鄧孝祥，葛 飛

（黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022）

0 引 言

1 換能器的匹配網(wǎng)絡(luò)

1.1 換能器串聯(lián)匹配

串聯(lián)匹配等效電路如圖1所示，諧振時(shí)等效電路如圖2所示。

圖1 串聯(lián)匹配等效電路

圖2 諧振時(shí)等效電路

負(fù)載的等效輸入阻抗為[4]：

等效輸入阻抗為：

可見，串聯(lián)匹配能使換能器等效阻抗呈純阻性，且輸入阻抗阻值減小，可實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

1.2 換能器串聯(lián)匹配

并聯(lián)匹配電感等效電路如圖3所示，諧振時(shí)等效電路為如圖4所示。

負(fù)載的等效輸入導(dǎo)納為[5]：

商景蘭(1605—1676)，字媚生，浙江山陰(今紹興)人。明朝吏部尚書商周祚長女，與妹商景徽皆有國色而能詩。商景蘭16歲嫁與藏書家祁承燁之子祁彪佳為妻，二人以“金童玉女”的佳配被傳為美談。祁彪佳終身未納妾媵，伉儷相重，世所罕見。順治二年乙酉(1645)，清兵攻陷南京，祁彪佳自沉殉節(jié)，商景蘭遵丈夫遺命接掌家業(yè)，并帶領(lǐng)家族女性從事詩歌創(chuàng)作，閨閣唱和，登臨題詠，一時(shí)傳為勝事。后女祁德瓊、子祁班孫先后離世，商景蘭死后，祁氏一門風(fēng)雅亦隨家族破敗而淪沒?，F(xiàn)存《錦囊集》，附于《祁彪佳集》之后。

圖3 并聯(lián)匹配電感等效電路

圖4 諧振時(shí)等效電路

可見，等效輸入阻抗不變，且與串聯(lián)匹配電感相比，電流要小得多。

1.3 匹配電感的確立

通過兩種方式的比較，并聯(lián)匹配輸入阻抗較大，且不能實(shí)現(xiàn)阻抗變化，需要的電感量也遠(yuǎn)大于串聯(lián)匹配，且濾波效果不好；串聯(lián)匹配輸入阻抗較小，能減小內(nèi)阻消耗，提高效率[6]。電感量也要比并聯(lián)匹配小得多，兼具濾波和調(diào)諧的功能，最終選擇串聯(lián)匹配電感的方式。

2 常用頻率自動跟蹤方法比較

所謂頻率自動跟蹤是根據(jù)換能器的輸出信號頻率，對輸出的電壓與電流相位以及幅值進(jìn)行控制，跟蹤工作中變化的換能器諧振頻率。目前，常用的頻率自動跟蹤有以下幾種方法[7]。

2.1 電流最大值法

通過采樣檢測整流輸出端直流母線上的電流，由DSP控制得到最大電流值對應(yīng)的頻率，控制換能器的輸出電壓頻率，設(shè)定輸出電流的大小。當(dāng)發(fā)生諧振時(shí)，換能器阻抗最小，輸出電流最大，通過檢測輸出電流的大小尋找最佳諧振點(diǎn)。

2.2 功率最大法

此方式是通過采樣檢測換能器的電壓和電流計(jì)算換能器的輸出功率，從而調(diào)整最佳諧振，通過觀測多組數(shù)據(jù)、控制變換開關(guān)頻率得到最大功率信號，在最佳諧振點(diǎn)時(shí)輸出功率最大。

2.3 相位控制法

當(dāng)換能器呈阻性負(fù)載時(shí)，輸出功率最大。當(dāng)輸出功率大于其諧振功率時(shí)，阻抗相位角為正；當(dāng)輸出功率小于其諧振功率時(shí)，阻抗相位角為負(fù)。由阻抗相位角的正負(fù)即可判斷換能器輸出的電壓與電流的相位關(guān)系，因而可以通過相位大小判斷換能器的最佳諧振點(diǎn)。

2.4 頻率跟蹤方式的確立

分析的3種自動跟蹤方案中，最大電流法受負(fù)載的變化影響較大，且采集的速度較慢；功率最大法操作復(fù)雜，數(shù)據(jù)采集會增加繁瑣性，加大工作量；相位控制法操作方便，采集迅速，能時(shí)刻監(jiān)測換能器的輸出功率與諧振時(shí)的功率相位差值，簡單直觀[8]。

