超聲波電源控制系統(tǒng)的研究

姜朝晨，王洪巖，高國(guó)麗

(吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，吉林 吉林 132101)

0 引言

隨著高新技術(shù)的發(fā)展與超聲技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，我國(guó)的超聲波技術(shù)研究已經(jīng)取得了非凡的成就。基于此領(lǐng)域的研究正逐步受到研究人員的重視，但其仍存在一些不足，主要體現(xiàn)在：穩(wěn)定性不高、精度差、質(zhì)量差、很容易老化、溫度趨勢(shì)嚴(yán)重、頻率跟蹤逐漸變慢、負(fù)載突然變化導(dǎo)致的失鎖、人與計(jì)算機(jī)之間的接口不方便、操作不方便、能量消耗比較大、沒(méi)辦通用法等。

結(jié)合發(fā)展現(xiàn)狀，如自動(dòng)駕駛操作系統(tǒng)、無(wú)線超聲波充電技術(shù)等，這些新測(cè)試對(duì)超聲波功率提供的新要求。與實(shí)踐相結(jié)合創(chuàng)造設(shè)計(jì)一個(gè)具有高精度、強(qiáng)穩(wěn)定性、耐久性強(qiáng)、克服溫度波動(dòng)、快速跟蹤智能頻率、人機(jī)友好界面、強(qiáng)集成和靈活控制，主動(dòng)消耗和超聲波電源的低功率將具有相當(dāng)大的意義。因此，對(duì)其進(jìn)行更深一步的研究就顯得尤為重要了。

1 超聲波電源的定義

一般超聲波電源被稱為超聲波發(fā)生源，超聲波發(fā)生器，主要由直流濾波電路、牽引逆變器電路、匹配電路、直流斬波電路、傳感器和反饋電路組成。硬件鏈包括服務(wù)調(diào)節(jié)鏈、BUCK轉(zhuǎn)換鏈、主逆變器鏈、控制主鏈、濾波器鏈和反饋主鏈。高功率超聲電源通常采用開(kāi)關(guān)形式來(lái)開(kāi)關(guān)電源以便于轉(zhuǎn)換效率更加節(jié)能。線性電源也有其獨(dú)特的應(yīng)用范圍，其優(yōu)點(diǎn)是可以不需要嚴(yán)格要求電路的相互匹配，在一定范圍內(nèi)允許工作頻率連續(xù)且快速的變化，如圖1所示。

圖1 超聲波電源系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

超聲波電源控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由超聲波電源硬件設(shè)計(jì)、超聲波電源軟件設(shè)計(jì)、超聲波電源仿真模型搭建3部分組成。

2.1 超聲波電源硬件設(shè)計(jì)

超聲波電源硬件設(shè)計(jì)包括主控制電路板、驅(qū)動(dòng)電路板、外圍電路、保護(hù)電路、反饋電路等電路模塊的設(shè)計(jì)。同時(shí)，還需對(duì)超聲波電源主電路中的相關(guān)器件參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

2.2 超聲波電源軟件設(shè)計(jì)

超聲波電源軟件設(shè)計(jì)包括控制主程序。在主控芯片系統(tǒng)中，采用頂層到底層設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了協(xié)議棧模塊、諧振頻率搜索模塊、頻率跟蹤模塊、PWM產(chǎn)生模塊，編寫(xiě)程序并分別仿真驗(yàn)證，驗(yàn)證頻率跟蹤方案的可行性。

2.3 超聲波電源仿真模型搭建

利用仿真MATLAB軟件搭建超聲波電源仿真模型并進(jìn)行調(diào)試，對(duì)仿真模型中的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行取值，依據(jù)移相角度、輸出波形圖、諧波含量等仿真結(jié)果來(lái)驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性及控制策略的可行性[1]。

3 項(xiàng)目研究方法

項(xiàng)目研究方法分析超聲波電源功能，確定總體方案。功能主要包括主電流的整流電路、逆變電路、匹配電路、調(diào)功方式、功率開(kāi)關(guān)。超聲波電源系統(tǒng)被分為主電路和電子控制兩個(gè)主要部分。主電路部分采用單相橋不可控整流感容濾波電路、負(fù)載匹配網(wǎng)絡(luò)、單相全橋逆變電路、BUCK斬波電路[2]。電子控制部分主要采用外圍電路、驅(qū)動(dòng)電路和采樣電路。所設(shè)計(jì)的超聲電源系統(tǒng)能夠滿足超聲波電源的性能指標(biāo)，使超聲電源能夠穩(wěn)定、正常工作。

