一种超声波电源谐振频率跟踪方法及系统

1.本发明涉及超声波电源技术领域，尤其是指一种超声波电源谐振频率跟踪方法及系统。


背景技术：

2.超声波电源广泛应用于超声焊接、超声加工、超声清洗、超声马达以及超声医疗等方面。超声波电源通过将市电在整流滤波、全桥逆变、匹配电路等的作用下输出与负载端换能器相匹配的高频交流信号，换能器的作用则是将输出的电能转化为机械能。
3.然而，由于换能器随着工作过程中的温度变化、振动幅度变化，以及负载大小，其频率特性会发生微小变化，从而导致中心频率发生变化，换能器的工作效率降低，甚至会损坏换能器元件。这就要求超声波电源能自动检测并跟踪上述中心频率，同时快速调整输出频率，使电源的工作频率能够与换能器的谐振频率匹配。
4.目前常用的超声波电源频率跟踪方法有最大电流搜索频率跟踪方法和匹配电感频率跟踪方法。其中最大电流搜索频率跟踪方法，基于谐振状态下负载阻抗最小，输出电流最大这一特点，采用扫频、变步长的方式搜索最大电流对应的频率，即为谐振频率，由于扫频周期长，步长个数增加，所需要的反馈量也增加，导致启动时间较长，跟踪精度较低；匹配电感法即在保持输出频率不变的情况下，通过改变匹配电路中电感大小来改变输出电压和电流相位差大小实现频率跟踪，该方法跟踪精度低。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是提供一种超声波电源谐振频率跟踪方法及系统，其通过构建微分环节锁相环，采用dds信号发生器结合微分环节锁相环实现闭环控制，超声波电源的输出频率能够快速地跟踪换能器的谐振频率的变化，使得超声波电源工作在谐振状态下，构思精巧，跟踪性能好且易实现。
6.为解决上述技术问题，本发明提供了一种超声波电源谐振频率跟踪方法，包括以下步骤：s1、构建lc串联匹配电路，并将所述lc串联匹配电路连接在超声波电源与换能器之间；通过所述lc串联匹配电路，实现对超声波电源的输出频率和所述换能器的谐振频率进行匹配的初调节；s2、检测所述换能器输出的电流信号；s3、构建微分环节锁相环，并将所述微分环节锁相环的输出端与pwm信号生成器的输入端连接；将s2中所述换能器输出的电流信号作为微分环节锁相环的输入信号；根据所述微分环节锁相环的输出信号，所述pwm信号生成器生成驱动信号；s4、所述s3中生成的驱动信号驱动所述超声波电源中开关管的导通和关断以调整所述超声波电源的输出频率，实现所述超声波电源的输出频率跟随所述换能器的谐振频率的变化而变化。
7.作为优选的，所述s3中构建的微分环节锁相环包括依次连接的微分鉴相器、pi控制器和压控振荡器；所述换能器输出的电流信号作为微分鉴相器的输入信号，所述压控振荡器输出的控制信号作为微分鉴相器的反馈信号；对所述微分鉴相器的输入信号和反馈信
号进行线性计算以得到所述pi控制器的输入相位差信号，所述pi控制器的输出信号输入至所述压控振荡器；所述压控振荡器输出的控制信号控制所述超声波电源的输出频率。
8.作为优选的，所述微分鉴相器包括双微分正交信号发生器，所述双微分正交信号发生器的实现方法具体包括：引入二阶滤波环节，分别获取两个微分正交信号发生器的传递函数：
9.其中，i'、qi'为输出变量，i为输入变量，ωr为换能器的谐振频率；根据所述传递函数获取两个所述正交信号发生器的频率响应特性，保存满足频率响应特性指标的两个所述正交信号发射器为双微分正交信号发生器。
10.作为优选的，对所述pi控制器的参数进行设计，具体包括：设定所述pi控制器的传递函数为：
11.其中，k
p
为所述pi控制器的比例系数，ki为所述pi控制器的积分系数；根据所述pi控制器的传递函数，计算得出所述微分环节锁相环的闭环传递函数：其中：k
pd
为鉴相器的增益系数，θs为采样电流的相位信号，θ'为压控振荡器输出电流的相位信号；计算所述闭环传递函数的阻尼比和自然角频率，所述阻尼比为：所述自然角频率为：配置所述pi控制器为无阻尼振荡控制器，设定所述闭环传递函数的阻尼系数为0.707，计算得出所述闭环传递函数中kp和ki的值。