3 頻率跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

超聲波電源能為超聲波換能器提供所需的高頻交流電信號。系統(tǒng)主拓?fù)錇榈谝患壊豢卣?，第二級Buck電路，第三級移相全橋電路，如圖5所示。單相220 V交流電經(jīng)整流電路再Buck降壓電路輸送至逆變電路，經(jīng)隔離變壓器升壓獲得較大高頻交流電壓。輸出電壓經(jīng)過串聯(lián)匹配電感后，能使超聲波振子工作在最佳諧振點(diǎn)。超聲波電源頻率跟蹤控制系統(tǒng)采用TMS32028335的全數(shù)字化控制系統(tǒng)，通過鎖相電路能實(shí)現(xiàn)輸出電壓與電流的相位跟蹤，同時(shí)系統(tǒng)也設(shè)計(jì)了相應(yīng)的保護(hù)電路和調(diào)功電路。

圖5 頻率跟蹤控制系統(tǒng)

4 頻率跟蹤軟件算法的實(shí)現(xiàn)

4.1 采樣電路設(shè)計(jì)

采樣電路包括對輸出電壓和電流相位的采集。在不影響系統(tǒng)正常工作的情況下，對換能器兩端電壓和電流信號進(jìn)行準(zhǔn)確處理，實(shí)現(xiàn)頻率的自動跟蹤。本文通過電壓互感器和電流互感器進(jìn)行采樣，電壓信號Uo經(jīng)過運(yùn)放AD828做電壓跟隨，再由LM311構(gòu)成過零比較，把電壓跟隨器輸入的交流信號轉(zhuǎn)變成方波，通過捕捉方波上升沿和下降沿來實(shí)現(xiàn)超聲波電源的相位捕捉。相位捕捉電路如圖6和圖7所示。當(dāng)DSP的ECAP1和ECAP2口分別捕捉到電壓和電流的相位后，可得到電壓和電流頻率變化，從而通過其相位差值調(diào)整其移相全橋的脈沖頻率。

圖6 電壓波形捕捉相位

圖7 電流波形捕捉相位

4.2 判斷中斷程序流程圖

控制器的中斷負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)時(shí)刻進(jìn)行相位控制。在控制超聲波電源輸出電壓和電流時(shí)，需要時(shí)刻跟蹤電壓相位和電流相位，時(shí)刻捕捉頻率跟蹤調(diào)理電路的輸出波形。在中斷時(shí)間內(nèi)，要捕捉兩個(gè)方波信號，從而得出此時(shí)負(fù)載的工作狀態(tài)，并對呈容性負(fù)載還是呈感性負(fù)載進(jìn)行判斷，從而調(diào)整其頻率變化。軟件設(shè)計(jì)流程如圖8所示。

圖8 中斷程序流程圖

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 換能器的參數(shù)

為實(shí)現(xiàn)對不同換能器均進(jìn)行頻率跟蹤，給出了幾組換能器的參數(shù)，見表1。

表1 換能器的參數(shù)對比

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

額定輸入Vin=220 V，fs=50 Hz；輸出功率Po=1.5 kW，頻率設(shè)定在18～35 kHz；Buck電感L1=800 μH，C2=940 μH；變壓器隔直電容C3=4 μF。通過頻率跟蹤，可使超聲波電源的輸出電壓和電流處在用一頻率下，實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤。

由圖9可以看出，在輸入電壓220 V、頻率17.8 kHz、匹配網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)的電感量為1.56 mH時(shí)，輸出電流與電壓相位基本一致，很好地實(shí)現(xiàn)了頻率跟蹤。

圖9 超聲波電源輸出電壓和電流波形

由超聲波換能器兩端電壓與電流的輸出來看，電流和電壓波形均為17.8 kHz的近似正弦的交流波形，換能器兩端的電壓與電流相位差小，可以輸出較大的功率，如圖10所示。

圖10 換能器兩端的電壓和電流波形

6 結(jié) 論

本文對1.5 kW小型超聲波電源頻率跟蹤進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定電感匹配網(wǎng)絡(luò)，分析換能器的結(jié)構(gòu)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了超聲波電源匹配網(wǎng)絡(luò)和頻率跟蹤系統(tǒng)方案的合理性。采樣電路能準(zhǔn)確測得超聲波電源輸出電流和電壓的精度，實(shí)現(xiàn)了相位差的減小，頻率跟蹤效果好，能使其工作在最佳諧振狀態(tài)，輸出達(dá)到最大功率，解決了傳統(tǒng)超聲波電源頻率跟蹤方法計(jì)算周期數(shù)多、過渡時(shí)間長的缺點(diǎn)，同時(shí)改善了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性。