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面向超磁致伸缩换能器的超声电源设计与性能分析

韦泽川 李均 冯峰 查慧婷 许超 马原 赵学奇 冯平法

韦泽川, 李均, 冯峰, 查慧婷, 许超, 马原, 赵学奇, 冯平法. 面向超磁致伸缩换能器的超声电源设计与性能分析[J]. 制造技术与机床, 2023, (1): 29-35. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.01.004
引用本文: 韦泽川, 李均, 冯峰, 查慧婷, 许超, 马原, 赵学奇, 冯平法. 面向超磁致伸缩换能器的超声电源设计与性能分析[J]. 制造技术与机床, 2023, (1): 29-35. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.01.004
WEI Zechuan, LI Jun, FENG Feng, ZHA Huiting, XU Chao, MA Yuan, ZHAO Xueqi, FENG Pingfa. Design and performance analysis of ultrasonic generator for giant magnetostrictive transducer[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2023, (1): 29-35. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.01.004
Citation: WEI Zechuan, LI Jun, FENG Feng, ZHA Huiting, XU Chao, MA Yuan, ZHAO Xueqi, FENG Pingfa. Design and performance analysis of ultrasonic generator for giant magnetostrictive transducer[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2023, (1): 29-35. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.01.004

面向超磁致伸缩换能器的超声电源设计与性能分析

doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.01.004
基金项目: 国家自然科学基金面上项目(51875311);深圳市基础研究(学科布局)项目 (JCYJ20180508152128308);深圳市基础研究(面上)项目 (JCYJ20190813173607172)
详细信息
    作者简介:

    韦泽川,男,1997年生,硕士研究生,主要研究方向为超声系统阻抗研究与频率追踪方法研究。E-mail: weizc20@mails.tsinghua.edu.cn

    通讯作者:

    冯峰,男,1984年生,博士,副教授,硕士生导师,主要研究方向为智能制造与表面工程技术研究。E-mail: feng.feng@sz.tsinghua.edu.cn

  • 中图分类号: TB552,TB559

Design and performance analysis of ultrasonic generator for giant magnetostrictive transducer

  • 摘要: 面向超磁致伸缩换能器的超声电源相对于传统的压电换能器超声电源存在一定的区别,但是目前这方面的相关研究报道较少。本研究建立了带有无线能量传输装置的等效电路模型,设计了一种面向超磁致伸缩换能器的超声电源。频率源基于直接数字合成(DDS)技术并利用全桥开关放大电路进行功率放大,使用相位和有效值(RMS)计算实现频率追踪策略,从而使该电源具备定频信号输出以及实时频率追踪的功能。最后,对超磁致伸缩换能器超声电源的输出性能进行了测试与分析,结果表明,在开环定频驱动功能下可以输出15~50 KHz的超声信号,在闭环追频驱动功能下可以在工作频率点处长时间稳定驱动超磁致伸缩换能器。此外,文章对面向超磁致伸缩换能器的超声电源进行了升级,并进行实验验证该电源可以实现超过1 kW的大功率输出。

     

  • 图  1  超磁致伸缩换能器的结构

    图  2  超磁致超声加工系统的结构

    图  3  超磁致超声加工系统的等效电路图

    图  4  超声电源的系统方案

    图  5  直接数字合成的原理

    图  6  脉冲宽度调制信号生成原理

    图  7  相位计算模块的相位差计算过程

    图  8  超磁致超声加工系统的阻抗与相位特性

    图  9  频率稳定性测试结果

    图  10  不同测试组信号的波形

    图  11  稳定性运行测试结果

    图  12  追频灵敏度与稳定性测试结果

    表  1  开环定频驱动实验的频率测试结果

    组别预设频率/
    kHz
    平均输出
    频率/kHz
    相对
    误差
    标准差/
    kHz
    最大值/
    kHz
    最小值/
    kHz
    #1组15.015.040.27%0.1915.2714.74
    #2组20.520.480.10%0.1920.7520.27
    #3组30.030.170.57%0.2730.4929.84
    #4组40.040.250.63%0.5040.9839.50
    #5组50.049.830.36%0.4150.4549.34
    下载: 导出CSV

    表  2  开环定频驱动实验的电流有效值测试结果

    组别平均输出电流/mA标准差/mA最大值/mA最小值/mA
    #1组383.791.18385.66382.47
    #2组286.051.90288.07283.15
    #3组175.620.29176.07175.35
    #4组121.060.11121.20120.91
    #5组88.440.3588.9588.00
    下载: 导出CSV

    表  3  升级后的超声电源驱动性能实验结果

    组别输出电流有效值/A输出电压有效值/V输出功率有效值/W
    #1组1.18183.51216.65
    #2组1.64255.78419.90
    #3组1.93303.23585.69
    #4组2.39378.48905.98
    #5组2.66421.921 122.40
    下载: 导出CSV
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  • 收稿日期:  2022-10-11
  • 录用日期:  2022-11-13

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