超聲電源頻率自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

唐軍

摘要：近年來(lái)，功率超聲技術(shù)的應(yīng)用在各行業(yè)得到了極大發(fā)展，功率超聲技術(shù)的關(guān)鍵在于功率超聲電源。超聲電源設(shè)計(jì)中，如何在電壓、電流信號(hào)波動(dòng)強(qiáng)烈的情況下，完成信號(hào)波形的轉(zhuǎn)換是一個(gè)重要的課題。本文設(shè)計(jì)了一套穩(wěn)定、可靠的取樣電路完成此功能，在此基礎(chǔ)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(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。經(jīng)調(diào)試，系統(tǒng)能完成安全、可靠的運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：信號(hào)采集 功率超聲 頻率自動(dòng)跟蹤

中圖分類號(hào)：TG439.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）08-0163-03

近年來(lái)，功率超聲在化學(xué)、化工、食品、生物、制糖、醫(yī)藥等學(xué)科得到了廣泛的應(yīng)用。功率超聲系統(tǒng)由功率超聲電源和超聲換能器組成，功率超聲電源負(fù)責(zé)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(zhuǎn)化為同頻率的機(jī)械振動(dòng)，產(chǎn)生超聲波。超聲換能器有自身的諧振頻率，當(dāng)功率超聲電源提供的電壓信號(hào)頻率為超聲換能器的諧振頻率時(shí)，在超聲換能器上能得到最大的輸出功率。

1 頻率自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)對(duì)功率超聲電源設(shè)計(jì)的重要意義

超聲換能器裝配過(guò)程中焊接的質(zhì)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(huì)影響到組裝好后的超聲換能器的參數(shù)，進(jìn)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(nèi)介質(zhì)屬性、介質(zhì)溫度和介質(zhì)壓強(qiáng)等工作環(huán)境的不同，都會(huì)在不同的狀態(tài)下有不同的諧振頻率。對(duì)于同一只超聲換能器，隨著工作時(shí)間的增加，出現(xiàn)壓電陶瓷容量降低的情況，而這個(gè)情況也必然導(dǎo)致超聲換能器諧振頻率的變化。

綜上所示，我們可以認(rèn)為超聲換能器的諧振頻率變化是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，會(huì)隨著外界工作環(huán)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(shè)計(jì)之初就要考慮到頻率自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2 相位差測(cè)量與頻率自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)

超聲換能器在工作過(guò)程中，容易受到管道內(nèi)介質(zhì)屬性、介質(zhì)溫度和介質(zhì)壓強(qiáng)等工作環(huán)境變化的影響，而改變諧振頻率，如何通過(guò)快速利用電壓與電流的參數(shù)關(guān)系判定電路是否諧振，就是超聲電源設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要課題。在此基礎(chǔ)上，利用測(cè)量電壓與電流的相位差的性質(zhì)與大小，可以作為功率超聲電源調(diào)整電壓驅(qū)動(dòng)頻率的依據(jù)，進(jìn)而完成頻率自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

綜上所示，本設(shè)計(jì)將完成兩個(gè)部分的內(nèi)容，第一是測(cè)量電壓與電流的相位差，其二是依據(jù)此相位差信號(hào)，作為系統(tǒng)調(diào)整輸出電壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)的依據(jù)。

3 頻率跟蹤系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

我們利用邊沿算法完成了相位差系統(tǒng)的測(cè)量，得到了相位差測(cè)量的兩個(gè)變量D和PhaseData，其中，D=0表示系統(tǒng)滯后，電路呈現(xiàn)出電容特性，D=1電路呈現(xiàn)出電感特性；PhaseData是經(jīng)過(guò)修訂后得到的相位差值。圖1為我們?cè)O(shè)計(jì)的頻率自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)框圖。

在此系統(tǒng)中，U、I信號(hào)為采集自超聲換能器的電壓信號(hào)和電流信號(hào)，電壓信號(hào)進(jìn)入電壓采集模塊之前為方波信號(hào)，但是其幅度不滿足我們?cè)O(shè)計(jì)要求，因此需要在電壓采集模塊中進(jìn)行處理，電流信號(hào)為正弦信號(hào)，為滿足后續(xù)信號(hào)處理需要，也需要轉(zhuǎn)化為幅度滿足設(shè)計(jì)要求的方波信號(hào)。

4 電壓信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)與電流信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

在功率超聲電路中，電壓信號(hào)的采集設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，通過(guò)LM7171組成電壓跟隨器加光耦6N137即可完成如圖2所示。

