铸造用数字式超声电源控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种铸造用数字式超声电源控制系统的设计，包括下列方面：（1）本发明提出一种设计基于DSP2808的铸造用数字式超声电源控制系统，超声波发生器主电路包括：整流变压器、二极管整流电路、MOSFET单相全桥逆变电路、模拟量输入单元、波形转换电与匹配电路组成；（2）现有的自激式超声波电源容易发生失谐的现象，本系统设计了手动和自动两种工作模式，通过软件控制来实现频率的实时跟踪。通过软件实现的频率实时跟踪是基于电流的最大有效值来控制的，根据谐振时电流有效值为最大的特点；（3）试验证明，本方案设计的超声波电源具有跟踪频率范围大，工作时间长等优点，均比原有的自激式超声波电源有了明显的改进。
【专利说明】铸造用数字式超声电源控制系统
【技术领域】
[0001]本专利涉及到铝合金铸造工艺的控制【技术领域】，特别是提供了一种数字式的超声波电源控制系统。
【背景技术】
[0002]现在，一般采用在金属凝固前或凝固过程中施加外加物理场的方法，即利用金属与物理场之间的相互作用，来改善其凝固组织。在铝合金凝固过程中施加超声是改善其组织结构、提高力学性能的一种行之有效的方法，有利于铝合金铸造成形的工艺优化与组织调控，获得高性能的铸造产品。超声波在熔体中传播时，熔体受到周期性交变声场的作用，产生空化、声流等一系列非线性效应，增加了金属的形核率，能产生明显的晶粒细化效果，同时使合金整体的温度和化学成分均匀化，从而可以在根本上提高铝合金的力学性能。
[0003]超声波发生器方面，20世纪80年代中期开始使用大功率高频开关晶体管，放大器形式大多以自激D类半桥或全桥为主，之后他激式的大功率模块放大器也不断出现。自激式超声波电源将信号发生器、功率放大器、输出变压器及换能器等整和到了一体，构成一个闭环回路，使整个发生器通过幅度、相位反馈，产生足够的功率，使换能器始终保持在谐振频率上，而他激式超声波电源包括两个部分，前级是信号发生器，后级是功率放大器，最后通过输出变压器耦合后加到换能器上。
[0004]超声铸造实验中，超声换能系统与高温铝合金熔体接触，其谐振频率、阻抗等会发生显著变化。目前国内的普通超声波电源因其采用自激式电路，频率跟踪范围窄，换能系统工作时间越长，其谐振频率偏离发生器的输出频率(频偏度)越大，工具头振动幅值越少，当频偏达到一定程度时，超声波电源就会采取保护动作从而使系统停止运行，必须将换能系统冷却后才能继续工作，导致铸造中断。由于换能系统受高温铝合金熔体的影响比较大，国内常规自激模拟式超声电源不能正常工作，经常发生失谐，导致工具头端面振幅减小设置消失，超声加工不能有效的进行。因此有必要设计一种能自动跟随谐振频率的数字式超声电源。对其进行频率跟踪，将频率输出范围增大，来适应铝合金铸造工作条件。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是提供一种能满足特殊铝合金铸造的安全可靠、实时性高、针对性强的电源控制系统。
[0006]为了解决上述技术问题，本发明提供的特殊铝合金铸造电源控制系统，包括TMS320F2808 DSP电路主控器、整流变压器、二极管整流电路、MOSFET单相全桥逆变电路、模拟量输入单元、波形转换与匹配电路。
[0007]采用上述技术方案的电源控制系统，工作时采用交直交变频原理，实现输出频率的连续可调，同时可以通过整流变压器调节输出功率大小，使用IXD实时显示电压电流参数及频率参数。
[0008]本发明弥补了以往超声电源控制系统存在的不足，增加了金属的形核率，能产生明显的晶粒细化效果，同时使合金整体的温度和化学成分均匀，铝合金性能得到提高。本发明具有高可靠性、高灵活性、高EMC，能长期稳定工作；维护方便，能实现标准化和系列化。
[0009]综上所述，本发明是一种针对特殊铝合金铸造而设计的实时性高、针对性强、基于TMS320F2808微处理器的可靠稳定的电源控制系统。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1是超声波电源装置硬件整体框图。
[0011 ] 图2是频率自动搜索与跟踪程序流程图。
