旋转超声辅助加工高精度频率跟踪装置及方法

1.本发明涉及超声辅助加工、频率跟踪技术领域，更具体地说，涉及一种旋转超声辅助加工高精度频率跟踪装置及方法。


背景技术：

2.旋转超声辅助加工是一种高效、高精密加工技术，其被广泛应用于硬脆性材料的加工之中。现有的超声加工系统的组成主要有超声电源、非接触电能传输单元、换能器、夹持刀具。超声电源的作用是将频率为50hz的市电转换成频率可调且与换能器串联谐振频率相匹配的交流电。非接触电能传输单元主要由松耦合变压器组成，其作用是将电能以非接触的方式传递到处于高速旋转中的换能器中，换能器则是一种将高频交流电转换成高频振动的装置。在实际的超声辅助加工过程中，由于负载力突变、换能器温升、刀头磨损等原因往往导致换能器的谐振频率发生较大变化，进而导致其输出振幅下降影响加工质量，长时间失谐严重时甚至减少换能器寿命。此外，当换能器谐振频率发生变化时，其与非接触电能传输单元的匹配电路失效，此时在换能器的谐振频率点电压、电流的相位差往往不为0，而此时以0相位差为目标进行频率跟踪存在跟踪精度低的问题，因此需要一种高精度频率跟踪方法及装置。
3.目前常用的频率跟踪技术是基于硬件锁相环法，首先检测换能器回路里电压信号与电流信号的相位差，然后通过二分法、变步长算法等方法调节输出频率至相位差为零的频率点，而由于换能器在以串联谐振频率、并联谐振频率工作时，电压信号与电流信号的相位差都为零且只有工作在串联谐振频率时超声加工系统的输出功率才能达到最大，故现有的锁相环技术常常出现误锁频率的情况。此外，专利号为cn110702971b的中国专利公开了一种自动跟踪换能器串联谐振频率的超声驱动电源及实时追频方法，其通过采集流过滤波电容以及采样电阻上电流的峰值和它们之间的相位差，然后计算当换能器动态支路串联谐振时的电流需满足的关系式，以该关系式是否为零作为调节频率的依据。该方法虽然避免了超声电源误锁频到换能器并联谐振频率上，但是该关系式的计算精度严重依赖滤波电容容值的精度以及换能器静态电容的精度。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题在于，提供一种可以高精度、实时追踪换能器串联谐振频率的旋转超声辅助加工频率跟踪装置及方法。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种旋转超声辅助加工高精度频率跟踪装置，包括微控制器、上位机、信号发生模块、功率放大模块、补偿电路、松耦合变压器、测力仪、采样模块和信号调理模块；所述补偿电路由第一补偿电容和第二补偿电容组成；
6.所述微处理器分别与上位机、信号发生器模块、第一带通滤波电路、第二带通滤波电路连接，所述信号发生模块与功率放大模块连接，所述功率放大模块分别与电压传感器、
松耦合变压器原边连接，所述第一补偿电容与松耦合变压器原边并联，所述松耦合变压器副边与第二补偿电容连接，所述第二补偿电容与换能器并联，所述测力仪测量加工过程中的切削力，所述切削力的反力即为换能器收到的负载力，所述电流传感器依次与第二信号放大电路、第二带通滤波电路连接，所述电压传感器依次与第一信号放大电路、第一带通滤波电路连接；
7.所述微控制器控制信号发生模块输出频率可调节的pwm信号；所述微控制器利用内部的adc功能检测经信号调理模块放大、滤波后的电压、电流信号；所述微控制器与上位机实现通信，接收所述上位机发送的锁相目标相位差θ
目标
；所述微控制器内部设置程序控制算法，通过所述程序算法得到松耦合变压器原边两端的电压表达式、流过松耦合变压器原边的电流表达式，然后通过所述电压、电流的表达式获得电压、电流的相位差；最后通过pi算法调节控制信号频率使电压、电流相位差等于上位机发送的目标相位差，目标相位差对应的控制信号频率即为换能器的串联谐振频率。
8.按上述方案，所述上位机接收测力仪测得的切削力数据，然后将所述切削力数据代入松耦合变压器与换能器回路的谐振频率随负载力的变化公式，进而获得所述切削力下松耦合变压器与换能器回路的相位值，即锁相目标相位差θ
目标
并发送给微控制器。