經(jīng)過(guò)此電路，來(lái)自于R2上的電壓信號(hào)波形與整個(gè)負(fù)載回路的電壓波形一致，此信號(hào)經(jīng)過(guò)高速運(yùn)放LM7171做一個(gè)電壓跟隨后，送入光耦，當(dāng)此電壓脈沖信號(hào)為高電平時(shí)，光耦輸出端口得到的信號(hào)為低電平；電壓脈沖信號(hào)為低電平時(shí)，光耦輸出端口得到的信號(hào)為高電平。

電流信號(hào)的處理要復(fù)雜一些，與電壓信號(hào)相比，電流信號(hào)處理的最大不同就在于電流信號(hào)取出的波形為正弦波形，經(jīng)過(guò)電壓跟隨器后，首先經(jīng)過(guò)的是高性能比較器TLV3502將正選撥轉(zhuǎn)換為方波，再將此方波送入光耦6N137進(jìn)行下一步的處理。這樣設(shè)計(jì)的目的在于盡可能減少正弦轉(zhuǎn)化到方波所利用的時(shí)間。與此同時(shí)，由于相位差的測(cè)量，在CPLD內(nèi)部設(shè)計(jì)時(shí)有基于邊沿處理和基于中心點(diǎn)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(jìn)行控制如圖3所示。

STM32的DAC控制的依據(jù)在于經(jīng)過(guò)峰值檢波電路檢測(cè)出的信號(hào)峰值如圖4所示。

STM32的ADC采集峰值檢波后的信號(hào)，得到信號(hào)峰值，再乘以一定系數(shù)送給DAC進(jìn)而控制電流信號(hào)轉(zhuǎn)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(diǎn)算法則取系數(shù)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(zhǔn)。

5 邊沿處理相位差算法設(shè)計(jì)

圖5邊沿處理的相位差測(cè)量算法，是在CPLD完成的，STM32發(fā)出控制信號(hào)Send和RST，并取走相位差數(shù)據(jù)D與Phase_Data。

在此算法中，Volatage、ample為來(lái)自于取樣模塊轉(zhuǎn)換后的電壓與電流信號(hào)，clk為50MHz的時(shí)鐘信號(hào)。系統(tǒng)上電正常工作，將電壓信號(hào)Volatage和電流信號(hào)anple送到CPLD中，CPLD中，在每一個(gè)電壓信號(hào)Volatage 的上升沿讀取電流信號(hào)ample的值賦值給q（q_bar為取反），則：q=1時(shí)，表示的是電流超前的情況；q=0時(shí)，表示的是電流滯后的情況。至此，還需要解決第二個(gè)問(wèn)題：超前滯后量的大小問(wèn)題。為此，設(shè)計(jì)了一個(gè)計(jì)數(shù)器：Counternumber，其使能信號(hào)為CPLD輸出信號(hào)endcount_out，來(lái)自于U、I異或取反。當(dāng)endcount_out為低電平時(shí)，中間變量countnumber開始計(jì)數(shù)，為高電平時(shí)停止計(jì)數(shù)。同時(shí)，ARM將endcount_out配置為上升沿觸發(fā)中斷信號(hào)，一旦ARM中斷被觸發(fā)，則發(fā)送一個(gè)send脈沖信號(hào)給CPLD，在send的上升沿，將countnumber里的數(shù)據(jù)發(fā)送到data端口，CPLD將data里的數(shù)據(jù)發(fā)送給ARM單片機(jī)，這時(shí)，ARM單片機(jī)向CPLD2發(fā)送一個(gè)rst信號(hào)，當(dāng)rst信號(hào)為低電平時(shí)，把中間變量countnumber里的數(shù)據(jù)清零，為下一次的工作做準(zhǔn)備。

6 頻率自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

頻率自動(dòng)跟蹤，我們放在CPLD中進(jìn)行處理。處理的思路就是調(diào)整產(chǎn)生方波的周期值，通過(guò)調(diào)整此周期值，可以實(shí)現(xiàn)頻率的增減，完成頻率自動(dòng)跟蹤的功能，具體流程如圖6。

圖6中，CunterDesign為產(chǎn)生方波的周期值，通過(guò)CPLD內(nèi)部的計(jì)數(shù)器產(chǎn)生，每個(gè)CounterDisgen的“1”代表產(chǎn)生方波的周期為20ns的時(shí)間。通過(guò)測(cè)量相位差的變化，在得到控制信號(hào)HMI_Reset為1后，系統(tǒng)啟動(dòng)頻率自動(dòng)跟蹤功能。

7 系統(tǒng)調(diào)試

按照上述控制邏輯，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套超聲電源的信號(hào)處理板。圖7為信號(hào)處理板實(shí)物圖，在這個(gè)信號(hào)處理板上，我們完成頻率自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，結(jié)合落木源的IGBT驅(qū)動(dòng)板，很好的完成了設(shè)計(jì)，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。

參考文獻(xiàn)

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