基于電流搜索與鎖相技術(shù)的超聲碎石電源頻率掃描/跟蹤

張生芳，邢志超，馬付建，劉宇，沙智華(大連交通大學(xué)機械工程學(xué)院，遼寧大連116028)*

基于電流搜索與鎖相技術(shù)的超聲碎石電源頻率掃描/跟蹤

張生芳，邢志超，馬付建，劉宇，沙智華
(大連交通大學(xué)機械工程學(xué)院，遼寧大連116028)*

針對超聲碎石治療過程中因負載突變和換能器參數(shù)變化等因素導(dǎo)致的頻率漂移和失鎖問題，提出了一種基于電流搜索與鎖相技術(shù)復(fù)合的頻率掃描/跟蹤策略，采用基于DDS技術(shù)的電流搜索法進行粗掃描/跟蹤，以大步長快速掃描/跟蹤到超聲碎石振動系統(tǒng)的諧振頻率附近，轉(zhuǎn)為基于鎖相技術(shù)的精掃描/跟蹤，最終實現(xiàn)超聲碎石振動系統(tǒng)諧振頻率的快速精確掃描/跟蹤.根據(jù)該頻率掃描/跟蹤方法研制超聲碎石電源，并對其掃描/跟蹤性能進行測試，測試結(jié)果表明，運用這種控制方法的超聲碎石電源具有頻率掃描/跟蹤準(zhǔn)確、速度快等優(yōu)點.

超聲碎石電源;頻率掃描/跟蹤;電流搜索;鎖相技術(shù)

0 引言

目前，超聲碎石電源的掃描/頻率跟蹤方式主要有聲反饋和電反饋兩種方式，聲反饋實現(xiàn)起來比較復(fù)雜，目前很少使用.電反饋方法中應(yīng)用比較廣泛的是電流搜索法和鎖相環(huán)法.董惠娟等人采用了最大電流反饋法，根據(jù)諧振頻率下阻抗最小、電流最大的原理，很好的實現(xiàn)了換能器的頻率掃描/跟蹤［1］;李宏等人基于逆變器直流母線電流極性平均值能反應(yīng)工作頻率和電參數(shù)的原理，提出了通過電流搜索進行頻率掃描/跟蹤的方法［2］.另外，日本學(xué)者Hiroaki Ikeda等將鎖相環(huán)應(yīng)用在了運行頻率1 MHz的超聲波設(shè)備上，達到預(yù)期的掃描/跟蹤效果［3］;王艷東等人采用CD4046鎖相環(huán)對換能器工作頻率進行掃描/跟蹤并對其改進，避免鎖相環(huán)跟蹤死鎖情況出現(xiàn)［4］.本文提出一種鎖相環(huán)和基于DDS電流搜索復(fù)合控制的頻率掃描/跟蹤策略，即粗掃描/跟蹤采用基于DDS技術(shù)的電流搜索方法，將工作頻率快速掃描/跟蹤到諧振頻率附近;精掃描/跟蹤采用鎖相環(huán)技術(shù)將工作頻率快速鎖定在諧振頻率點上，實現(xiàn)頻率的精確掃描/跟蹤，最終完成超聲碎石電源的快速頻率掃描/跟蹤.

1 頻率粗掃描/跟蹤技術(shù)

1.1 DDS技術(shù)簡介

DDS技術(shù)是一種全數(shù)字化的頻率合成技術(shù)，具有頻率分辨率高，頻率切換速度快，且切換時相位連續(xù)，輸出相位噪聲低，以及能產(chǎn)生任意波形等優(yōu)點.

本文以C51單片機作為超聲碎石電源的控制器，采用AD9850型DDS芯片作為信號發(fā)生的直接頻率合成器.該芯片內(nèi)部的核心部分有相位累加器、數(shù)據(jù)寄存器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、波形存儲器和高速比較器，與單片機結(jié)合實現(xiàn)可編程控制的頻率合成，能產(chǎn)生正弦波、三角波、方波等輸出信號.通過單片機變換頻率控制字來改變AD9850的輸出頻率.它的輸出頻率與頻率控制字及參考時鐘之間有如下的關(guān)系［5］:

式中: fc為外部輸入?yún)⒖紩r鐘頻率( MHz) ; fout為輸出信號頻率( MHz).AD9850的最高時鐘支持125 MHz，此時輸出的最小分辨率可達到0.029 Hz.

