摘 要：頻率跟蹤是超聲波電源的一個(gè)重要特性。討論了超聲波清洗機(jī)中自動(dòng)頻率跟蹤的必要性，在介紹超聲波清洗機(jī)的主電路原理、PLL鎖相環(huán)原理的基礎(chǔ)上，利用單片機(jī)檢測(cè)超聲電源負(fù)載的電流、電壓的相位差，從而改變74HC4046 的輸出頻率，完成了變步長(zhǎng)頻率跟蹤軟件設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有很好的頻率跟蹤性能。

關(guān)鍵詞：超聲波電源;鎖相環(huán);頻率跟蹤;74HC4046;變步長(zhǎng)

中圖分類號(hào)：TB553 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004373X(2008)0318803

Study on New Frequency—tracking Circuit Based on 74HC4046

CHE Baochuan，QU Baida

(School of Communication and Control Engineering，Jiangnan University，Wuxi，214122，China)

Abstract：Frequency tracking is an important characteristic of ultrasonic power.In this paper，the necessity of frequency tracking in ultrasonic cleaning equipmens is discussed.Based on introduction on the principle of the mian circuit of the ultrasonic power supply for cleaning equipmens and the principle of PLL，the output frequency of 74HC4046 is changed by a single chip measuring the phase difference between volage and current.The software of adaptive tracking technique with varied frequency steps is completed.Fast and exact frequency tracking is realized.

Keywords：ultrasonic power;PLL;frequency—tracking;74HC4046;varied frequency steps

1 引 言

超聲波清洗機(jī)在許多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在軍事裝備和各種電子、機(jī)械、光學(xué)設(shè)備中。超身波發(fā)生器是超聲波清洗設(shè)備的重要組成部分，擔(dān)負(fù)著向超聲換能器提供超聲頻電能的任務(wù)。為了提高換能器的工作效率，不但要求發(fā)生器提供的電能有足夠的功率，而且要求頻率與換能器的諧振頻率一致。但是，對(duì)于超聲波清洗設(shè)備來說，除了換能器自身損耗發(fā)熱外，清洗液溫度也會(huì)傳至換能器，清洗槽中液面高度的變化或被清洗物件的變化也是難以避免的，這些因素都會(huì)引起換能器諧振頻率的漂移。如果不及時(shí)調(diào)整發(fā)生器的振蕩頻率，換能器的工作狀態(tài)就會(huì)發(fā)生變化，輕則效率下降，重則停止振動(dòng)。因此需要發(fā)生器具有自動(dòng)調(diào)節(jié)頻率的功能，即通常稱為自動(dòng)頻率跟蹤，簡(jiǎn)稱頻率跟蹤。

目前常用的頻率跟蹤方法有:人工調(diào)節(jié)頻率、聲跟蹤、電跟蹤和鎖相式頻率自動(dòng)跟蹤。前三種實(shí)現(xiàn)方法都比較簡(jiǎn)單，但他們各自有明顯的缺點(diǎn)：人工調(diào)節(jié)頻率不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤，頻率的調(diào)節(jié)需要人工干預(yù);電跟蹤和聲跟蹤都是采用反饋的方式來實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤，反饋信號(hào)的強(qiáng)度很難控制，常會(huì)因換能器參數(shù)的變化而變化。使用鎖相環(huán)的頻率跟蹤方法使得電路簡(jiǎn)單跟蹤性能得到很好的改善。最早開始使用CD4046鎖相環(huán)，采用模擬控制，而數(shù)字鎖相環(huán)的出現(xiàn)使得頻率跟蹤技術(shù)得到了更大的發(fā)展，但是在高頻段，數(shù)字化顯得力不從心，一般還只能采用模擬控制技術(shù)。由于CD4046速度上的局限性，故采用更高性能的74HC4046鎖相環(huán)，另外，本文采用了變步長(zhǎng)頻率跟蹤方法，保證了跟蹤的速度和精度，提高了超聲波清洗機(jī)的整機(jī)效果。

2 超聲波清洗機(jī)電源系統(tǒng)的組成

2.1 系統(tǒng)框圖

圖1是超聲波清洗機(jī)電源的系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖。其工作原理是單相交流電經(jīng)過控制整流和濾波，形成直流電，經(jīng)全橋逆變器實(shí)現(xiàn)直流電壓轉(zhuǎn)換為與換能器諧振頻率一致的交變電壓，逆變輸出正弦交變電流，再通過匹配網(wǎng)絡(luò)，送至負(fù)載換能器。當(dāng)逆變工作頻率等于換能器工作頻率時(shí)，換能器就可獲得最大的輸出功率。換能器是將超聲波電源輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能輸出，完成清洗功能。