9.按上述方案，所述信号发生模块包括dds发生器、栅极驱动芯片，所述微控制器控制dds发生器产生单路pwm信号，所述单路pwm信号经过栅极驱动芯片处理形成两路反向且带死区时间的pwm信号作为功率放大模块的控制信号。
10.按上述方案，所述功率放大模块包括全桥逆变电路，所述全桥逆变电路输出的交流电经松耦合变压器进行非接触传输后驱动换能器工作。
11.按上述方案，所述补偿电路用于对松耦合变压器进行双边补偿，双边补偿后松耦合变压器与换能器回路的谐振频率等于空载状态下换能器的串联谐振频率。
12.按上述方案，所述测力仪采集当前加工状态下切削力的大小，并由上位机接收切削力数据。
13.按上述方案，所述采样模块包括电压、电流传感器，所述电压、电流传感器用以采集松耦合变压器原边侧的电压、电流值。
14.按上述方案，所述信号调理模块包括信号放大电路，带通滤波电路，所述信号放大电路，带通滤波电路用以将采样电压、电流信号放大并滤除高次谐波后传输至微控制器检测。
15.本发明还提供了一种旋转超声辅助加工高精度频率跟踪方法，采用所述的旋转超声辅助加工高精度频率跟踪装置，旋转超声辅助加工高精度频率跟踪方法包括以下步骤：
16.s1、确定空载状态下换能器的串联谐振频率并计算补偿电路参数，进行加载试验确定不同力载荷条件下换能器串联谐振频率随负载力的变化值；
17.s2、设定激励电压频率为不同力载荷条件下换能器的串联谐振频率，通过等效电路法计算得到双边补偿后松耦合变压器与换能器回路随负载力变化的相位值，然后将该值拟合成松耦合变压器与换能器回路相位随负载力变化的公式；
18.s3、微控制器中设定初始激励频率通过控制信号发生模块、功率放大模块产生激励电压，然后通过电压、电流传感器采集松耦合变压器原边侧的电压、电流值并传输到微控制器中检测，最后通过相位差求解算法得到电压、电流的相位差；
19.s4、启动机床开始加工，通过测力仪采集加工过程中的切削力，在上位机中处理切削力数据，将切削力数据代入松耦合变压器与换能器回路的相位随负载力的变化公式，得到锁相的目标相位差θ
目标
，然后将θ
目标
发送给微控制器作为pi调节算法的目标值；
20.s5、微控制器中设置pi调节算法，以θ
目标
为目标值，调节激励频率使电压、电流的相位差等于θ
目标
，此时激励频率即为换能器串联谐振频率，完成频率跟踪。
21.按上述方案，在所述步骤s3中，通过相位差求解算法得到电压、电流的相位差的方法包括以下步骤：
22.sa、在微控制器控制程序中记录驱动换能器工作的电信号频率fs，设此时采集得到的电压、电流数学表达式为
23.v(t)＝a1cos(ωt+θ1)+c124.i(t)＝a2cos(ωt+θ2)+c225.其中，a1、a2分别为电压、电流信号的幅值，ω为信号的圆频率，θ1、θ2分别为电压、电流信号的初相位，c1、c2分别为电压、电流信号的直流偏置。sb、以采样电压信号的表达式各未知参数计算为例：
[0026][0027]
a0、b0分别为展开式中的系数，其中
[0028][0029][0030]
由式(2)、(3)可得
[0031]
a0＝a1cos(θ1) (11)
[0032]
b0＝-a1sin(θ1) (12)
[0033]
sc、在微控制器中设置adc的采样时间tn，设采样值为y(n)，其中n＝1,2,3...n，n为采样点数，则有
[0034]
y(n)＝a0cos(ωtn)+b0sin(ωtn)+c
1 (13)
[0035]
已知采样电压信号的频率为fs，则ω＝2πfs，由最小二乘法可获得a0、b0、c1的值如下式所示
[0036][0037]
其中
[0038][0039]
sd、将a0、b0值代入(4)、(5)可得出采样电压信号的初相位θ1，采样电流信号初相位θ2的计算方法同采样电压信号；
[0040]
se、采样电流、电压信号的相位差δθ＝θ
2-θ1，若δθ》θ
目标
，此时采样电流相位超前采样电压，换能器回路呈容性；若δθ＜θ
目标
，此时采样电压相位超前采样电流，换能器回路呈感性；若δθ＝θ
目标
，此时换能器回路呈纯阻性，处于谐振点，换能器处于空载状态时，θ
目标
＝0。
[0041]
