负载条件下超声加工振动能量控制研究

发布时间：2017-05-24 12:28

  本文关键词：负载条件下超声加工振动能量控制研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：超声换能系统广泛应用于工业生产中,如电子封装行业、超声加工行业等。超声换能系统包括超声发生器(超声电源)和换能器两部分。换能器输出功率在发生器输出的驱动信号频率与换能器谐振频率相等时达到最大。在超声加工应用和研究中,振动系统负载变化、工具磨损、换能器发热等诸多因素会导致换能器输出振幅下降,造成加工过程不稳定,导致生产率的降低。针对负载的非线性及不明确特征导致频率反馈低效的问题,本文在对换能系统建立动力学模型的基础上,设计了H∞控制器。该控制器使得负载条件下的换能系统在谐振状态下振幅输出稳定,保证了换能系统的加工质量。超声换能系统工作时的振幅受诸多因素的影响,因此得出换能系统振幅的精准数学模型较难。本论文利用分部建模的思想,将换能系统视为三部分组成,即压电陶瓷、集中器、负载,建立超声换能器系统的动力学模型,得出系统的传递函数;同时采用机电等效的方法验证建立的动力学模型。并利用MATLAB仿真得出负载参数阻尼系数和弹性系数变化对负载模型的影响规律。在对超声换能系统动力学模型理论分析的基础上,设计了校正装置。该装置的作用是通过设置参数改善被控对象性能,提高了换能系统的稳定性,并分别采用根轨迹法和频率响应法对控制系统模型进行分析验证。采用不同频率驱动带有校正装置的换能系统模型,得出换能器两端振幅(电流)的时间响应特性。根据换能系统模型的电流响应特性,可知换能系统在不同频率的输入时,输出电流的有效值对应不同程度的衰减。根据负载不确定性的特点,本论文设计了H∞控制器来调节系统稳定输出。在仿真验证过程中,通过改变负载的阻尼系数和弹性系数,得到换能系统的电流信号的有效值响应。最后,通过实验室驱动平台与上位机通讯获得实验数据,对加入控制器的换能系统进行了实验验证,验证了在恒压恒流恒功率三种模式下,设计的控制器满足了对负载条件下换能器输出振幅需求的控制。以上研究内容,满足了超声换能系统负载条件下的稳定性、准确性、快速性,对提高换能器工作效率有指导作用。
【关键词】：换能系统 负载 H∞控制器
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB552
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 绪论9-15
• 1.1 引言9
• 1.2 超声换能系统的应用9-10
• 1.3 换能系统的研究现状及分析10-13
• 1.3.1 国外研究现状11-12
• 1.3.2 国内研究现状12-13
• 1.4 研究目的与意义13
• 1.5 本文选题与研究内容13-15
• 第2章 换能系统动力学模型的建立与验证15-30
• 2.1 引言15
• 2.2 动力学模型的建立15-19
• 2.2.1 动力学模型参数的确定17-18
• 2.2.2 传递函数的确定18-19
• 2.3 动力学模型验证19-23
• 2.3.1 机电等效模型传递函数的确定21-22
• 2.3.2 动力学模型与机电等效电路模型响应对比22-23
• 2.4 负载的等效模型23-25
• 2.5 负载等效模型对系统模型的影响25-29
• 2.6 本章小结29-30
• 第3章 换能系统模型特性分析与校正装置设计30-41
• 3.1 引言30
• 3.2 动力学模型特性分析30-33
• 3.2.1 轨迹法分析系统模型31-32
• 3.2.2 频率响应法分析系统模型32-33
• 3.3 动力学模型校正装置的设计与仿真33-38
• 3.4 输出电流响应特性38-40
• 3.5 本章小结40-41
• 第4章H_∞控制器的设计与实现41-50
• 4.1 引言41
• 4.2 H_∞控制器的设计41-44
• 4.3 负载条件下换能系统的仿真与分析44-49
• 4.3.1 加入负载对系统的仿真与分析44-47
• 4.3.2 负载参数变化条件下系统的仿真与分析47-49
• 4.4 本章小结49-50
• 第5章 实验50-58
• 5.1 引言50
• 5.2 换能系统驱动信号模块软件设计50-52
• 5.3 负载条件下换能系统响应特性实验52-57
• 5.3.1 换能系统频率扫频实验53-54
• 5.3.2 换能系统输出控制实验54-57
• 5.4 本章小结57-58
• 结论58-60
• 参考文献60-64
• 致谢64

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