電流采樣環(huán)節(jié)采樣高頻電流信號(hào)，利用霍爾傳感器取得電流有效值信號(hào)，經(jīng)過快速的A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)分析電流的有效值信號(hào)，通過D/A轉(zhuǎn)換輸出電壓控制壓控振蕩器的振蕩頻率，通過驅(qū)動(dòng)電路隔離驅(qū)動(dòng)，使全橋逆變器的工作頻率隨負(fù)載的諧振頻率變化而變化，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤的過程，使換能器工作于最佳狀態(tài)。

圖1 超聲電源系統(tǒng)

2.2 逆變主電路

高頻逆變電路是超聲波清洗機(jī)的核心，他的組成形式和控制方法決定了清洗機(jī)的性能。在這里提出采用一種新形式的電路，如圖2所示。

圖2逆變主電路

他是根據(jù)電流增強(qiáng)原理[1]，在傳統(tǒng)橋式逆變器的基礎(chǔ)上加入一個(gè)簡(jiǎn)潔的輔助網(wǎng)絡(luò)形成的移相控制全橋逆變換器。其中Q1 ，Q4構(gòu)成超前橋臂，Q2 ，Q3 構(gòu)成滯后橋臂，Lr是飽和電感，在開關(guān)管Q1 ，Q4開關(guān)過程中，他工作在線性狀態(tài)，這樣可防止開關(guān)管開關(guān)過程中原邊電流向相反方向變化太快。開關(guān)管開關(guān)過程結(jié)束后，他立即進(jìn)入飽和狀態(tài)，原邊電流很快上升到負(fù)電流，從而使占空比丟失大大減小，提高副邊有效占空比。另外該電路還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是可以在任意負(fù)載和輸入電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)(ZVS)[2]。圖中換能器負(fù)載通過匹配電感Lf組成LC串聯(lián)諧振，諧振頻率理想調(diào)諧在開關(guān)工作頻率fs。但在實(shí)際匹配電路中，為了對(duì)功放電路有利，一般要稍調(diào)感性負(fù)載[3]。

3 控制電路

3.1 鎖相環(huán)頻率合成器的工作原理

PLL電路是將輸入波形與VCO振蕩器波形的相位進(jìn)行比較，使其輸入頻率與VCO振蕩頻率同步的電路。如圖3所示，VCO輸出經(jīng)分頻后的信號(hào)與輸入波形的相位進(jìn)行比較時(shí)，輸入頻率與分頻后的頻率微同一頻率，即VCO的振蕩頻率與分頻后的頻率同步。其中fout=fin×N，改變分頻比N，就可以改變fout。

圖3 鎖相環(huán)頻率合成器方框圖

3.2 集成鎖相環(huán)74HC4046及智能跟蹤的硬件設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，PLL采用MC74HC4046N，單片機(jī)采用INTEL 180c196mc，可編程計(jì)數(shù)器采用8254提供3個(gè)獨(dú)立的計(jì)數(shù)器，每個(gè)計(jì)數(shù)器采用二進(jìn)制計(jì)數(shù)。通過檢測(cè)負(fù)載電壓、電流有效值信號(hào)，經(jīng)快速的A/D轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)，單片機(jī)分析電壓、電流有效值信號(hào)之間的相位差，從而改變鎖相環(huán)的分頻系數(shù)N，達(dá)到改變鎖相環(huán)輸出頻率的目的，經(jīng)過硬件電路形成死區(qū)保護(hù)功率開關(guān)元件。

74HC4046 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示，他是由一個(gè)VCO和3種鑒相器構(gòu)成，只要在外部增設(shè)分頻器和環(huán)路濾波器R和C，就可以構(gòu)成PLL頻率合成器。3種鑒相器的工作原理各不相同，其中鑒相器PC1是異或門鑒相器，PC2是邊沿觸發(fā)器，PC3是一個(gè)R，S觸發(fā)器門，其輸出端分別為2，13，15。在3種鑒相器中，最常用的是PC2， PC1和PC3鑒相器不能進(jìn)行頻率比較，鎖相范圍較窄，而PC2可以進(jìn)行頻率比較，在VCO振蕩頻率的全部范圍內(nèi)進(jìn)行鎖相。根據(jù)74HC4046的工作頻率范圍選擇外圍電容、電阻的參數(shù)，即R1，R2和C1 。電阻R1和C1共同決定振蕩器的中心頻率。R2可以改變壓控振蕩器的自由振蕩頻率并改變振蕩器的頻率控制范圍。

