基于FPGA雙超聲振子頻率跟蹤技術(shù)的研究

楊 軍，郭鐘寧，姚 震，溫凱林

（廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，廣東廣州510006）

基于FPGA雙超聲振子頻率跟蹤技術(shù)的研究

楊 軍，郭鐘寧，姚 震，溫凱林

（廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，廣東廣州510006）

為解決傳統(tǒng)單超聲、無超聲生物質(zhì)壓縮技術(shù)的不足，提出了利用單個超聲電源同時驅(qū)動兩個超聲振子的新方法，即雙超聲同步壓縮生物質(zhì)技術(shù)。結(jié)合單超聲振子諧振特性，在分析雙超聲振子諧振特性的基礎(chǔ)上，得出雙超聲振子并聯(lián)后的諧振特性可等效為單超聲振子的諧振特性。采用基于FPGA的最大電流法和相位差法相結(jié)合的方法實現(xiàn)頻率自動跟蹤功能，設(shè)計了電壓電流相位采樣電路和電流大小采樣電路。通過雙超聲同步壓縮生物質(zhì)實驗，驗證了該頻率跟蹤方式的有效性。

雙超聲振子；頻率跟蹤；FPGA

傳統(tǒng)的生物質(zhì)壓縮技術(shù)主要有螺桿擠壓成形、活塞沖壓成形和壓輥式成形等，且各自都有明顯的缺點，難以實現(xiàn)低成本制造［1］。超聲壓縮生物質(zhì)技術(shù)能大幅提高生物質(zhì)壓塊的密度、強度、抗沖擊性和預(yù)處理效率，但單向超聲振子壓縮技術(shù)存在壓縮效率偏低、壓塊厚度有限、壓塊的頂?shù)撞恐旅苄圆灰恢录疤蓟F(xiàn)象嚴重等問題，故本文采用雙超聲同步壓縮生物質(zhì)技術(shù)，其原理是單個超聲電源同時驅(qū)動兩個性能相近的振子。在整個超聲壓縮纖維素生物質(zhì)的過程中，超聲壓縮驅(qū)動電源是影響生物質(zhì)壓縮效果的重要因素之一，所以提供一臺穩(wěn)定、可靠、高效、經(jīng)濟的智能化超聲電源是極有意義的。

圖1是雙超聲壓縮生物質(zhì)的流程。在壓縮過程中，隨著負載的增加，超聲振子的溫度會發(fā)生變化，動態(tài)參數(shù)也會發(fā)生變化，且還會存在頻率漂移現(xiàn)象，這就會使電源工作在非諧振狀態(tài)，導(dǎo)致工作效率降低。

圖1 雙超聲壓縮生物質(zhì)的流程

國內(nèi)外對超聲振子頻率跟蹤的研究很多，常用的方法主要有聲反饋法和電反饋法［2］。聲反饋法就是采集超聲振子工作時的聲信號，由于經(jīng)濟效益不高，故應(yīng)用較少。電反饋法就是采集超聲振子工作時的電信號來反映振子的諧振特性，主要包括鎖相法、最大電流法和復(fù)合頻率跟蹤方式等。車保川、屈百達［3-4］研究了基于74HC4046高速模擬鎖相環(huán)和數(shù)字鎖相環(huán)的超聲發(fā)生器。董惠娟等［5］研究了以電流信號作為反饋信號的超聲發(fā)生器。李小雪等［6］設(shè)計了先掃頻、后跟蹤的頻率跟蹤策略，即先利用電流反饋將超聲發(fā)生器的輸出頻率達到諧振頻率點附近，再通過相位反饋找到諧振頻率點。本文通過分析雙超聲振子等效模型，采用基于FPGA的最大電流法和相位差法相結(jié)合的方法實現(xiàn)頻率自動跟蹤功能。