1.2頻率粗掃描/跟蹤的實現(xiàn)

由換能器的頻率特性曲線可知，當(dāng)超聲碎石電源的工作輸出頻率與換能器的諧振頻率一致時，超聲碎石電源的輸出電流最大，所驅(qū)動超聲振動系統(tǒng)的振幅最大，系統(tǒng)處于最佳諧振工作狀態(tài).基于上述原理，我們采用基于DDS技術(shù)的電流搜索法來實現(xiàn)頻率粗掃描/跟蹤功能.

圖1 基于DDS電流搜索的頻率粗掃描/跟蹤流程圖

頻率粗掃描/跟蹤的軟件實現(xiàn)流程如圖1所示.電源啟動后先初始化頻率為f0，步進頻率為Δf，立刻進行DDS更新頻率f0，并記錄此時電流I0;然后進行相位位置關(guān)系判斷，當(dāng)采集的電壓相位超前于電流相位時，進行加頻率運算(反之，減頻率)，再次DDS頻率更新輸出f1，記錄對應(yīng)電流I1，這時對更新后I1和更新前I0進行比較:當(dāng)I1＞I0時，則反復(fù)迭代比較和頻率更新;直到I1＜I0時，即完成頻率粗掃描/跟蹤功能.此時的電流值I = I0已非常接近換能器的最大電流值，輸出頻率f = f0也已接近超聲碎石電源的諧振工作頻率.

2 頻率精掃描/跟蹤技術(shù)

2.1鎖相原理

能夠完成兩種電信號相位同步的自動頻率跟蹤閉環(huán)控制系統(tǒng)叫做鎖相環(huán)，簡稱PLL.鎖相環(huán)主要包括3個基本單元［6］:相位比較器PD、壓控振蕩器VCO和外接R、C組成的無源低通濾波器LPF.PLL功能框圖如圖2所示.

圖2 鎖相環(huán)原理

相位比較器一個外部輸入信號Ui與壓控振蕩器的輸出信號Uo進行比較，產(chǎn)生一個正比于Ui和Uo兩信號相位差的誤差輸出電壓Ue，經(jīng)低通濾波器濾除高頻分量后，得到一個控制電壓Ud，該電壓使VCO的輸出頻率f2改變，最終使f1= f2，即兩信號同頻同相時，VCO的控制電壓為一定值，這時輸出振蕩頻率不變，即達到鎖定狀態(tài).

2.2頻率精掃描/跟蹤的電路設(shè)計

鎖相環(huán)CD4046內(nèi)部的相位比較器I為異或門結(jié)構(gòu)，采用此相位比較器無法實現(xiàn)無相差的頻率跟蹤，且要求兩比較信號占空比均為50%，適用范圍受到限制;而比較器Ⅱ為信號上升沿控制的數(shù)字存儲網(wǎng)絡(luò)，它允許輸入非對稱波形，對信號占空比要求不高，具有很寬的頻率捕捉范圍，故本文采用相位比較器Ⅱ［7］.在實際電路中，由于隔離驅(qū)動、電流采集和電子器件的開關(guān)都需要反應(yīng)時間，致使驅(qū)動電壓Uo的相位滯后于負載電流Io一相角，因此需加入相位補償環(huán)節(jié)［8］.

本文設(shè)計了基于鎖相環(huán)PLL控制的頻率精掃描/跟蹤電路，如圖3所示.電容C1、電阻R1、R2和9腳的控制電壓共同決定了壓控振蕩器VCO的頻率輸出范圍;電阻R3、R4和電容C2構(gòu)成了鎖相環(huán)的環(huán)路低通濾波器;二極管D1、電容C3和電阻R5、R6組成了它激到自激的轉(zhuǎn)換電路，以解決電路起動瞬間不能自動入鎖的問題.對負載采集并經(jīng)整形濾波的電流信號( 14腳)和VCO的輸出信號( 4腳)進行比較，當(dāng)兩比較信號的相位差為零時，鎖相環(huán)鎖定;同時將產(chǎn)生的頻率振蕩信號反饋給前級，以驅(qū)動功放電路工作，形成閉環(huán)控制，進而達到頻率精掃描/跟蹤的目的.結(jié)石治療過程中，超聲碎石電源的輸出頻率會在換能器的諧振頻率附近變化，并在鎖相環(huán)的跟蹤下一直處于諧振工作狀態(tài).

