莫遠(yuǎn)東，溫凱林，胡紅斐，唐勇軍,2，于兆勤

（1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006；

2.上海交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240）

單電源驅(qū)動雙超聲壓縮振子的系統(tǒng)研制

莫遠(yuǎn)東1，溫凱林1，胡紅斐1，唐勇軍1,2，于兆勤1

（1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006；

2.上海交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240）

傳統(tǒng)的單超聲電源一般只能驅(qū)動單個超聲振子，根據(jù)實(shí)際情況需要，提出了采用單個超聲電源同時驅(qū)動兩個超聲振子的新方法。在測試和比較單個超聲換能器和雙超聲換能器的阻抗特性的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了基于FPGA的雙超聲壓縮系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了電源的硬件電路及以FPGA為核心的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)采用最大電流法和相位差法相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)頻率自動跟蹤功能。通過雙超聲、單超聲和無超聲壓縮生物質(zhì)的對比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該電源能很好地驅(qū)動雙超聲振子有效、穩(wěn)定地工作，雙超聲壓縮效果優(yōu)于單超聲和無超聲壓縮。

超聲電源；超聲壓縮生物質(zhì)；雙振子；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，但傳統(tǒng)的壓縮方法一般都需高溫蒸汽、高壓力和粘接劑，導(dǎo)致其收集、處理、運(yùn)輸與儲存成本占纖維素原料總成本的80%以上，很難實(shí)現(xiàn)低成本制造。研究表明：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(qiáng)度、抗沖擊性和預(yù)處理效率。針對傳統(tǒng)的單超聲及無超聲生物質(zhì)壓縮技術(shù)的不足，本文采用雙超聲壓縮生物質(zhì)技術(shù)，并設(shè)計(jì)了基于FPGA的新型數(shù)字式雙超聲壓縮驅(qū)動電源。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(jì)的智能化超聲電源是極有意義的。由于傳統(tǒng)的超聲波電源只能驅(qū)動一個振子[1]，不能滿足對纖維生物質(zhì)壓縮的應(yīng)用要求。因?yàn)殡p超聲振子如果采用兩個超聲電源進(jìn)行驅(qū)動，首先會大幅提高硬件成本，其次，兩臺電源分別驅(qū)動的兩個超聲工具頭的壓縮特性可能會有較大差別，這不利于后續(xù)的雙超聲特性的研究。因此，本文率先提出一臺電源同時驅(qū)動兩個超聲壓縮振子的系統(tǒng)。該電源能同時驅(qū)動兩個甚至多個超聲振子，這項(xiàng)新技術(shù)的成功研發(fā)，將對功率超聲加工、超聲驅(qū)動電源技術(shù)的提高產(chǎn)生重要影響。

1 雙超聲壓縮驅(qū)動電源硬件電路的設(shè)計(jì)

雙超聲壓縮驅(qū)動電源硬件電路主要包括半橋逆變主電路、驅(qū)動電路和反饋電路等。雙超聲壓縮系統(tǒng)驅(qū)動電源總體結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

圖1 雙超聲壓縮驅(qū)動電源總體結(jié)構(gòu)框圖

1.1 高頻逆變主電路設(shè)計(jì)

逆變電路（DC/AC變換電路）是超聲驅(qū)動電源硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，主要涉及開關(guān)頻率、輸出變壓器、阻抗匹配器、換能器之間的參數(shù)匹配。如圖2所示，Q1、Q2為功率開關(guān)管，與電容C1、C4構(gòu)成半橋逆變電路，R1、R7作為C1、C4的分壓電阻，且R1=R7，使C1、C2的分壓一樣，延長C1、C7的使用壽命，R2、D1、C2和R8、D2、C5構(gòu)成RCD吸收電路，T1為高頻變壓器，L1為匹配電感。為防止發(fā)生直通故障，導(dǎo)致電流過大而損壞器件，上下橋臂的開通必須存在一定的死區(qū)時間[2]。