12.作为优选的，所述换能器输出的电流信号和所述压控振荡器输出的控制信号均经过park变换生成相位差信号；利用所述pi控制器对所述相位差信号进行调节。
13.作为优选的，所述所述s1之前还包括：采用阻抗分析仪对所述换能器进行扫频，以确定所述超声波电源的中心频率；将所述中心频率作为所述超声波电源的初始工作频率。
14.作为优选的，所述s4之后还包括:s5、搭建仿真实验，通过仿真实验验证所述微分环节锁相环的性能，保存满足性能要求的微分环节锁相环。
15.一种超声波电源谐振频率跟踪系统，其特征在于，包括串联匹配电路、换能器、电流检测电路、微分环节锁相环和pwm信号生成器；所述串联匹配电路连接在超声波电源与换能器之间，通过所述串联匹配电路对超声波电源的输出频率和所述换能器的谐振频率进行匹配的初调节；所述电流检测电路与所述换能器连接以检测所述换能器输出的电流信号；所述电流检测电路的输出端与所述微分环节锁相环的输入端连接，所述微分环节锁相环的输出端与所述pwm信号生成器的输入端连接，根据所述微分环节锁相环的输出信号所述pwm信号生成器生成驱动信号以调整所述超声波电源的输出频率。
16.作为优选的，所述微分环节锁相环包括依次连接的微分鉴相器、pi控制器和压控振荡器；所述电流检测电路的输出端与所述微分鉴相器的输入端连接，所述压控振荡器的输出端与所述pwm信号生成器的输入端连接。
17.作为优选的，所述pwm信号生成器设置在所述超声波电源内，所述pwm信号生成器为dds信号发生器，所述dds信号发生器内设置芯片ad9850。
18.本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
19.1、本发明通过在超声波电源和换能器之间设置lc串联匹配电路，能够实现超声波电源的输出频率和换能器的谐振频率之间匹配的初调节，操作简单，且便于后续的进一步频率调节。
20.2、本发明对换能器输出的电流信号进行采样跟踪可以实现超声波电源输出频率跟踪换能器的谐振频率，且本发明设计的微分环节锁相环简单易实现，采用dds信号发生器结合微分环节锁相环实现闭环控制，超声波电源的输出频率能够快速地跟踪换能器的谐振频率的变化，使超声波电源工作在谐振状态下。
附图说明
21.为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：
22.图1为本发明的系统原理框图；
23.图2为本发明跟踪方法的控制框图；
24.图3为本发明中微分环节锁相环中两个微分正交信号发生器的传递函数特性示意图；
25.图4为本发明中微分环节锁相环简化的线性模型示意图；
26.图5为本发明跟踪方法中kp和ki的取值对微分环节锁相环性能影响的仿真示意图；
27.图6为本发明跟踪方法控制下输出电流和输出电压的相位图；
28.图7为本发明跟踪方法的谐振频率示意图；
29.图8为本发明跟踪方法的跟踪误差示意图。
具体实施方式
30.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
31.参照图1～图8所示，本发明公开了一种超声波电源谐振频率跟踪方法及系统。
32.超声波电源通过将市电在整流滤波、全桥逆变、匹配电路等的作用下输出与负载端的换能器相匹配的高频交流信号，换能器的作用则是将输出的电能转化为机械能。
33.上述超声波电源谐振频率跟踪方法主要包括：步骤一、构建lc串联匹配电路，将上述lc串联匹配电路连接在超声波电源与负载端的换能器之间。上述lc串联匹配电路的参数值能够与等效负载参数进行匹配，实现对超声波电源的输出频率和换能器的谐振频率进行匹配的初调节。上述lc串联匹配电路优选为对称的lc串联匹配电路。
34.其中，在上述步骤一之前还包括：采用阻抗分析仪对换能器进行扫频，观察超声波电源在不同基准频率下的阻抗分布及电感参数值以便于确定上述超声波电源的中心频率，并将上述中心频率作为超声波电源的初始工作频率。