实施本发明的旋转超声辅助加工高精度频率跟踪装置及方法，具有以下有益效果：
[0042]
1、本发明利用软件算法计算得到电压、电流的相位差而非通过传统的硬件鉴相电路得到电压、电流的相位差，简化了频率跟踪装置的硬件电路部分，节约了成本；
[0043]
2、本发明频率跟踪速度快，电压、电流的相位差值最少分别采样三组电压、电流值即可计算获得，而传统过零比较法则需比较一个周期的电压、电流波形才可获得相位差值；
[0044]
3、本发明充分考虑了旋转超声加工过程中，负载力变化造成的静态匹配失效进而导致频率跟踪精度下降的问题，以松耦合变压器原边侧相位变化值作为锁相目标值，提升了频率跟踪精度；
[0045]
4、本发明适应性强，在超声辅助加工力学性能不同的硬脆性材料时，都可根据当前负载力的值精确追踪至漂移后换能器的串联谐振频率；
[0046]
5、本发明具有成本低、频率跟踪速度快、精度高、适应性强的优点。
附图说明
[0047]
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0048]
图1为本发明的旋转超声辅助加工频率跟踪装置的示意图；
[0049]
图2为本发明的松耦合变压器、换能器等效电路图；
[0050]
图3为本发明的双边补偿后松耦合变压器与换能器回路的幅相特性曲线图；
[0051]
图4为本发明的换能器串联谐振频率随负载力的变化值示意图；
[0052]
图5为本发明的频率跟踪过程中的算法流程图；
[0053]
图中：1、微控制器，2、上位机，3、信号发生模块，4、功率放大模块，5、电流传感器，6、第一补偿电容，7、松耦合变压器，8、第二补偿电容，9、换能器，10、测力仪，11、电压传感器，12、第一信号放大电路，13、第一带通滤波电路，14、第二信号放大电路，15、第二带通滤波电路，16松耦合变压器等效电路，17、换能器等效电路，ui、松耦合变压器原边电压，ii、松耦合变压器原边电流，c
p1
、第一补偿电容，l
p
、原边侧漏电感，r
p
、原边侧等效串联电阻，lm、磁化电感，rm、磁芯损耗，rs、副边侧等效串联电阻，ls、副边侧漏电感，c
p2
、第二补偿电容，c0、换能器静态电容，r1、换能器动态电阻，c1、换能器动态电容，l1、换能器动态电感。
具体实施方式
[0054]
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
[0055]
如图1所示，本发明的旋转超声辅助加工高精度频率跟踪装置，包括微控制器1、上位机2、信号发生模块3、功率放大模块4、补偿电路、松耦合变压器7、测力仪10、采样模块、信号调理模块组成。微控制器1由微处理芯片及其外围电路组成；微控制器1控制信号发生模块输出频率可调节的pwm信号；微控制器1利用内部的adc功能检测经信号调理模块放大、滤波后的电压、电流信号；微控制器1与上位机2实现通信，接收上位机2发送的锁相目标相位差θ
目标
；微控制器1内部设置程序控制算法，通过算法得到松耦合变压器7原边两端的电压表达式，以及流过松耦合变压器7原边的电流表达式。然后通过电压、电流的表达式可获得电压、电流的相位差。最后通过pi算法调节控制信号频率使电压、电流相位差等于上位机发送的目标相位差θ
目标
，θ
目标
对应的控制信号频率即为换能器的串联谐振频率。
[0056]
上位机2接收测力仪10测得的切削力数据，然后将当前切削力的数据代入松耦合变压器与换能器回路的谐振频率随负载力的变化公式，进而获得当前切削力下松耦合变压器与换能器回路的相位值即锁相目标相位差θ
目标
并发送给微控制器1。信号发生模块3由dds发生器、栅极驱动芯片(如eg2104)组成，微控制器1控制dds发生器产生单路pwm信号，该信号经过栅极驱动芯片处理形成两路反向且带死区时间的pwm信号作为功率放大模块4的控制信号。功率放大模块4由全桥逆变电路组成，其输出的交流电经松耦合变压器7进行非接触传输后驱动换能器9工作。补偿电路由第一补偿电容6、第二补偿电容8组成，用以对松耦合变压器7进行双边补偿，双边补偿后松耦合变压器7与换能器9回路的谐振频率等于空载状态下换能器9的串联谐振频率。测力仪10采集当前加工状态下切削力的大小，并由上位机2接收切削力数据。采样模块由电压传感器11(如chv-50p)、电流传感器5(如lt58-s7)组成，用以采集松耦合变压器7原边侧的电压、电流值。信号调理模块由第一信号放大电路12，第一带通滤波电路13，第二信号放大电路14，第二带通滤波电路15组成，用以将采样电压、电流信号放大并滤除高次谐波后传输至微控制器1检测。