1 雙超聲振子的諧振特性分析

超聲振動系統(tǒng)一般工作在諧振狀態(tài)，因為此時能量轉(zhuǎn)換效率較高，這就要求激勵必須在振動系統(tǒng)的諧振點附近工作。當超聲振子達到機械諧振狀態(tài)時，其等效電路見圖2。C0為壓電換能器的“受擋”電容，或稱為靜態(tài)電容；R1為動態(tài)電阻；L1為動態(tài)電感；C1為動態(tài)電容。其中，R1、L1和C1并非真正的電學(xué)量，而是由換能器的損耗、機械順序及質(zhì)量分別折算所得的等效參數(shù)，通常，這三者構(gòu)成的支路稱為機械臂，而C0組成的支路稱為電學(xué)臂。由電學(xué)知識可知，設(shè)激勵信號的角頻率為ω，在正弦信號的激勵下，超聲振子的總阻抗Z可寫作：

圖2 單個超聲振子諧振等效電路

在雙超聲振子同步壓縮過程中，一臺超聲電源需同時驅(qū)動由2個性能參數(shù)相同或相近的超聲振子所組成的超聲振動系統(tǒng)。雙超聲振子壓縮系統(tǒng)的壓縮效果主要是由超聲振子的性能參數(shù)決定的，如果2個超聲振子的性能參數(shù)相差較大，將難以實現(xiàn)在同一個振幅內(nèi)進行振動，最終會對壓縮效果產(chǎn)生很大的影響。當雙超聲振子達到機械諧振狀態(tài)時，即2個單獨的振子都處于諧振狀態(tài)，其等效電路見圖3。

圖3 雙超聲振子并聯(lián)諧振等效電路

假設(shè)2個振子特性一致，通過計算可得出：

且雙超聲振子的總阻抗Z等于單個振子總阻抗的一半。利用Matlab分別對單個及并聯(lián)后的振子頻率特性進行仿真，圖4是超聲振子并聯(lián)前后的幅頻特性和相頻特性的變化情況?？煽闯?，2個振子并聯(lián)后的幅頻特性與單個振子幅頻特性相似，而其相頻特性與單個振子相頻特性也一致。

圖4 超聲振子的頻率特性

為了驗證仿真的可靠性，用阻抗分析儀分別對并聯(lián)前后的2個超聲振子進行了測量，其阻抗特性見圖5。通過觀察可得出，單振子和并聯(lián)后的雙振子其幅頻特性及相頻特性與仿真結(jié)果很接近。由表1所列單振子和并聯(lián)后的雙振子參數(shù)也可看出，雙超聲振子的串聯(lián)諧振頻率fs及并聯(lián)諧振頻率fp與單振子的諧振頻率相差不大。因此，并聯(lián)后的雙振子諧振特性與單個振子諧振特性相近，故可利用單個振子的頻率跟蹤系統(tǒng)及匹配方式的原則對并聯(lián)后的雙振子實現(xiàn)頻率跟蹤和匹配。

表1 超聲振子參數(shù)表

2 系統(tǒng)工作原理

雙超聲驅(qū)動電源電路系統(tǒng)原理見圖6，主要包括FPGA控制系統(tǒng)、整流濾波電路、Buck調(diào)功電路、半橋逆變電路、驅(qū)動電路、匹配電路、電流電壓采樣電路及保護電路等。FPGA控制系統(tǒng)采用Altera的四代Cyclone IVE系列產(chǎn)品，它作為核心處理器，采集超聲振子的電壓電流相位信號和電流大小信號，并對采集的信號進行處理，實現(xiàn)頻率跟蹤功能。同時，設(shè)計了如圖7所示的人性化交互界面，通過觸碰觸摸屏上的開啟、掃頻、復(fù)位等按鈕，實現(xiàn)對電源的控制，且能實時顯示電源工作狀態(tài)，提高電源的智能化程度。

