
18.逆变电路驱动电路1与控制器4相连，逆变电路驱动电路1的波形由控制器4控制dds数字波形生成芯片产生，该波形经过死区形成电路和驱动放大电路后输入到高频逆变
电路的功率开关管，实现控制超声波输出频率。
19.无线反馈模块8包含电压电流采集电路、另一控制器5、相位检测电路6和电流有效值检测电路7。
20.电压电流采集电路与换能器连接。具体可以采用精密无感电阻采集流过换能器的电压电流信号。放大电路和滤波电路对精密无感电阻采集的电压电流信号进行处理，以供后续电路进行识别。
21.相位检测电路6与控制器5连接。相位检测电路6将电压电流采集电路的采集信号相位处理成电平信号供控制器5识别。控制器5也可以采用stm32，但不限定于此。
22.电流有效值电路7与电流采集电路连接，先将高频交流转化为电流有效值，然后模数转换后传递给控制器5。
23.功率输出控制模块3的控制器4与第一通信模块连接，通过信息交互控制第一通信模块接收无线反馈模块8反馈的换能器相位信息和电流有效值信息。
24.无线反馈模块8的控制器5与第二通信模块连接，通过信息交互控制第二通信模块发送无线反馈模块8采集的换能器相位信息和电流有效值信息。第一通信模块、第二通信模块可以采用nrf24l01芯片，但不限定于此。
25.功率输出控制模块3通过与其在机械结构上保持分离的反馈模块8采集的换能器信息控制超声输出频率和输出电压，形成控制策略。控制策略包括恒压恒频模式和谐振恒流模式。
26.控制器4还可被配置为依据用户选择的工作模式，调整超声电源系统的输出值，系统的输出值即为输出电压值和输出频率值。
27.控制器4上配置的控制程序包括判断子模块和调整子模块。
28.当工作模式为恒压恒频模式时，输出值为预设固定值，控制器4的控制方法如下：判断子模块被配置为判断功率输出控制模块3的pwm波占空比和dds输出波频率是否与预设值一致；若否，则触发调整子模块，调整子模块被配置为调整超声电源的pwm波占空比和dds输出波形频率至预设值；若是，则判断子模块还被配置继续判断功率输出控制模块3的pwm波占空比和dds输出波频率是否与预设值一致。
29.当工作模式为谐振恒流模式时，输出值为预设固定值，控制器4的控制方法如下：判断子模块被配置为判断无线反馈模块采集的电压与电流相位是否同相位；若否，则触发调整子模块，调整子模块被配置为调整超声电源的dds输出波形频率至相位差减小至0为止；若是，则判断子模块还被配置为判断无线反馈模块采集的换能器电流有效值是否与预设值一致；若否，则触发调整子模块，调整子模块被配置为调整超声电源的pwm占空比至无线反馈模块采集的换能器电流有效值与预设值一致；若是，则判断子模块还被配置为继续判断无线反馈模块采集的换能器电流有效值是否与预设值一致。
30.通常在无线传能超声辅助加工领域的超声电源无法对换能器状态进行反馈采集，而超声换能器的谐振频率会由于发热、负载变化、老化等原因发生改变。本发明通过无线反馈的分离式反馈模块对换能器进行电压电流值的采集，能够实现在无线传能领域超声电源的频率追踪。