基于頻率搜索和跟蹤的壓電超聲電源設(shè)計(jì)

陳旺武，劉運(yùn)毅

(廣西大學(xué)計(jì)算機(jī)與電子信息學(xué)院，廣西 南寧 530000)

潔牙機(jī)的超聲電源是一種由電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置，依靠振蕩電路產(chǎn)生高頻交變電信號(hào)，利用逆壓電效應(yīng)驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷換能器，使其隨交變電信號(hào)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，當(dāng)交變電信號(hào)頻率與換能器的諧振頻率相一致時(shí)，換能器發(fā)生諧振振動(dòng)，從而輸出最大機(jī)械能。

目前國(guó)內(nèi)外的超聲電源設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)大多采用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，該方案穩(wěn)定、可靠，但存在不足[1－2]:①壓電陶瓷換能器的諧振頻帶范圍很窄，基本都在100 Hz 左右，搜索步進(jìn)過(guò)大難以搜到諧振點(diǎn)頻率，步進(jìn)過(guò)小增加搜頻時(shí)間，降低設(shè)備的靈敏度；②長(zhǎng)時(shí)間工作下?lián)Q能系統(tǒng)的諧振頻率點(diǎn)會(huì)隨著負(fù)載狀態(tài)改變、大功率器件發(fā)熱溫度升高而發(fā)生諧振頻率漂移，導(dǎo)致?lián)Q能器的諧振減弱甚至停振。

針對(duì)這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)采用半橋式逆變功率放大電路，配合壓控調(diào)壓電路控制輸出功率，降低了大功率器件的發(fā)熱量；根據(jù)諧振狀態(tài)下反饋電流最大的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)變步長(zhǎng)法搜索最大反饋電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)諧振頻率進(jìn)行快速搜索；并利用換能器兩端的電壓電流相位差關(guān)系，實(shí)時(shí)監(jiān)控?fù)Q能系統(tǒng)的諧振狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生諧振頻率漂移時(shí)，單片機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)振蕩電路的工作頻率，使電壓電流相位差為零，保持系統(tǒng)工作在諧振狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)諧振頻率的自動(dòng)跟蹤。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)壓電陶瓷換能器的特性可知[3]，當(dāng)換能器處于諧振狀態(tài)時(shí)，其等效電路的阻抗最小，回路中的電流最大。因此利用單片機(jī)的AD 采樣來(lái)搜索反饋電流最大值所對(duì)應(yīng)的諧振頻率點(diǎn)，且設(shè)計(jì)變步長(zhǎng)的搜頻算法[4]，使系統(tǒng)快速搜索到諧振頻率，同時(shí)利用換能器兩端電流電壓的相位差關(guān)系，采用PID 控制原理自動(dòng)跟蹤諧振頻率[5]，使系統(tǒng)工作在諧振狀態(tài)。系統(tǒng)框架圖如圖1 所示。

圖1 超聲電源系統(tǒng)框架圖

超聲電源由STM32 單片機(jī)產(chǎn)生占空比可控的PWM，輸出電壓控制以TL494 為核心的振蕩電路產(chǎn)生頻率變化的脈沖振蕩信號(hào)，將其輸送到逆變功率放大電路，產(chǎn)生高壓交變振蕩信號(hào)，驅(qū)動(dòng)換能器轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)。當(dāng)輸出的脈沖振蕩信號(hào)頻率與換能器的諧振頻率相同時(shí)，回路中的反饋電流最大，由單片機(jī)AD 采樣分析找到該頻率點(diǎn)，并以此作為諧振頻率。單片機(jī)通過(guò)SPI 調(diào)節(jié)數(shù)字電位器MCP41010 的阻值，控制逆變功率放大電路的輸入電壓，調(diào)節(jié)輸出功率的大小。在工作過(guò)程中，實(shí)時(shí)采集流經(jīng)換能器的電流及兩端的電壓信號(hào)，經(jīng)數(shù)字鑒相電路檢測(cè)出相位差，并將相位差信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行PID 分析控制[6]，以調(diào)節(jié)振蕩電路產(chǎn)生的脈沖振蕩信號(hào)頻率，使其處于諧振頻率的范圍內(nèi)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用AC 220 V 輸入，經(jīng)降壓、整流和濾波后輸出電壓約為DC 24 V。本設(shè)計(jì)采用降壓穩(wěn)壓芯片MCP16331T 實(shí)現(xiàn)DC 轉(zhuǎn)換，擁有寬電壓輸入，可調(diào)電壓輸出，可以配置電路分別輸出DC 12V 和DC 5V，滿足系統(tǒng)的用電需求。同時(shí)，根據(jù)單片機(jī)等芯片的供電要求，設(shè)計(jì)采用LM1117－3.3 電源芯片轉(zhuǎn)換DC 5V 到DC 3.3 V。

