超聲電源頻率自動跟蹤系統設計

唐軍

摘要：近年來，功率超聲技術的應用在各行業得到了極大發展，功率超聲技術的關鍵在于功率超聲電源。超聲電源設計中，如何在電壓、電流信號波動強烈的情況下，完成信號波形的轉換是一個重要的課題。本文設計了一套穩定、可靠的取樣電路完成此功能，在此基礎上，利用邊沿處理算法得到相位差值，并利用該值完成了超聲電源頻率自動跟蹤系統的設計。經調試，系統能完成安全、可靠的運行。

關鍵詞：信號采集 功率超聲 頻率自動跟蹤

中圖分類號：TG439.9 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）08-0163-03

近年來，功率超聲在化學、化工、食品、生物、制糖、醫藥等學科得到了廣泛的應用。功率超聲系統由功率超聲電源和超聲換能器組成，功率超聲電源負責提供滿足超聲換能器諧振所需的電壓波形，而超聲換能器則在電壓波形的作用下，將此頻率的電能轉化為同頻率的機械振動，產生超聲波。超聲換能器有自身的諧振頻率，當功率超聲電源提供的電壓信號頻率為超聲換能器的諧振頻率時，在超聲換能器上能得到最大的輸出功率。

1 頻率自動跟蹤系統對功率超聲電源設計的重要意義

超聲換能器裝配過程中焊接的質量、壓緊壓電陶瓷所用的支撐軸上彈簧的壓緊程度等等都會影響到組裝好后的超聲換能器的參數，進而影響到其諧振頻率。此外，即便是同一只超聲換能器，隨著管道內介質屬性、介質溫度和介質壓強等工作環境的不同，都會在不同的狀態下有不同的諧振頻率。對于同一只超聲換能器，隨著工作時間的增加，出現壓電陶瓷容量降低的情況，而這個情況也必然導致超聲換能器諧振頻率的變化。

綜上所示，我們可以認為超聲換能器的諧振頻率變化是一個動態的過程，會隨著外界工作環境變化而改變。要保證在超聲換能器上得到最大功率輸出，必須在功率超聲設計之初就要考慮到頻率自動跟蹤系統的設計。

2 相位差測量與頻率自動跟蹤系統

超聲換能器在工作過程中，容易受到管道內介質屬性、介質溫度和介質壓強等工作環境變化的影響，而改變諧振頻率，如何通過快速利用電壓與電流的參數關系判定電路是否諧振，就是超聲電源設計中的一個重要課題。在此基礎上，利用測量電壓與電流的相位差的性質與大小，可以作為功率超聲電源調整電壓驅動頻率的依據，進而完成頻率自動跟蹤系統設計。

綜上所示，本設計將完成兩個部分的內容，第一是測量電壓與電流的相位差，其二是依據此相位差信號，作為系統調整輸出電壓驅動信號的依據。

3 頻率跟蹤系統方案設計

我們利用邊沿算法完成了相位差系統的測量，得到了相位差測量的兩個變量D和PhaseData，其中，D=0表示系統滯后，電路呈現出電容特性，D=1電路呈現出電感特性；PhaseData是經過修訂后得到的相位差值。圖1為我們設計的頻率自動跟蹤系統框圖。

在此系統中，U、I信號為采集自超聲換能器的電壓信號和電流信號，電壓信號進入電壓采集模塊之前為方波信號，但是其幅度不滿足我們設計要求，因此需要在電壓采集模塊中進行處理，電流信號為正弦信號，為滿足后續信號處理需要，也需要轉化為幅度滿足設計要求的方波信號。

4 電壓信號采集電路設計與電流信號采集電路設計

在功率超聲電路中，電壓信號的采集設計較為簡單，通過LM7171組成電壓跟隨器加光耦6N137即可完成如圖2所示。

經過此電路，來自于R2上的電壓信號波形與整個負載回路的電壓波形一致，此信號經過高速運放LM7171做一個電壓跟隨后，送入光耦，當此電壓脈沖信號為高電平時，光耦輸出端口得到的信號為低電平；電壓脈沖信號為低電平時，光耦輸出端口得到的信號為高電平。

電流信號的處理要復雜一些，與電壓信號相比，電流信號處理的最大不同就在于電流信號取出的波形為正弦波形，經過電壓跟隨器后，首先經過的是高性能比較器TLV3502將正選撥轉換為方波，再將此方波送入光耦6N137進行下一步的處理。這樣設計的目的在于盡可能減少正弦轉化到方波所利用的時間。與此同時，由于相位差的測量，在CPLD內部設計時有基于邊沿處理和基于中心點處理兩種算法，為便于算法切換，TLV3502的電壓參考端，將接到STM32的DAC端口進行控制如圖3所示。

STM32的DAC控制的依據在于經過峰值檢波電路檢測出的信號峰值如圖4所示。

STM32的ADC采集峰值檢波后的信號，得到信號峰值，再乘以一定系數送給DAC進而控制電流信號轉換后的寬度。采用邊沿處理算法，則將DAC取成0.2V，采用中心點算法則取系數為0.7，乘以ADC取得的之后，送入電流采樣電路作為比較器電壓基準。

5 邊沿處理相位差算法設計

圖5邊沿處理的相位差測量算法，是在CPLD完成的，STM32發出控制信號Send和RST，并取走相位差數據D與Phase_Data。

在此算法中，Volatage、ample為來自于取樣模塊轉換后的電壓與電流信號，clk為50MHz的時鐘信號。系統上電正常工作，將電壓信號Volatage和電流信號anple送到CPLD中，CPLD中，在每一個電壓信號Volatage 的上升沿讀取電流信號ample的值賦值給q（q_bar為取反），則：q=1時，表示的是電流超前的情況；q=0時，表示的是電流滯后的情況。至此，還需要解決第二個問題：超前滯后量的大小問題。為此，設計了一個計數器：Counternumber，其使能信號為CPLD輸出信號endcount_out，來自于U、I異或取反。當endcount_out為低電平時，中間變量countnumber開始計數，為高電平時停止計數。同時，ARM將endcount_out配置為上升沿觸發中斷信號，一旦ARM中斷被觸發，則發送一個send脈沖信號給CPLD，在send的上升沿，將countnumber里的數據發送到data端口，CPLD將data里的數據發送給ARM單片機，這時，ARM單片機向CPLD2發送一個rst信號，當rst信號為低電平時，把中間變量countnumber里的數據清零，為下一次的工作做準備。

6 頻率自動跟蹤系統設計

頻率自動跟蹤，我們放在CPLD中進行處理。處理的思路就是調整產生方波的周期值，通過調整此周期值，可以實現頻率的增減，完成頻率自動跟蹤的功能，具體流程如圖6。

圖6中，CunterDesign為產生方波的周期值，通過CPLD內部的計數器產生，每個CounterDisgen的“1”代表產生方波的周期為20ns的時間。通過測量相位差的變化，在得到控制信號HMI_Reset為1后，系統啟動頻率自動跟蹤功能。

7 系統調試

按照上述控制邏輯，我們設計了一套超聲電源的信號處理板。圖7為信號處理板實物圖，在這個信號處理板上，我們完成頻率自動跟蹤系統的設計，經過實際測試，結合落木源的IGBT驅動板，很好的完成了設計，達到了設計目的。

參考文獻

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