圖3 基于CD4046的頻率精掃描/跟蹤電路設(shè)計

3 復(fù)合頻率掃描/跟蹤研究

3.1復(fù)合頻率掃描/跟蹤的原理分析

本文提出了一種基于電流搜索和鎖相技術(shù)復(fù)合的頻率粗精掃描/跟蹤的控制方法，其工作原理如圖4所示.

圖4 基于電流搜索與鎖相環(huán)的頻率掃描/跟蹤框圖

超聲碎石電源啟動后，首先采用基于DDS技術(shù)的電流搜索法掃描到超聲振動系統(tǒng)的諧振頻率附近，再通過鎖相環(huán)技術(shù)鎖定在諧振頻率上，使超聲碎石電源在該固有諧振頻率下開始結(jié)石治療工作.正常工作時電源的輸出頻率會在諧振頻率附近變化，并在鎖相環(huán)電路的跟蹤下一直處于諧振工作狀態(tài).當(dāng)系統(tǒng)溫度升高、參數(shù)變化或負載突變時引起鎖相環(huán)跟蹤失鎖時，這時立即啟動基于電流搜索的頻率粗跟蹤:通過搜索電流最大值點時諧振頻率的方法，快速的將工作頻率粗跟蹤到換能器諧振頻率附近，再利用鎖相環(huán)PLL進行頻率的精跟蹤控制，最終使超聲碎石電源鎖定在諧振頻率上工作，從而實現(xiàn)了超聲碎石電源的頻率粗精掃描/跟蹤控制.

3.2復(fù)合頻率掃描/跟蹤的實現(xiàn)

基于DDS電流搜索和鎖相環(huán)PLL復(fù)合的頻率掃描/跟蹤的控制流程如圖5所示.超聲碎石電源啟動后先掃描確認振動系統(tǒng)的固有諧振頻率，每次DDS頻率更新輸出后進行電流值I1和I0的比較判斷，當(dāng)更新后電流I1＞I0時，采用基于DDS電流搜索法進行頻率粗掃描/跟蹤到諧振頻率點附近，當(dāng)更新后電流I1＜I0時，采用鎖相環(huán)技術(shù)進行頻率精掃描/跟蹤到諧振頻率后保持輸出，超聲碎石電源正常工作.全過程中時刻進行鎖相環(huán)是否失鎖的判斷，一旦判斷得知鎖相環(huán)失鎖發(fā)生后，立刻啟動基于DDS電流搜索的頻率粗掃描/跟蹤功能;反之，鎖相環(huán)未失鎖時，系統(tǒng)則以鎖相環(huán)跟蹤到的頻率進行工作輸出，從而完成超聲碎石電源的頻率掃描/跟蹤控制.

圖5 頻率掃描/跟蹤的程序流程圖

4 實驗及結(jié)果分析

根據(jù)上述的理論研究與分析，研制了超聲碎石電源樣機，所用的超聲壓電換能器的諧振頻率為21.6 kHz，對提出的電流搜索與鎖相環(huán)復(fù)合控制的粗精頻率跟蹤方法進行試驗驗證.分別測得超聲碎石電源頻率失鎖和經(jīng)本文提出的粗精復(fù)合頻率跟蹤后鎖定后，并經(jīng)過整形濾波成方波的輸出電壓波形和輸出電流波形，如圖6所示.

由圖6中實驗波形和測量值的對比分析可知，經(jīng)復(fù)合頻率跟蹤前后的電壓電流相差分別為75.94°和1.920°，跟蹤后的電壓電流相位差接近為0，此時測得的負載電流值為最大;并且試驗過程中突加負載，超聲碎石電源系統(tǒng)能迅速、精確的跟蹤到振動系統(tǒng)的諧振頻率并鎖定.通過該試驗表明，本文提出的電流搜索和鎖相環(huán)復(fù)合控制的頻率跟蹤方法，能很好的實現(xiàn)頻率掃描/跟蹤功能.