2.2 振蕩電路

振蕩信號(hào)的產(chǎn)生有多種方法，最直接簡(jiǎn)便的方法是利用單片機(jī)輸出PWM，但該方法存在缺陷:輸出功率不足以驅(qū)動(dòng)功率管工作，抗干擾能力差，不利于控制電路的穩(wěn)定工作。為此，本設(shè)計(jì)采用一種脈寬調(diào)制芯片TL494 產(chǎn)生脈沖振蕩信號(hào)[7]。振蕩信號(hào)由TL494 的9 腳和10 腳輸出，該信號(hào)的頻率由TL494 5 腳的外接電容CT和6 腳的外接電阻RT來(lái)決定，振蕩頻率與外接電阻電容的關(guān)系式為:

由此可知，控制TL494 的6 腳電壓可以控制振蕩頻率變化，因此設(shè)計(jì)采用單片機(jī)輸出占空比可調(diào)的PWM，經(jīng)多級(jí)濾波和運(yùn)放輸出控制電壓來(lái)控制TL494 的6 腳電壓，實(shí)現(xiàn)脈沖振蕩信號(hào)頻率的調(diào)節(jié)。

2.3 逆變功率放大電路

由于壓電陶瓷換能器的驅(qū)動(dòng)電壓VPP一般在150 V～400 V 間，因此需要對(duì)TL494 輸出的脈沖振蕩信號(hào)進(jìn)行升壓才能驅(qū)動(dòng)換能器工作。因功率管瞬間流過(guò)的電流可達(dá)1.1 A，為減少功率管發(fā)熱，設(shè)計(jì)采用雙MOSFET 管半橋式逆變升壓[8－9]，由脈沖振蕩信號(hào)控制MOSFET 管輪流導(dǎo)通，使逆變功率放大電路的輸入電壓周期性對(duì)稱分布在正負(fù)半周，經(jīng)高頻變壓器升壓變成峰峰值在150 V～400 V 的高頻振蕩信號(hào)，并送至換能器轉(zhuǎn)換為機(jī)械振蕩。實(shí)驗(yàn)證明，此逆變功率放大電路性能穩(wěn)定，發(fā)熱量少，滿足性能要求。圖2 為逆變功率放大電路設(shè)計(jì)。

圖2 逆變功率放大電路設(shè)計(jì)

2.4 振蕩強(qiáng)度控制

控制換能器的振蕩強(qiáng)度可通過(guò)控制TL494 輸出的脈沖信號(hào)寬度來(lái)實(shí)現(xiàn)，但會(huì)因此加大MOSFET管流過(guò)電流的時(shí)間而增加發(fā)熱量。本設(shè)計(jì)采用壓控調(diào)壓法調(diào)節(jié)逆變功率放大電路的輸入電壓大小，調(diào)節(jié)換能器的振蕩強(qiáng)度。如圖3 所示，首先設(shè)置TL494 振蕩電路輸出固定脈沖寬度的振蕩信號(hào)，接著單片機(jī)通過(guò)SPI 調(diào)節(jié)數(shù)字電位器MCP41010 的阻值大小，來(lái)調(diào)節(jié)電源芯片TPS54360 的5 腳電壓，以控制TPS54360 的8 腳輸出電壓[10]，從而控制逆變功率放大電路的輸入電壓，使振蕩信號(hào)經(jīng)逆變升壓后的輸出功率可調(diào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)換能器振動(dòng)強(qiáng)度的控制。