圖5 超聲振子阻抗分析

圖6 系統(tǒng)原理圖

3 頻率搜索及頻率跟蹤策略

3.1 相位和電流大小采樣電路的設(shè)計

超聲電源系統(tǒng)采用最大電流法和相位差法相結(jié)合的方法實現(xiàn)頻率自動跟蹤，因此設(shè)計了相位采樣電路和電流大小采樣電路。

圖7 人機交互界面

相位采樣電路主要包括有源濾波電路、過零比較電路、隔離電路和鉗位限幅電路等。首先，用電流互感器TAK12-02采集電流信號、用電阻分壓法采集電壓信號，經(jīng)過LF353運算放大器有源濾波濾掉信號中的高次諧波，加強后面電路的驅(qū)動能力；其次，電壓電流采樣信號在過零電壓比較器和施密特觸發(fā)器CD4093的共同作用下形成兩路方波信號，高速光耦隔離芯片6N137對方波信號進行隔離，主要作用是加強信號的抗干擾性能；最后，通過鉗位限幅電路，保證輸出信號在0-3.3V之間，滿足控制系統(tǒng)電平的要求。

電流大小采樣電路采用真有效值轉(zhuǎn)換芯片AD637和采樣芯片TLV1572，主要由真有效值轉(zhuǎn)換電路和TLV1572采樣電路組成。真有效值轉(zhuǎn)換電路是利用AD637真有效值轉(zhuǎn)換芯片將采集的電流信號轉(zhuǎn)換為直流信號，AD637是一個完整的高精度單片轉(zhuǎn)化器，它能計算任何復(fù)雜波形的真有效值、平均值、均方值、絕對值，且能分貝輸出，具有高精度、寬頻帶及動態(tài)特性良好等特點。圖8是真有效值電路原理圖，在13引腳接電容10、0.1 uF，起到旁路作用；在15引腳接電解電容47 uF，可隔離直流信號；在6腳輸出dc真有效值。

圖8 真有效值轉(zhuǎn)換電路圖

TLV1572采樣電路是將真有效值轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化后的直流電流模擬信號轉(zhuǎn)化為能被FPGA控制系統(tǒng)識別的數(shù)字信號。TLV1572采樣電路主要包括HCNR201隔離電路和TLV1572采樣模塊。HCNR201是一款高精度線性光耦，具有成本低、非線性度低（0.01%）、穩(wěn)定度高、頻帶寬（＞1 MHz）、設(shè)計靈活等優(yōu)點。TLV1572是高速異步串行的10位A/D轉(zhuǎn)換芯片，功耗較低（3 V供電功耗3 mW，5 V供電功耗25 mW）；此芯片采用5 V供電，在時鐘速率為20 MHz時，轉(zhuǎn)換速率高達1.25 Msps。

3.2 頻率跟蹤策略

頻率跟蹤的目的是利用反饋技術(shù)調(diào)整超聲波發(fā)生器的輸出頻率，使其與換能器的諧振頻率匹配，從而使換能器始終工作在最佳狀態(tài)。在諧振點附近，反饋電流值較大；而遠離諧振點時，反饋電流值較小。因此，可利用反饋電流值將超聲發(fā)生器的輸出頻率達到諧振頻率點附近，再通過相位反饋找到諧振頻率點，于是，決定采用先根據(jù)電流大小進行掃頻、后通過相位差法跟蹤的頻率跟蹤策略。

利用QuartusⅡ軟件設(shè)計了頻率跟蹤模塊，主要包括掃頻模塊D1、鑒相模塊D2。掃頻模塊的原理是：先設(shè)定電流閾值I0和起始掃頻值start_frequency，然后點擊觸摸屏上的掃頻按鈕，電源開始掃頻并采集電流值I1。比較I0和I1的大小，如果I1＜I0，則改變輸出頻率，直到I1＞I0，此時，輸出頻率達到諧振頻率點附近。鑒相模塊是根據(jù)掃頻的輸出頻率采集電壓方波信號up和電流方波信號dn的上升沿。如果up超前dn，則輸出頻率以很小的定步長K減小，直到up和dn相位相同；如果up滯后dn，則輸出頻率以很小的定步長K增加，直到up和dn相位相同。此時，輸出的頻率就是超聲振子的諧振頻率點。