圖2 半橋逆變主電路圖

1.2 驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

半橋逆變器的驅(qū)動模塊采用KD301L模塊（圖3）。PWM信號由FPGA發(fā)出，經(jīng)光耦隔芯片4504，主要是數(shù)字地和模擬地隔離，并將信號放大，再經(jīng)Q1、Q3構(gòu)成的推挽電路，最后輸出給KD301L。三極管Q1、Q3構(gòu)成互補(bǔ)的射級輸出端，其優(yōu)點(diǎn)是減輕PWM控制IC的負(fù)擔(dān)，特別適合應(yīng)用在頻率較高、被驅(qū)動的功率管較大的場合，可滿足驅(qū)動半橋逆變主電路的要求。

圖3 KD301L驅(qū)動電路

1.3 反饋電路設(shè)計(jì)

在超聲波驅(qū)動電源中，反饋電路是保證電源有效、穩(wěn)定工作的前提，因此需根據(jù)反饋電路提供的真實(shí)信號進(jìn)行自動控制和跟蹤，即超聲電源應(yīng)具備頻率自動跟蹤能力[3]。本電源采用最大電流法和相位差法相結(jié)合的反饋思路[4-5]，反饋電路主要包括電流和電壓相位采樣電路及電流大小采樣電路。反饋電路見圖4。

圖4 反饋電路

2 驅(qū)動電源FPGA控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)的核心器件為FPGA，控制系統(tǒng)見圖5，其內(nèi)部設(shè)計(jì)包括：FPGA硬件邏輯部分、Nios II軟核部分、Analon總線部分及RS232通信部分等。

圖5 FPGA控制系統(tǒng)框圖

雙超聲壓縮驅(qū)動電源的FPGA硬件邏輯設(shè)計(jì)主要包括：AD采樣模塊、過流檢測模塊、鑒相位模塊、頻率自動跟蹤模塊及電流掃頻模塊。

（1）在A/D采樣模塊中，用FPGA設(shè)計(jì)邏輯代碼，按其時序要求完成對A/D轉(zhuǎn)換的控制，包括提供給TLV1572的串行時鐘信號SCLK、CS片選信號及從TLV1572中讀取轉(zhuǎn)換完成的串行數(shù)據(jù)DO。

（2）鑒相器模塊是控制系統(tǒng)中非常重要的一部分，它將傳輸過來的電流電壓方波信號變成相位差信號。鑒相器由上升沿檢測模塊、相位比較輸出模塊兩部分組成。

（3）頻率自動跟蹤是超聲壓縮驅(qū)動電源中至關(guān)重要的一部分，關(guān)乎整個壓縮驅(qū)動電源系統(tǒng)能否穩(wěn)定有效地工作。換能器在工作時，溫度會產(chǎn)生很大的變化，且會導(dǎo)致?lián)Q能器的固有諧振頻率發(fā)生變化；當(dāng)換能器固有諧振頻率的變化在幾十赫茲以上時，超聲振動系統(tǒng)有可能會停止振動。因此，超聲波驅(qū)動電源能否及時跟蹤換能器的諧振頻率是非常重要的，即超聲波驅(qū)動電源要有頻率的自適應(yīng)性。本文主要利用DDS[6]，根據(jù)鎖相式頻率跟蹤原理，實(shí)現(xiàn)頻率自動跟蹤。頻率自動跟蹤模塊首先是根據(jù)鑒相器的相位差信號輸出頻率控制數(shù)，然后根據(jù)頻率控制數(shù)合成相應(yīng)的頻率脈沖輸出給驅(qū)動電路。

（4）電流掃頻模塊在振子開始加工前對振子進(jìn)行掃頻，根據(jù)電流最大法找到換能器工作的最佳頻率。當(dāng)電流為最大值時，再進(jìn)行相位跟蹤，可大大減少跟蹤時間，且減少電源的工作響應(yīng)時間，增加整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性[7]。

3 驅(qū)動電源人機(jī)界面系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于觸摸屏的人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在電源操作中可用軟件虛擬按鈕來替代傳統(tǒng)的物理按鈕，不僅能節(jié)省空間，而且界面更直觀友好，操作更方便。此外，采用觸摸屏設(shè)計(jì)更能實(shí)現(xiàn)超聲波驅(qū)動電源的數(shù)字化與集成化的設(shè)計(jì)。本文的人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括：人機(jī)界面的設(shè)計(jì)和通信協(xié)議編寫。人機(jī)界面見圖6。