[0057]
控制器1中的相位差求解算法如下：
[0058]
sa、首先在微控制器1控制程序中记录驱动换能器9工作的电信号频率fs，设此时采集得到的电压、电流数学表达式为
[0059]
v(t)＝a1cos(ωt+θ1)+c1、
[0060]
i(t)＝a2cos(ωt+θ2)+c2；
[0061]
其中，a1、a2分别为电压、电流信号的幅值，ω为信号的圆频率，θ1、θ2分别为电压、电流信号的初相位，c1、c2分别为电压、电流信号的直流偏置。
[0062]
sb、以采样电压信号vi的表达式各未知参数计算为例：
[0063][0064]
a0、b0分别为展开式中的系数，其中
[0065]
[0066][0067]
由式(2)、(3)可得
[0068]
a0＝a1cos(θ1) (4)
[0069]
b0＝-a1sin(θ1) (5)
[0070]
sc、在微控制器1中设置adc的采样时间tn，设采样值为y(n)，其中n＝1,2,3...n，n为采样点数，则有
[0071]
y(n)＝a0cos(ωtn)+b0sin(ωtn)+c
1 (6)
[0072]
已知采样电压信号vi的频率为fs，则ω＝2πfs，由最小二乘法可获得a0、b0、c1的值如下式所示
[0073][0074]
其中
[0075][0076]
sd、将a0、b0值代入(4)、(5)可得出采样电压信号的初相位θ1，采样电流信号初相位θ2的计算方法同采样电压信号；
[0077]
采样电流ii、采样电压vi的相位差δθ＝θ
2-θ1，若δθ》θ
目标
，此时采样电流ii相位超前采样电压vi，换能器回路呈容性；若δθ＜θ
目标
，此时采样电压vi相位超前采样电流ii，换能器回路呈感性；若δθ＝θ
目标
，此时换能器回路呈纯阻性，处于谐振点。特别地，换能器9处于空载状态时，θ
目标
＝0。
[0078]
如图2所示，16为松耦合变压器等效电路、17为换能器等效电路、c
p1
为第一补偿电容、c
p2
为第二补偿电容。当双边补偿电容值选取合理时，换能器空载状态的串联谐振频率为整个电路的谐振频率。
[0079]
本发明的优选实施例中，选取一组参数作为说明，换能器等效参数包括：r1＝19.372ω、c1＝1.281nf、l1＝23.464mh、c0＝6.963nf，松耦合变压器参数包括：l
p
＝1.83mh，r
p
＝0.9885ω，lm＝0.899mh，rm＝30050ω，rs＝0.5754ω，ls＝1.3mh，计算得到第一补偿电容c
p1
＝244.57nf，c
p2
＝161.9nf。此时松耦合变压器和换能器回路的阻抗特性曲线、相频特性曲线如图3所示。图中阻抗特性曲线的最低点fs＝29029.83hz即为松耦合变压器与换能器回路的谐振频率，如图3所示，横坐标为激励电压的频率，左轴纵坐标为双边补偿后松耦合变压器与换能器回路的总阻抗，右轴纵坐标为松耦合变压器与换能器回路的相位。对换能器进行加载实验后确定换能器串联谐振频率随负载力的变化值如图4所示。参照图4所
示，横坐标为负载力，左轴纵坐标为换能器的串联谐振频率。
[0080]
本发明还提供一种旋转超声辅助加工高精度频率跟踪方法，采用上述提出的一种旋转超声辅助加工高精度频率跟踪装置，具体步骤如下：
[0081]
s1、确定空载状态下换能器9的串联谐振频率，计算补偿电路参数；进行加载试验确定不同力载荷条件下换能器串联谐振频率随负载力的变化值；
[0082]
s2、设定激励电压频率为不同力载荷条件下换能器的串联谐振频率，通过等效电路法计算得到双边补偿后松耦合变压器与换能器回路随负载力变化的相位值，然后将该值拟合成松耦合变压器与换能器回路相位随负载力变化的公式。
[0083]