35.步骤二、通过电流采样电路对上述换能器输出的电流信号进行检测。由于大功率
超高频的超声波电源在工作时，负载端的换能器输出的是高频交流电压和电流，为了保证检测的电流信号不失真，电流采样电路中的主要元件优选为电流互感器，电流采样电路由电流互感器、运算放大器、电阻和电容等元器件组成。
36.步骤三、构建微分环节锁相环，将步骤二中换能器输出的电流信号作为微分环节锁相环的输入信号，将微分环节锁相环的输出端与一pwm信号生成器的输入端连接。根据微分环节锁相环的输出信号，上述pwm信号生成器能够生成驱动信号。
37.具体的，构建的上述微分环节锁相环包括依次连接的微分鉴相器、pi控制器和压控振荡器。上述换能器输出的电流信号作为微分鉴相器的输入信号，上述压控振荡器输出的控制信号作为微分鉴相器的反馈信号。将上述微分鉴相器的输入信号和反馈信号进行线性计算，得到pi控制器的输入相位差信号。pwm信号生成器根据压控振荡器输出的控制信号生成频率可调的驱动信号。换能器输出的电流信号和压控振荡器输出的控制信号均经过park变换生成相位差信号，利用pi控制器对相位差信号进行调节。
38.上述pwm信号生成器设置在所述超声波电源内，所述pwm信号生成器优选为dds信号发生器，在上述dds信号发生器内设置芯片ad9850，可以产生频率和相位均可精确控制且稳定的模拟正弦波，而正弦波可以通过芯片内部自带的高速比较器转化为同频率且稳定的方波输出。输出频率为f
out
＝m
·fclk
/2n,其中，m为步长控制字，n为控制字的长度32，f
clk
为系统时钟参考频率，其最大值为125mhz，频率转换时间达到纳秒级；输出频率分辨率为δf＝f
clk
/2n，根据上式得输出信号的频率分辨率可达0.0291hz，完全满足大功率超高频超声波电源系统最小频率精度的要求，并且可以在很宽的频率范围内进行精细的频率调节。
39.上述dds信号发生器采用直接数字频率合成技术，根据压控振荡器输出的控制信号生成频率可调的驱动信号。
40.步骤四、上述步骤三中pwm信号生成器生成的驱动信号能够促使mosfet驱动器工作，控制驱动超声波电源逆变桥开关管的导通和关断以调整超声波电源的输出频率，上述跟踪方法能够形成一个闭环控制，实现超声波电源的输出频率快速跟随换能器的谐振频率的变化而变化。
41.步骤五、搭建仿真实验，通过仿真实验验证上述微分环节锁相环的性能，并将满足性能要求的微分环节锁相环保存为最优微分环节锁相环。
42.进一步的，要使大功率超高频的超声波电源工作在谐振状态，微分锁相环的设计是关键，如图2所示，其中du1和du2表示两个微分正交信号发生器，微分锁相环的主要设计步骤有：
43.(1)微分鉴相器的设计，上述微分鉴相器包括双微分正交信号发生器，具体实现方法为：由于纯微分控制器会对噪声和谐波有放大作用，因此引入二阶滤波环节，分别获取两个微分正交信号发生器的传递函数：
[0044][0045]
其中，i'、qi'为输出变量，i为输入变量，ωr为换能器的谐振频率。
[0046]
上述传递函数对应的波特图如图3所示，从图中可以看出微分正交信号发生器能输出良好的频率响应特性，且输出信号的相位与幅值只与输入信号的状态有关，是构造高精度锁相环的基础。根据传递函数获取两个所述正交信号发生器的频率响应特性，保存满
足频率响应特性指标的两个所述正交信号发射器为双微分正交信号发生器。
[0047]
(2)pi控制器设计。为了方便研究pi控制器参数的设计，图4为本发明微分环节锁相环简化的线性模型示意图。
[0048]
两个微分正交信号发生器的输出信号采用park变换得到微分锁相环的输入信号与输出信号之间的误差信号ε
pd
，即ε
pd
＝i'
·
qi'
2-qi'
·
i'2，式中，i'2、qi'2分别为输出变量。当系统稳定输出时，相位差信号可等效为ε
pd
＝k
pd
(θ
s-θ')，式中，k
pd
为微分鉴相器的增益系数，θs为采样电流的相位信号，θ'为压控振荡器输出电流的相位信号，即相位差信号与输入输出信号成比例，验证了所设计的微分鉴相器具有很好的鉴相功能。由于微分锁相环中的被控对象可视为一阶积分环节，故采用pi调节器进行调节控制。