5 結(jié)論

針對超聲碎石電源中因換能器參數(shù)變化、負載突變導(dǎo)致的頻率漂移和失鎖問題，提出了一種基于電流搜索和鎖相環(huán)相結(jié)合的粗精頻率跟蹤控制策略:先通過電流搜索的方法快速將工作頻掃描/跟蹤到鎖相范圍內(nèi)的諧振頻率附近，然后通過鎖相環(huán)精掃描/跟蹤到電壓與電流相位差為0的諧振狀態(tài).研制超聲碎石電源樣機，并進行掃描/跟蹤性能測試試驗，由試驗結(jié)果可知，應(yīng)用此跟蹤方法的超聲碎石電源能迅速、精確的跟蹤到振動系統(tǒng)的諧振頻率，可將相位差變化控制在2°之內(nèi)，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠;特別是在負載突變的情況下，系統(tǒng)能快速精準(zhǔn)的跟蹤到負載變化后的諧振頻率，使超聲振動系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài).

［1］董惠娟，張廣玉，董瑋.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)學(xué)報，2000，32( 3) : 115-117.

［2］李宏，王崇武，焦振宏.基于直流母線電流極性平均值的負載串聯(lián)諧振逆變器諧振頻率跟蹤方法［J］.西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010，28( 1) : 96-101.

［3］TAIJU S，HIROAKI I，HIROFUMI Y MEGASONIC.Transducer Drive Utilizing MOSFET DC-to-RFInverter with Output Power of 600W at 1 MHz［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，1999，46 ( 6) : 1159-1173.

［4］王艷東，李赫，王敏慧.鎖相環(huán)跟蹤超聲振動系統(tǒng)諧振頻率的改進［J］.聲學(xué)技術(shù)，2007，26( 2) : 253-256.

［5］馬付建.超聲輔助加工系統(tǒng)研發(fā)及其在復(fù)合材料加工中的應(yīng)用［D］.大連:大連理工大學(xué)，2013.

［6］車保川.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( 266) : 188-190.

［7］毛鴻.CD4046集成鎖相環(huán)在感應(yīng)加熱電源中的應(yīng)用［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，1997，10: 51-52.

［8］熊臘森，全亞杰.CD4046鎖相環(huán)在感應(yīng)加熱電源中的應(yīng)用［J］.電焊機，2000( 6) : 14-19.

Research on Frequency Scanning and Tracking of Ultrasonic Lithotripsy Power based on Current Search and Phase-Locked Technology

ZHANG Shengfang，XING Zhichao，MA Fujian，LIU Yu，SHA Zhihua
( School of Mechanical Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China)

Aiming at frequency drift and loss of lock problem caused by mutation load，and changes of transducer parameter and others in the process of ultrasonic lithotripsy，the composite of frequency scanning and tracking strategy based on current searching and phase-locked technique is presented.The method of current search based on DDS technology for coarse scanning and tracking is used to scan and track quickly to reach the resonant frequency of ultrasonic lithotripsy vibration system by large step.Then fine scanning and tracking based on phase-locked technology is applied to achieve the rapid，and accurate scanning and tracking in resonant frequency of the ultrasonic lithotripsy vibration system.Ultrasonic lithotripsy power is manufactured according to this frequency scanning and tracking method.Performance testing of the ultrasonic lithotripsy power is completed，which shows that while frequency scanning and tracking，this kind of ultrasonic lithotripsy power has the advantages of accuracy and celerity.

ultrasonic lithotripsy power; frequency scanning and tracking; current search; phase-locked technology

A

1673-9590( 2016) 01-0101-04

2015-03-10

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃資助項目( 2015AA043402) ;遼寧省自然科學(xué)基金資助項目( 2014028019) ;遼寧省教育廳高等學(xué)?？茖W(xué)研究計劃資助項目( L2014181) ;遼寧省博士啟動基金資助項目( 20131013)

張生芳( 1973－)，男，教授，博士，主要從事CAD/CAM、難加工材料加工技術(shù)的研究

E-mail: zsf@ djtu.edu.cn.