s3、微控制器1中设定初始激励频率通过控制信号发生模块3、功率放大模块4产生激励电压。然后通过电压传感器11、电流传感器5采集松耦合变压器原边侧的电压、电流值并传输到微控制器1中检测，最后通过相位差求解算法得到电压、电流的相位差。
[0084]
s4、启动机床开始加工，通过测力仪10采集加工过程中的切削力，在上位机2中处理切削力数据，将切削力数据代入松耦合变压器与换能器回路的相位随负载力的变化公式，得到锁相的目标相位差θ
目标
。然后将θ
目标
发送给微控制器作为pi调节算法的目标值。
[0085]
s5、微控制器1中设置pi调节算法，以θ
目标
为目标值，调节激励频率使电压vi、电流ii的相位差等于θ
目标
，此时激励频率即为换能器串联谐振频率，完成频率跟踪。
[0086]
如图5所示，f0为激励电压信号的初始频率；δθ为松耦合变压器原边侧电压、电流的相位差；θ
目标
为经过双边补偿后，松耦合变压器与换能器回路的相位随负载力的改变量，特别地，当换能器空载时其值等于0。参照图5所示，当δθ＝θ
目标
时频率跟踪完成，否则将一直调用pi调节算法使δθ＝θ
目标
。
[0087]
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

技术特征：
1.一种旋转超声辅助加工高精度频率跟踪装置，其特征在于，包括微控制器、上位机、信号发生模块、功率放大模块、补偿电路、松耦合变压器、测力仪、采样模块和信号调理模块；所述补偿电路由第一补偿电容和第二补偿电容组成；所述微处理器分别与上位机、信号发生器模块、第一带通滤波电路、第二带通滤波电路连接，所述信号发生模块与功率放大模块连接，所述功率放大模块分别与电压传感器、松耦合变压器原边连接，所述第一补偿电容与松耦合变压器原边并联，所述松耦合变压器副边与第二补偿电容连接，所述第二补偿电容与换能器并联，所述测力仪测量加工过程中的切削力，所述电流传感器依次与第二信号放大电路、第二带通滤波电路连接，所述电压传感器依次与第一信号放大电路、第一带通滤波电路连接；所述微控制器控制信号发生模块输出频率可调节的pwm信号；所述微控制器利用内部的adc功能检测经信号调理模块放大、滤波后的电压、电流信号；所述微控制器与上位机实现通信，接收所述上位机发送的锁相目标相位差θ目标；所述微控制器内部设置程序控制算法，通过所述程序算法得到松耦合变压器原边两端的电压表达式、流过松耦合变压器原边的电流表达式，然后通过所述电压、电流的表达式获得电压、电流的相位差；最后通过pi算法调节控制信号频率使电压、电流相位差等于上位机发送的目标相位差，目标相位差对应的控制信号频率即为换能器的串联谐振频率。2.根据权利要求1所述的旋转超声辅助加工高精度频率跟踪装置，其特征在于，所述上位机接收测力仪测得的切削力数据，然后将所述切削力数据代入松耦合变压器与换能器回路的谐振频率随负载力的变化公式，进而获得所述切削力下松耦合变压器与换能器回路的相位值，即锁相目标相位差并发送给微控制器。3.根据权利要求1所述的旋转超声辅助加工高精度频率跟踪装置，其特征在于，所述信号发生模块包括dds发生器、栅极驱动芯片，所述微控制器控制dds发生器产生单路pwm信号，所述单路pwm信号经过栅极驱动芯片处理形成两路反向且带死区时间的pwm信号作为功率放大模块的控制信号。4.根据权利要求1所述的旋转超声辅助加工高精度频率跟踪装置，其特征在于，所述功率放大模块包括全桥逆变电路，所述全桥逆变电路输出的交流电经松耦合变压器进行非接触传输后驱动换能器工作。5.根据权利要求1所述的旋转超声辅助加工高精度频率跟踪装置，其特征在于，所述补偿电路用于对松耦合变压器进行双边补偿，双边补偿后松耦合变压器与换能器回路的谐振频率等于空载状态下换能器的串联谐振频率。6.根据权利要求1所述的旋转超声辅助加工高精度频率跟踪装置，其特征在于，所述测力仪采集当前加工状态下切削力的大小，并由上位机接收切削力数据。7.根据权利要求1所述的旋转超声辅助加工高精度频率跟踪装置，其特征在于，所述采样模块包括电压、电流传感器，所述电压、电流传感器用以采集松耦合变压器原边侧的电压、电流值。8.根据权利要求1所述的旋转超声辅助加工高精度频率跟踪装置，其特征在于，所述信号调理模块包括信号放大电路，带通滤波电路，所述信号放大电路，带通滤波电路用以将采样电压、电流信号放大并滤除高次谐波后传输至微控制器检测。9.一种旋转超声辅助加工高精度频率跟踪方法，其特征在于，采用权利要求1-8任意一