圖3 控制原理

2.5 反饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)振蕩電路產(chǎn)生的振蕩信號(hào)頻率與換能器的諧振頻率相同時(shí)，換能器發(fā)生諧振振動(dòng)，此時(shí)流過(guò)MOSFET 管的電流最大。根據(jù)此特點(diǎn)，設(shè)計(jì)反饋電流采樣系統(tǒng)，單片機(jī)輸出步進(jìn)的PWM 控制TL494產(chǎn)生頻率步進(jìn)變化的振蕩信號(hào)，利用精密采樣電阻使流經(jīng)MOSFET 管的電流轉(zhuǎn)換為電壓采樣信號(hào)，再通過(guò)濾波放大電路將電壓采樣信號(hào)放大，送入到單片機(jī)進(jìn)行AD 采樣[11]，得到電流反饋值。

由于系統(tǒng)會(huì)存在干擾，需要對(duì)反饋電流進(jìn)行多次AD 轉(zhuǎn)換并取平均值，以降低采樣誤差。對(duì)處理后的反饋電流值進(jìn)行大小比對(duì)，找到最大值，并記錄對(duì)應(yīng)的PWM 值，以該P(yáng)WM 值控制TL494 產(chǎn)生固定工作頻率的振蕩信號(hào)，輸出換能器的諧振頻率。

2.6 頻率自動(dòng)跟蹤設(shè)計(jì)

在工作過(guò)程中，實(shí)時(shí)對(duì)振蕩頻率進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)振蕩頻率偏離諧振頻率時(shí)，流經(jīng)換能器的電流和電壓之間會(huì)產(chǎn)生相位差[12]。如圖4 所示，設(shè)計(jì)采用相位檢測(cè)芯片AD8302 對(duì)相位差信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)[13]，將電流、電壓的采樣信號(hào)送入構(gòu)造相同的運(yùn)放電路，分別送入相位檢測(cè)芯片AD8302 的2 腳和6 腳，從AD8302 的10 腳輸出相位差的電壓信號(hào)，單片機(jī)對(duì)該相位差電壓信號(hào)進(jìn)行AD 采集，利用PID 控制原理，調(diào)節(jié)振蕩電路步進(jìn)振蕩信號(hào)的工作頻率接近至諧振頻率，實(shí)現(xiàn)頻率的自動(dòng)跟蹤。

圖4 自動(dòng)跟蹤電路設(shè)計(jì)

3 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)采用ST 公司的STM32F103C8T6，整體程序流程如圖5 所示，單片機(jī)調(diào)節(jié)PWM 占空比控制振蕩電路的頻率輸出，并采用變步長(zhǎng)算法尋找最大反饋電流，完成諧振頻率的自動(dòng)搜索；振蕩強(qiáng)度控制信號(hào)由MCP41010 控制輸出，反饋電流與相位差信號(hào)通過(guò)單片機(jī)AD 多次采樣測(cè)量。系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)諧振狀態(tài)，對(duì)相位差信號(hào)進(jìn)行PID 計(jì)算輸出控制信號(hào)，更新振蕩電路的振蕩頻率輸出，對(duì)系統(tǒng)的諧振頻率進(jìn)行自動(dòng)跟蹤。

圖5 系統(tǒng)整體程序流程圖

本文設(shè)計(jì)的變步長(zhǎng)搜頻方法，其程序流程如圖6所示。開(kāi)始搜索諧振頻率時(shí)，控制振蕩頻率的PWM值為1，檢測(cè)反饋電流值，記錄峰值電流i以及對(duì)應(yīng)的頻率值f(頻率值與PWM 值一一對(duì)應(yīng))。以Δf1作為步進(jìn)步長(zhǎng)，搜頻向右移動(dòng)，采集回路中的電流i1值，若i1>i，則令f＝f1，i＝i1，并繼續(xù)右移Δf1；若i1