4 實驗

根據(jù)上述理論分析，設(shè)計了一臺500 W/29 kHz的超聲波電源，其換能器的諧振頻率為29 kHz。使用混合控制策略，通過雙超聲同步壓縮生物質(zhì)實驗對該電源進行測試，用泰克示波器觀察電源輸出的電流電壓波形是否同向，以此分析頻率跟蹤效果。圖9是超聲空載（未壓縮）過程的波形圖，此時超聲振子的諧振頻率為28.361 kHz。圖10是超聲加載（雙超聲壓縮）過程的波形圖，此時超聲振子的諧振頻率為29.559 kHz。當進行雙超聲壓縮時，超聲振子的性能發(fā)生了變化，諧振頻率開始漂移，輸出電流減小。超聲電源能準確地跟蹤超聲振動系統(tǒng)固有頻率的變化。

5 結(jié)論

圖9 超聲空載波形圖

等效為單個振子的諧振特性，可利用單個振子頻率跟蹤原則對雙超聲振子進行頻率跟蹤。采用基于最大電流和相位差法的頻率跟蹤方法，即先進行電流掃頻、后進行相位跟蹤的方式進行實驗，結(jié)果表明，設(shè)計的超聲波電源系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠性高，尤其在超聲壓縮過程中，當負載發(fā)生變化時，具有快速跟蹤負載諧振頻率的優(yōu)點，可使超聲波電源快速工作在諧振狀態(tài)，失諧現(xiàn)象低，在超聲波壓縮領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

圖10 超聲加載波形圖

［1］ 李源，張小輝，郎威，等.生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)的研究進展 ［J］.沈陽工程學(xué)院學(xué)報 （自然科學(xué)版），2009，5（4）：301-304.

［2］ 戴向國，傅水根，王先逵，等.旋轉(zhuǎn)超聲加工智能超聲波發(fā)生器的研究 ［J］.清華大學(xué)學(xué)報 （自然科學(xué)版），2002，42（2）：182-184.

［3］ 車保川，屈百達.基于74HC4046新型頻率跟蹤電路的研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2008（3）：188-190.

［4］ 屈百達，車保川.基于PI-DPLL的超聲波電源頻率控制電路的研究［J］.電力電子技術(shù)，2008，42（7）：46-45.

［5］ 董惠娟，張廣玉，董瑋，等.壓電超聲換能器電端匹配下的電流反饋式頻率跟蹤 ［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)報，2000，32（3）：115-122.

［6］ 李小雪，李平，汪東，等.夾心式壓電換能器的諧振頻率跟蹤方案設(shè)計［J］.應(yīng)用聲學(xué)，2009，28（4）：314-320.

Study on Dual-Ultrasonic Vibrator Frequency Tracking Technology Based on FPGA

Yang Jun，Guo Zhongning，Yao Zhen，Wen Kailing
（School of Electro-mechanical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

In order to solve the disadvantages of the technology of traditional single ultrasonic and non-ultrasonic vibration-assisted pelletizing of biomass，a new method of dual-ultrasonic vibrator driven by a single power supply is presented，which is named dual-ultrasonic synchronous vibrationassisted pelletizing of biomass technology.Through the analysis of the resonance characteristics of dual-ultrasonic vibrator compared with that of single ultrasonic vibrator，it is concluded that the characteristics of dual-ultrasonic vibrator can be equivalent to the characteristics of single ultrasonic vibrator.The compound automatic frequency tracking method of combining the maximum current and the difference of current and voltage phase based on FPGA is realized.Voltage and current phase sampling circuit and current sampling circuit were designed.The effectiveness of the compound frequency tracking method is verified by the experiment of dual-ultrasonic synchronous vibrationassisted pelletizing of biomass.

dual ultrasonic vibrator；frequency tracking；FPGA

TG663

A

1009－279X（2015）06－0041-04

2015-09-07

國家自然科學(xué)基金資助項目（500120068）；國家重點實驗室開放基金資助項目（500130026）

楊軍，男，1989年生，碩士研究生。