3.1 整流電路

整流電路即把交流電轉(zhuǎn)換成直流電的電路。整流電路的大部分部件是濾波器、整流主電路和變壓器等。其主要功能之一是將交流側(cè)降壓電路的低壓交流輸出轉(zhuǎn)換為單向脈動(dòng)直流。整流電路廣泛應(yīng)用于直流電機(jī)通信系統(tǒng)電源、調(diào)速、同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)、電解電鍍等。整流電路根據(jù)不同的角度，按器件組成可分為5大類；按組成器件劃分為：不受控、半受控和完全受控3種電路；按電路結(jié)構(gòu)劃分為：橋接電路和零式電路；按交流側(cè)輸入相數(shù)劃分為：?jiǎn)蜗唷⑷嗪投嘞嚯娐罚话醋儔浩鞫坞娏鞣较騽澐譃椋簡(jiǎn)蜗蚝碗p向，其中又分單拍電路和雙拍電路；按控制方式劃分為：相控電路和斬波電路。所以，整流電路的分類和應(yīng)用非常廣泛。電源電路中的整流電路主要包括半波整流電路、全波整流電路和橋式整流電路三種電路[3]。

3.2 逆變電路

逆變電路是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的電路，與整流電路相對(duì)應(yīng)，有源逆變器是交流端連接到電源；當(dāng)交流側(cè)直接連接到負(fù)載時(shí)，則為無(wú)源逆變器。在各種直流電源中有干電池、太陽(yáng)能電池、蓄電池等。當(dāng)需要這些電源向交流側(cè)負(fù)載供電時(shí)，需要上述逆變電路。此外，不間斷電源，變頻器用于交流電機(jī)調(diào)速，感應(yīng)加熱電源等電力電子設(shè)備也得到了廣泛的應(yīng)用，其電路的核心內(nèi)容多為逆變電路[4]。可見(jiàn)，各逆變電路也廣泛應(yīng)用于大型電子領(lǐng)域。在控制電路的控制下，中間直流電路輸出的直流功率轉(zhuǎn)換為頻率和電壓，兩者都是交流電源的任意可調(diào)是其主要意義。逆變電路的分類大致可以分為5類，再細(xì)分為換向模式分類、單相分類且多相逆變器按輸出相數(shù)劃分，正弦和非正弦逆變器按輸出電流波形劃分，具有自關(guān)閉能力完全控制裝置和不依賴開(kāi)斷能力的半控制裝置由主電路裝置劃分，電壓和電流類型由直流電源特性劃分。

3.3 頻率跟蹤控制

頻率跟蹤控制運(yùn)用頻率跟蹤方法，結(jié)合PID控制算法，提出頻率自動(dòng)跟蹤控制方案，以設(shè)計(jì)的控制方案為中心，對(duì)控制系統(tǒng)軟件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。制作每個(gè)模塊的程序流程圖，并制作主程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、PID控制程序等。

3.4 調(diào)功方式

在超聲波電源的工作過(guò)程中，因?yàn)楣ぜ臏囟取⑼饨绲沫h(huán)境、工況等一系不可控的外界因素導(dǎo)致?lián)Q能器電氣特性發(fā)生變化，導(dǎo)致?lián)Q能器振幅下降。為保證工件加工質(zhì)量，需提高驅(qū)動(dòng)電壓保證恒功率輸出。

調(diào)節(jié)功率的方法有很多，常用的方式可分為直流側(cè)功率調(diào)節(jié)和逆變側(cè)功率調(diào)節(jié)。可根據(jù)不同的應(yīng)用情況選擇不同的功率調(diào)節(jié)方法，以滿足不同的要求[5]。

筆者研究了BUCK電路的功率調(diào)節(jié)算法，通過(guò)仿真試驗(yàn)說(shuō)明了滑模變結(jié)構(gòu)算法應(yīng)用于電源功率調(diào)節(jié)的優(yōu)越性。為了進(jìn)一步提高超聲波電源的穩(wěn)定性，本文采用二階Super-Twisting控制算法解決傳統(tǒng)滑模控制算法中存在的輸出抖振問(wèn)題，并通過(guò)仿真比較驗(yàn)證了該算法的優(yōu)越性。

3.5 MATLAB搭建仿真模型

MATLAB搭建仿真模型利用MATLB軟件建立超聲電源仿真模型。首先，對(duì)PWM功率調(diào)節(jié)進(jìn)行分析，對(duì)負(fù)載變化時(shí)的系統(tǒng)頻率跟蹤進(jìn)行仿真分析，并對(duì)變步長(zhǎng)控制算法下的頻率跟蹤進(jìn)行仿真。其次，搭建主控芯片實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試和實(shí)驗(yàn)分析。