圖6 變步長(zhǎng)的搜頻算法

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)前，選用型號(hào)為CC520 的阻抗分析儀，測(cè)量自研的壓電陶瓷換能器的性能參數(shù)，結(jié)果如圖7所示，圖中左邊的圓圈是導(dǎo)納圓，具有波峰與波谷的曲線為對(duì)數(shù)化的阻抗曲線，最低點(diǎn)為諧振點(diǎn)，最高點(diǎn)為反諧振點(diǎn)。圖中參數(shù)，該壓電陶瓷換能器的諧振頻率FS＝32 342 Hz，半功率點(diǎn)F1＝32 280 Hz 和F2＝32 399 Hz，并且有諧振頻帶F2－F1<120 Hz。

圖7 壓電陶瓷換能器的測(cè)量參數(shù)

實(shí)驗(yàn)中，控制工作頻率變化的PWM 值每步進(jìn)0x01，測(cè)量的頻率變化在30 Hz～40 Hz，滿足掃頻步進(jìn)要求，同時(shí)將每次搜頻從啟動(dòng)到完成的時(shí)間通過(guò)串口打印出來(lái)。系統(tǒng)通過(guò)自動(dòng)掃頻搜索到換能器工作頻率與FS＝32 342 Hz 的誤差如表1 所示。

表1 搜索的工作頻率與諧振頻率間的誤差

結(jié)果分析:實(shí)驗(yàn)中搜索到頻率值與阻抗分析儀測(cè)量出的頻率值誤差遠(yuǎn)小于120 Hz，且搜頻的響應(yīng)速度在0.3 s 左右，表明該超聲電源可以較為準(zhǔn)確快速地搜索到諧振頻率。

為了驗(yàn)證超聲電源諧振頻率跟蹤的效果和連續(xù)工作的穩(wěn)定性，在開(kāi)始實(shí)驗(yàn)時(shí)，設(shè)定超聲電源的輸出功率為20 W。系統(tǒng)啟動(dòng)穩(wěn)定工作后，測(cè)得換能器兩端電壓波形如圖8 所示，圖中橫坐標(biāo)表示波形的頻率，縱坐標(biāo)表示波形的電壓峰峰值，可以看到該波形的振蕩頻率為32 372 Hz，VPP值為244 V，波形光滑穩(wěn)定，每小時(shí)對(duì)超聲電源的輸出功率及對(duì)應(yīng)的工作頻率進(jìn)行記錄，其值見(jiàn)表2。

表2 電源輸出參數(shù)

圖8 輸出電壓波形圖

可以看出，超聲電源的輸出功率穩(wěn)定在20 W 左右，輸出頻率隨溫漂影響自動(dòng)在32.3 kHz～32.4 kHz范圍內(nèi)變化，實(shí)現(xiàn)了諧振頻率的自動(dòng)跟蹤。換能器工作過(guò)程中振蕩穩(wěn)定，可以長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作。實(shí)驗(yàn)證明該電源具有較好的頻率跟蹤能力，輸出功率穩(wěn)定，能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地工作。

5 結(jié)束語(yǔ)

由于壓電陶瓷換能器的諧振頻帶比較窄，搜頻步進(jìn)過(guò)快或過(guò)慢均不利于諧振頻率的搜索，同時(shí)超聲電源在能量轉(zhuǎn)換中會(huì)產(chǎn)生較大熱量，使系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間工作下易受溫漂影響而不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。針對(duì)這些問(wèn)題，通過(guò)基于反饋電流設(shè)計(jì)變步長(zhǎng)搜頻算法搜索諧振頻率，且利用相位差結(jié)合PID 控制原理跟蹤諧振頻率，并設(shè)計(jì)半橋式逆變功率放大電路和壓控調(diào)壓電路，在有效降低系統(tǒng)發(fā)熱量的同時(shí)對(duì)換能器的振蕩強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)表明，壓電陶瓷換能器諧振范圍在28 kHz～35 kHz 的情況下，該設(shè)計(jì)能較為準(zhǔn)確、快速地搜索到諧振頻率，且在工作過(guò)程中能實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)工作頻率，實(shí)現(xiàn)諧振頻率的自動(dòng)跟蹤，保證系統(tǒng)穩(wěn)定、長(zhǎng)時(shí)間地工作，對(duì)于壓電潔牙機(jī)超聲電源的設(shè)計(jì)提供一定的參考與應(yīng)用價(jià)值。