圖6 人機(jī)界面

4 超聲振動的負(fù)載特性及匹配設(shè)計(jì)

兩個性能參數(shù)相同或相似的振子是本實(shí)驗(yàn)成功實(shí)現(xiàn)的前提。本實(shí)驗(yàn)用到的兩個振子分別編號為1和2，用阻抗分析器（WKE6500B）測量兩個振子的參數(shù)。1號振子為：Fs=28.710 kHz，R1=21.615 Ω，F(xiàn)p= 29.908，C1=0.429 nf，L1=71.434 mh，C0=4.438 nf；2號振子為：Fs=28.670 kHz，R1=41.172 Ω，F(xiàn)p=29.917，C1=0.817 nf，L1=162.410 mh，C0=4.843 nf。兩個振子的性能參數(shù)較一致，符合實(shí)驗(yàn)要求。

借助單個振子頻率跟蹤系統(tǒng)的原則和匹配方式，并對其延伸應(yīng)用于兩個振子并聯(lián)實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤和匹配。在分析雙超聲振子并聯(lián)的阻抗特性時，通常關(guān)注的參數(shù)主要有等效電路的阻抗或?qū)Ъ{特性。壓電陶瓷換能器的等效電路有各種各樣的形式，但通?？砂褖弘姄Q能器看成一種阻抗系統(tǒng)，其中最簡單的是單一模式諧振頻率附近的等效形式（圖7），從中可得到總阻抗Z=R+jX（R為等效電阻，X為等效電抗）。通過計(jì)算可得到阻抗的具體表達(dá)式：

式中：θz為阻抗角；ω＝2πf為激勵信號的圓頻率。

圖7 換能器的阻抗變換

實(shí)驗(yàn)中，需用到多個振子的并聯(lián)工作，因此，對兩個并聯(lián)的超聲振子在諧振頻率附近進(jìn)行了實(shí)際測試，用阻抗分析儀分別對兩個壓電換能器在并聯(lián)前后進(jìn)行了測量，測試參數(shù)見表1。通過比較單振子和雙振子的串聯(lián)諧振頻率Fs、并聯(lián)諧振頻率Fp和等效電阻值R，通常在換能器前端串聯(lián)一個電感，不僅可改善負(fù)載阻抗特性、提高電源功率因數(shù)，也可使超聲電源負(fù)載成純阻性。因此，兩個超聲振子的匹配電感的計(jì)算公式也是一樣的。

表1 超聲振子換能器參數(shù)

將本實(shí)驗(yàn)用的兩個振子并聯(lián)，經(jīng)WKE6500B阻抗分析器測量可得：Fs=28.698 kHz，R1=22.053 Ω，C1=1.3281 nf，L1=23.174 mh，C0=15.341 nf。因此，可計(jì)算匹配電感值：

但在實(shí)際加工中，由于電流的波形含有許多高次諧波，會造成整個超聲電源跟蹤不穩(wěn)定，故電感太小，需根據(jù)實(shí)際波形進(jìn)行實(shí)際調(diào)節(jié)決定。

5 雙超聲電源跟蹤及壓縮密度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用超聲壓縮驅(qū)動電源對纖維素燃料（木屑）進(jìn)行壓縮，驗(yàn)證驅(qū)動電源在壓縮過程中的性能和電源頻率跟蹤效果。逆變主電路電壓為50 V，預(yù)壓力為0.275 MPa。加工過程中，1號振子單獨(dú)接超聲電源時，驅(qū)動電源高頻變壓器兩端輸出的電壓電流波形見圖8a；2號振子單獨(dú)接驅(qū)動電源時，驅(qū)動電源高頻變壓器兩端輸出的電壓電流波形見圖8b；1、2號振子并聯(lián)接驅(qū)動電源時，驅(qū)動電源高頻變壓器兩端輸出的電壓電流波形見圖8c。可看出，電源輸出的電壓電流接近同相位，跟蹤效果良好。通過以上實(shí)驗(yàn)可知，雙超聲壓縮系統(tǒng)的驅(qū)動電源具有可行性，無論是單振子接驅(qū)動電源還是雙振子并聯(lián)接驅(qū)動電源，跟蹤效果都很好，且每個振子工作都較穩(wěn)定。