[0049]
设定上述pi控制器的传递函数为：
[0050]
其中，k
p
为pi控制器的比例系数，ki为pi控制器的积分系数。
[0051]
根据所述pi控制器的传递函数，计算得出微分环节锁相环的闭环传递函数：其中：k
pd
为鉴相器的增益系数，θs为采样电流的相位信号，θ'为压控振荡器输出电流的相位信号；
[0052]
计算闭环传递函数的阻尼比和自然角频率，阻尼比为：自然角频率为：
[0053]
给定一个输入信号频率，如图5所示，在输入信号频率一定时，kp、ki的取值大小对微分环节锁相环的动态性能有一定的影响。因此将其配置为一个无阻尼振荡控制器，阻尼系数选取最优值0.707。得到k
p
、ki的值分别为k
p
＝1.726、ki＝2.56
×
106。在此基础上设计的锁相环系统有很好的瞬态响应，且稳态精度高，拥有较宽的带宽，锁频范围大。
[0054]
进一步地，进行仿真实验以验证超声波电源谐振频率跟踪方法的性能，将微分传递函数转化成差分传递函数，即：
[0055]
式中，h为积分步长，分析得两闭环极点位于单位圆内，所以构造的闭环系统稳定。
[0056]
通过上述仿真验证了所设计的微分环节锁相环的跟踪性能，当超声波电源工作在稳定状态下时，电流和电压的相位图如图6所示，逆变输出端及负载端电压和电流同相位，从图中可以看出0.85ms即进入稳定状态，且最终谐振频率稳定在1.1mh左右，如图7所示。通过比较参考信号与控制信号的大小得到跟踪误差如图8所示，误差为
±1×
10-11。
[0057]
综上，本发明通过对微分环节锁相环进行精确设计，将对换能器采样的电流信号与压控振荡器输出的控制信号通过线性计算得出相位差信号，结合pi调节器的控制作用，使得大功率超高频超声波电源输出频率能快速跟踪换能器输出的谐振频率。
[0058]
基于上述超声波电源谐振频率跟踪方法，本发明还公开了一种超声波电源谐振频率跟踪系统。
[0059]
上述超声波电源谐振频率跟踪系统包括串联匹配电路、换能器、电流检测电路、微分环节锁相环和pwm信号生成器。上述串联匹配电路连接在超声波电源与换能器之间，上述串联匹配电路为对称的lc串联匹配电路，通过上述串联匹配电路能够对超声波电源的输出频率和换能器的谐振频率进行匹配的初调节。
[0060]
上述电流检测电路与换能器连接以检测换能器输出的电流信号。上述电流检测电路的输出端与所微分环节锁相环的输入端连接，微分环节锁相环的输出端与pwm信号生成器的输入端连接，根据微分环节锁相环的输出信号pwm信号生成器生成驱动信号以调整超声波电源的输出频率。
[0061]
其中，微分环节锁相环包括依次连接的微分鉴相器、pi控制器和压控振荡器。上述电流检测电路的输出端与微分鉴相器的输入端连接，压控振荡器的输出端与pwm信号生成器的输入端连接。pwm信号生成器设置在超声波电源内，pwm信号生成器优选为dds信号发生器，dds信号发生器内设置芯片ad9850。
[0062]
通过构建微分环节锁相环，采用dds信号发生器结合微分环节锁相环实现闭环控制，超声波电源的输出频率能够快速地跟踪换能器的谐振频率的变化，使得超声波电源工作在谐振状态下，构思精巧，跟踪性能好且易实现。
[0063]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0064]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0065]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0066]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0067]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变
动仍处于本发明创造的保护范围之中。