大量實(shí)驗(yàn)表明頻率分辨率為4 Hz時(shí)的超聲頻率可以滿足換能器的工作要求[4]。由于要求產(chǎn)生的超聲頻率范圍是15～35 kHz，并且頻率分辨率為4 Hz，所以3腳和4腳之間的分頻系數(shù)應(yīng)為3 750～8 750。參考74HC4046的數(shù)據(jù)手冊(cè)，選擇R1＝100 Ω，C1＝1 nF， R2懸空。腳13的輸出信號(hào)經(jīng)過一個(gè)由R3，C2構(gòu)成的低通濾波器，最后送給壓控振蕩器的控制端(腳9)。

圖4 74HC4046內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3.3 智能跟蹤系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

在超聲應(yīng)用中，振動(dòng)系統(tǒng)的諧振頻率變化由瞬間頻率變化和緩慢頻率變化兩部分組成。工具磨損和溫度變化引起的諧振頻率變化稱為緩慢頻率變化；負(fù)載的突變和系統(tǒng)剛度的變化引起的諧振頻率變化稱為瞬間頻率變化。頻率跟蹤軟件的作用是在應(yīng)用中調(diào)節(jié)超聲電源的頻率，由于瞬間頻率變化是時(shí)間的突變量，所以頻率跟蹤軟件設(shè)計(jì)應(yīng)滿足迅速準(zhǔn)確的頻率跟蹤。為此采用變步長(zhǎng)頻率跟蹤法。

變步長(zhǎng)頻率跟蹤是在頻率跟蹤的過程中根據(jù)具體情況隨時(shí)改變搜索的步距。首先給定相位采樣信號(hào)，設(shè)兩個(gè)參考值L，K(L>K)。經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的相位差信號(hào)P>L，或PP>K，說明超聲電源的頻率工作在振子的諧振頻率附近，采用小步距的調(diào)節(jié)方式，可以提高頻率跟蹤的精度，其步距能小至4 kHz，可以滿足超聲加工或超聲清洗的要求?？刂祁l率自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的軟件流程圖如圖5所示。

圖5 軟件流程圖

4 結(jié) 語

鎖相環(huán)74HC4046具有穩(wěn)定頻率、反應(yīng)靈敏、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，取諧振頻率為15～20 kHz超聲波換能器實(shí)驗(yàn)，采用圖2所示的電路拓?fù)?，結(jié)合本文提出的智能控制電路方

案，調(diào)整電感Lr，可使調(diào)諧回路的工作頻率穩(wěn)定在15～25 kHz，并且實(shí)測(cè)電路的電流基本上是正弦波，開關(guān)和吸收電路、散熱器均不發(fā)熱。實(shí)驗(yàn)表明這種實(shí)時(shí)跟蹤的信號(hào)控制IGBT的開關(guān)，以給壓電振子提供超聲電源，可使壓電振子在清洗液中產(chǎn)生的空化氣泡幾乎不受外界因素影響。

參考文獻(xiàn)

[1]阮新波，嚴(yán)仰光.脈寬調(diào)制DC/DC全橋變換器的軟開關(guān)技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，1999.

[2]張占松.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，1999.

[3]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(jī)，2000，30(6)：14—16，19.

[4]蘇治國(guó)，張曉冬，黎莉，等.單片機(jī)系統(tǒng)在高頻超聲電源中的應(yīng)用[J].儀表技術(shù)，2002，25(4)：11—13.

[5]鄭書友，徐西鵬.超聲加工中超聲發(fā)生器的頻率跟蹤技術(shù)[J].機(jī)械工程師，2005(7)：70—72.

[6]黃文劍，蔡錦恩.鎖相環(huán)在智能超聲電源中的應(yīng)用[J].杭州電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，25(4)：9—11.

[7]王躍球，堂杰.基于CD4046的新型頻率跟蹤相移PWM控制電路研究[J].船電技術(shù)，2006，26(6)：25—28.

[8]王輝.頻率跟蹤、恒功率超聲波清洗機(jī)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].保定:河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2004.

[9]遠(yuǎn)坂俊昭.鎖相環(huán)(PLL)電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

[10]劉殿通，于思遠(yuǎn)，劉金華，等.程控加工電源的頻率跟蹤與恒幅控制[J].電加工與模具，2000(2)：23—25.

[11]王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

作者簡(jiǎn)介 車保川 女，1985年出生，在讀碩士研究生。主要從事智能超聲波電源方面的研究。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。