4 擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題

為了使超聲波換能器驅(qū)動(dòng)電源獲得更優(yōu)的驅(qū)動(dòng)效果，以滿足實(shí)際工程應(yīng)用的需求，在研制超聲波電源的過(guò)程中，有必要對(duì)其中一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究。本人簡(jiǎn)要分析了頻率跟蹤技術(shù)、功率調(diào)制控制技術(shù)和阻抗匹配技術(shù)。

(1)硬件電路設(shè)計(jì)包括超聲波電源主控電路板、驅(qū)動(dòng)電路板、外圍電路、保護(hù)電路、反饋電路等電路模塊。

(2)當(dāng)超聲電源驅(qū)動(dòng)換能器負(fù)載時(shí)，由于各種原因，負(fù)載的參數(shù)往往發(fā)生不同程度的變化，導(dǎo)致負(fù)載的諧振頻率發(fā)生相應(yīng)的變化。如果驅(qū)動(dòng)電源的工作頻率仍然固定在以前的諧振狀態(tài)，電源的輸出頻率和負(fù)載的諧振頻率會(huì)有一定的差異，這必然會(huì)導(dǎo)致電源的工作效率不高，驅(qū)動(dòng)效果不理想。因此，驅(qū)動(dòng)電源必須具有頻率自動(dòng)跟蹤功能，才能實(shí)時(shí)跟蹤能量交換器負(fù)載的諧振頻率變化，獲得更高的功率因數(shù)。仿真軟件控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)搭建仿真模型，對(duì)帶有死區(qū)時(shí)間的驅(qū)動(dòng)波形、PID控制參數(shù)值的設(shè)定及頻率自動(dòng)跟蹤控制[6]。

5 應(yīng)用市場(chǎng)調(diào)查

超聲波功率源的升級(jí)與電子電力器件更新?lián)Q代有著很大的聯(lián)系，因此，超聲電源可分為管道放大器、晶體管模擬放大器和晶體管數(shù)字變換放大器3個(gè)階段。我國(guó)超聲波行業(yè)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，基本形成了充分競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)，但目前國(guó)產(chǎn)的超聲波電源系統(tǒng)產(chǎn)品價(jià)格較高，競(jìng)爭(zhēng)力相對(duì)激烈。市面上大部分的超聲波控制系統(tǒng)存在跟蹤速度慢、電源工作頻率及輸出功率不穩(wěn)定、半自動(dòng)化、使用壽命短等相關(guān)技術(shù)問(wèn)題。通過(guò)對(duì)超聲波控制系統(tǒng)的研究，基本實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波電源設(shè)計(jì)功率控制和頻率跟蹤控制技術(shù)在電氣控制連接中，PWM技術(shù)在諧振狀態(tài)下使用，并與易轉(zhuǎn)換技術(shù)一起使用，以減少設(shè)備損壞并校正輸出能量。當(dāng)頻率跟蹤時(shí)，為了克服監(jiān)測(cè)速度低的問(wèn)題，采用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)策略監(jiān)測(cè)數(shù)字相位上的自動(dòng)頻率，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)跟蹤頻率[7]。

本文運(yùn)用超聲波、跟蹤頻率、控制算法等技術(shù)設(shè)計(jì)的超波電源將改變傳統(tǒng)電源設(shè)計(jì)的模式，解決電源的工作頻率及輸出功率不穩(wěn)定問(wèn)題，減少人工調(diào)整，符合目前自動(dòng)化發(fā)展的要求，提高工作效率。

同時(shí)，針對(duì)傳統(tǒng)電源的不足之處，本文將結(jié)合超聲波技術(shù)、頻率跟蹤技術(shù)、控制算法等相關(guān)專業(yè)技術(shù)，研究設(shè)計(jì)一套可廣泛應(yīng)用的超聲波電源，對(duì)提高生成效率，促進(jìn)我國(guó)電源的發(fā)展意義重大，擁有十分廣闊的市場(chǎng)前景。

6 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目基于超聲波能量產(chǎn)生系統(tǒng)的研究，該系統(tǒng)提供了一種成功且實(shí)用的超聲波能量設(shè)計(jì)，分析了大功率器件的選擇和功率開(kāi)關(guān)輸出的波的特性及對(duì)控制方式和控制電子元件的抉擇。根據(jù)不同形式的數(shù)字控制技術(shù)所需要的不同的使用場(chǎng)合以及其功能特性所展示出來(lái)的差異性，可以得到在對(duì)超聲電源進(jìn)行進(jìn)一步研究的過(guò)程中，要對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)部分深入研究的結(jié)論。超聲波的不斷深入發(fā)展和各個(gè)領(lǐng)域的研究，科學(xué)的快速發(fā)展需要新一代穩(wěn)定、高效和強(qiáng)大的超聲波能源，即智能超聲波電源，一個(gè)智能化的超聲電源在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中具有不可或缺的地位。