圖8 振子電壓電流跟蹤波形圖

取每個樣本的壓塊質(zhì)量m為1.5 g、壓縮模具的直徑d為19 mm，使用千分尺測量每個壓塊的厚度并求得體積，進(jìn)而求出每個壓塊的密度。在與上述條件相同的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)取3個樣本，然后求平均擬合值。通過比較判斷雙超聲、單超聲及無超聲的壓縮效果。圖9是壓縮密度與壓縮時間的關(guān)系曲線。可看出，隨著壓縮時間的增加，每個壓塊的密度都增大。分析圖9d可知，超聲對生物質(zhì)壓塊的密度影響很大，單超聲相對于無超聲的壓縮密度提高約41%，雙超聲相對于無超聲的壓縮密度提高約65%。可見，雙超聲壓縮極有利于獲得高密度的生物質(zhì)壓塊，可提高壓縮效率。

圖9 雙超聲與單超聲及無超聲壓縮密度比較

圖10是不同超聲加載情況下的生物質(zhì)壓塊。從圖10a可看出，壓塊表面較松散，致密性很低，且隨著壓縮時間的增加，壓塊厚度變小，但致密性不是很好。從圖10b可看出，生物質(zhì)壓塊的致密性明顯比無超聲壓縮的效果好，且隨著壓縮時間的增加，壓塊厚度明顯變小，但其表面有點(diǎn)“變黑”的現(xiàn)象。從圖10c可看出，每個壓塊的致密度都很好，且隨著時間的增加，每個壓塊表面明顯都有“變黑”的現(xiàn)象。從圖10d可看出，在相同時間內(nèi)，雙超聲壓縮的生物質(zhì)壓塊厚度明顯降低，其致密性也很好。

6 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)可看出，與單個超聲電源驅(qū)動特性接近的雙超聲振子是可行的，電壓和電流跟蹤波形良好。并研究了有無超聲、單超聲和雙超聲對生物質(zhì)壓塊密度的影響，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，雙超聲對壓塊的壓縮密度影響最大，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，這說明雙超聲應(yīng)用于生物質(zhì)等纖維素壓縮中，其性能明顯優(yōu)于單超聲及無超聲壓縮方式。

圖10 不同超聲加載情況下的生物質(zhì)壓塊對比圖

[1]王應(yīng)彪，劉傳紹，趙波．功率超聲技術(shù)的研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用進(jìn)展[J]．聲學(xué)技術(shù)，2006，19（4）：41-43.

[2]王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

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[7]姚劍清.鎖相環(huán)技術(shù)[M].3版.北京：人民郵電出版社，2007.

Development on System of Dual-ultrasonic Pelleting Vibrators Driven by One Power Supply

Mo Yuandong1，Wen Kailin1，Hu Hongfei1，Tang Yongjun1,2，Yu Zhaoqin1
（1.Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China；
2.Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

The traditional single ultrasonic power supply can only drive a single ultrasonic vibrator. A new idea of using a single ultrasonic power supply to drive two ultrasonic vibrators has been put forward.On the basis of testing and comparing the impedance characteristic between a single ultrasonic transducer and dual-ultrasonic transducers，the design of power supply applying for dual-ultrasonic pelleting system has been carried out based on FPGA.The circuit of the power supply has been designed with FPGA as the controller.The power supply has realized the function of automatic frequency tracking with the method of maximum current and phase difference method.The comparing experiments among the single，dual ultrasonic and no ultrasonic pelleting of biomass proved that the power supply can efficiently and stably drive two ultrasonic vibrators with better pelleting efficiency than single ultrasonic pelleting.

ultrasonic power supply；ultrasonic pelleting biomass；dual vibrators；FPGA

TG663

A

1009－279X（2014）06－0040-05

2014-06-25

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（500120068）；國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目（500130026）

莫遠(yuǎn)東，男，1988年生，碩士研究生。