项所述的旋转超声辅助加工高精度频率跟踪装置，旋转超声辅助加工高精度频率跟踪方法包括以下步骤：s1、确定空载状态下换能器的串联谐振频率并计算补偿电路参数，进行加载试验确定不同力载荷条件下换能器串联谐振频率随负载力的变化值；s2、设定激励电压频率为不同力载荷条件下换能器的串联谐振频率，通过等效电路法计算得到双边补偿后松耦合变压器与换能器回路随负载力变化的相位值，然后将该值拟合成松耦合变压器与换能器回路相位随负载力变化的公式；s3、微控制器中设定初始激励频率通过控制信号发生模块、功率放大模块产生激励电压，然后通过电压、电流传感器采集松耦合变压器原边侧的电压、电流值并传输到微控制器中检测，最后通过相位差求解算法得到电压、电流的相位差；s4、启动机床开始加工，通过测力仪采集加工过程中的切削力，在上位机中处理切削力数据，将切削力数据代入松耦合变压器与换能器回路的相位随负载力的变化公式，得到锁相的目标相位差θ
目标
，然后将θ
目标
发送给微控制器作为pi调节算法的目标值；s5、微控制器中设置pi调节算法，以θ
目标
为目标值，调节激励频率使电压、电流的相位差等于θ
目标
，此时激励频率即为换能器串联谐振频率，完成频率跟踪。10.根据权利要求9所述的旋转超声辅助加工高精度频率跟踪方法，其特征在于，在所述步骤s3中，通过相位差求解算法得到电压、电流的相位差的方法包括以下步骤：sa、在微控制器控制程序中记录驱动换能器工作的电信号频率f
s
，设此时采集得到的电压、电流数学表达式为v(t)＝a1cos(ωt+θ1)+c1i(t)＝a2cos(ωt+θ2)+c2其中，a1、a2分别为电压、电流信号的幅值，ω为信号的圆频率，θ1、θ2分别为电压、电流信号的初相位，c1、c2分别为电压、电流信号的直流偏置。sb、以采样电压信号的表达式各未知参数计算为例：a0、b0分别为展开式中的系数，其中分别为展开式中的系数，其中由式(2)、(3)可得a0＝a1cos(θ1) (4)b0＝-a1sin(θ1) (5)sc、在微控制器中设置adc的采样时间t
n
，设采样值为y(n)，其中n＝1,2,3...n，n为采样点数，则有
y(n)＝a0cos(ωt
n
)+b0sin(ωt
n
)+c
1 (6)已知采样电压信号的频率为f
s
，则ω＝2πf
s
，由最小二乘法可获得a0、b0、c1的值如下式所示其中sd、将a0、b0值代入(4)、(5)可得出采样电压信号的初相位θ1，采样电流信号初相位θ2的计算方法同采样电压信号；se、采样电流、电压信号的相位差δθ＝θ
2-θ1，若δθ>θ
目标
，此时采样电流相位超前采样电压，换能器回路呈容性；若δθ＜θ
目标
，此时采样电压相位超前采样电流，换能器回路呈感性；若δθ＝θ
目标
，此时换能器回路呈纯阻性，处于谐振点，换能器处于空载状态时，θ
目标
＝0。

技术总结
本发明涉及一种旋转超声辅助加工高精度频率跟踪装置及方法，跟踪装置包括微控制器、上位机、信号发生模块、功率放大模块、补偿电路、松耦合变压器、测力仪、采样模块和信号调理模块；微处理器分别与上位机、信号发生器模块、第一带通滤波电路、第二带通滤波电路连接，信号发生模块与功率放大模块连接，功率放大模块依次与电压传感器、松耦合变压器的原边连接，测力仪测量加工过程中的切削力、该力的反力即为换能器收到的负载力。本发明充分考虑了旋转超声加工过程中，负载力变化造成的静态匹配失效进而导致频率跟踪精度下降的问题，提升了频率跟踪精度。本发明具有成本低、频率跟踪速度快、精度高、适应性强的优点。适应性强的优点。适应性强的优点。


技术研发人员：陈涛 段振岩 李红博 张川电 刘凤宇
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：2023.06.29
技术公布日：2023/10/15