【具体实施方式】
[0012]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步说明。
[0013]参见图1，控制电路主控器为TMS320F2808，逆变桥使用意法半导体公司的MOSFET实现对输出电压信号的频率控制，模拟量输入单元由霍尔传感器及前置信号处理电路构成，从中获取电流、电压实时信号，热电偶获取负载的温度信号，再通过AD采样将数据送到控制主板进行处理；显示单元采用高品质的液晶显示模块IXD128645ZK，每屏可以显示8X4个汉字(16X 16)或128X64个像素的图形使同时，本系统还有故障自诊断等功能。
[0014]设备经过上电和预热检查正常以后，主程序完成初始化，进入自动搜索谐振频率，带谐振频率搜索到之后，进入频率跟踪阶段。自动搜索频率与跟踪程序流程图2所示。
[0015]本发明的优点是:
(1)本电源装置为特种铝铸造用途设计，具有很强的针对性和实用价值；
(2)采用全数字化直接控制技术取代原有的模拟控制技术。通过DSP技术实现对控制和信号处理功能；
(3)对比以前采用的通过器件监测电流和电压的相位，本发明采用基于电流最大有效值的频率搜索算法，实现频率的实时跟踪。在谐振条件下，超声换能系统的阻抗最小，因此将输出最大电流，采用扫频的方法来搜索超声换能系统的谐振频率；
(4)本方案设计的超声波电源具有跟踪频率范围大，工作时间长等优点，均比原有的自激式超声波电源有了明显的改进。
【权利要求】
1.一种基于招合金铸造工艺的数字式超声波电源控制系统，其特征在于:超声波电源是将工频220V电压通过交-直-交转换成高频电压输出，推动压电换能系统振动，就可以得到超声波；通过霍尔传感器检测得到流经换能器的电流和换能器两端的电压，DSP采集这些信号经过运算送出带有一定频率的带死区的方波给驱动电路形成两路驱动信号来推动逆变器的开通和关闭；铸造用超声波发生器系统包括:整流变压器、二极管整流电路、MOSFET单相全桥逆变电路、模拟量输入单元、波形转换与匹配电路组成；控制电路主控器为TMS320F2808 DSP,主要功能为接收各种设定信息及指令，产生一定频率的PWM信号控制MOSFET的通断输出所需电压幅值和频率的电压信号，使换能器始终工作在谐振频率点，同时，还有人机交互、信号采样和故障自诊断等功能；主电路主要由二极管不控整流器和PWM逆变器组成，通过DSP输出一定频率的PWM波控制MOSFET逆变器调节输出电压和频率；波形转换与匹配电路包含高频功率变压器，用来升压和隔离，避免负载端电感在高频作用下产生瞬间高压损坏功率器件；DSP通过采样输出电压和电流的相位能够及时的调整MOSFET的输出电压频率来实时跟踪换能器的谐振频率，同时，DSP可以实时检测故障信号对主电路进行保护，达到系统免维护的性能。
2.根据权利要求1所述的实时跟踪换能器的谐振频率，其特征在于采用以下步骤，达到频率跟踪的软件实现:这里设计了两种模式，一种是通过手动按键的方式来改变频率，如果频率改变的很多，可以直接来输入数字来改变频率；如果要调节的频率不多，则通过两个按键来实现频率的增加或减少；另一种是自动跟踪方式来改变频率，根据谐振时电流有效值为最大的特点，在谐振条件下，超声换能系统的阻抗最小，因此将输出最大电流，采用扫频的方法来 搜索超声换能系统的谐振频率，所述电流的有效值定义为: τ实际操作的时候可以通过编程先在几个周期内按照时间间隔t采集多个J.細= |iL^^离散点电流ix，然后在这些点中寻找两个相邻的点iA、iB，使得iA〈0，iB>0，于是可以推出iA点与iB点中有一个过零点，再往后寻找N-2个点，N=T/t，T=l/f，使得这N个点落在一个周波内，由,可以近似得出其有效值。
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【文档编号】B22D27/20GK103894590SQ201310524468
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2013年10月31日 优先权日:2013年10月31日
【发明者】李晓谦, 蒋日鹏, 张立华, 赵啸林, 彭浩 申请人:中南大学