丁艷華,鄭 宏,肖 鳳,馬海樂
(1.江蘇大學機械工程學院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013;2.江蘇大學食品與生物工程學院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013;3.江蘇大學電氣信息工程學院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)
目前功率超聲已應用于醫(yī)學檢測與治療、超聲清洗、超聲輔助制備化工材料、超聲生物處理等諸多領域[1-2]。但大部分場所使用的超聲波電源存在技術老化,多數采用單純的模擬控制,存在頻率模式單一、頻率漂移嚴重、能耗高、體積大等缺點[3-5]。因此,如何使超聲電源將電能最大幅度地轉換成聲能,作用于超聲對象,已成為超聲技術的重要課題[6]。已有研究學者將數字控制取代傳統(tǒng)超聲中常用的模擬電路閉環(huán)控制,并發(fā)現可使輸出頻率在負載突變時較好地跟蹤超聲換能器的頻率變化,可減小損耗,提高效率[7]。但是單一的經典比例積分微分(proportional integral derivative,PID)閉環(huán)控制參數整定過程繁瑣,缺乏較好的實時性和魯棒性[8],需要不斷實時調整參數,難以滿足超聲電源快速頻率跟蹤的要求。而粒子群算法在眾多的優(yōu)化算法中由于其穩(wěn)定可靠、動態(tài)適應性強,針對不同的系統(tǒng)可做改進,在閉環(huán)控制中應用及其廣泛[9]。
本文設計了一種可用于食品原料輔助加工的超聲波電源,主電路拓撲為可控硅調節(jié)功率結合全橋逆變結構,滿足不同條件下的食品物料處理的要求??刂撇糠植捎酶咚傥⒖刂破髀?lián)合直接數字式頻率合成器(digital frequency synthesizer,DDS),頻率的快速跟蹤采用改進的粒子群算法(particle swarm optimization,PSO)結合PID 閉環(huán)控制,使頻率跟蹤更加快速、精確。
圖1 所示為超聲波電源主電路的拓撲結構,分為前級整流、中間逆變級和后級阻抗匹配及調諧三個部分。
圖1 主電路拓撲結構
由于所設計電源要求有較高的實用性和可靠性,針對不同的食品原料可調節(jié)到多種功率檔位,因此整流部分采用可控硅調功電路,先將工頻交流電通過可控硅VT1 的移相脈沖控制輸出合適的電壓大小,再送入整流橋D1,整流之后經大電容C1濾波即為電壓紋波較小的直流電壓。因此,提供給逆變級的直流輸入電壓穩(wěn)定,調功時連續(xù)性好。
逆變部分采用全橋拓撲結構,該結構主要使用半導體開關元件(Q1~Q4)進行電力變換,可有效減小電源體積,輸出電壓最大值等于輸入電壓,相比半橋結構輸出的功率更大,調節(jié)范圍更寬。第三部分根據電源功率傳輸的原理,采用高頻變壓器T1進行阻抗匹配,使電源向負載側提供的功率最大化,再利用電感L1搭建串聯(lián)諧振網絡,使等效負載接近純阻性。
電源工作時,電流在逆變橋臂的四支開關管中斜對角兩個為一組(如Q1和Q4為一組,Q2和Q3為一組),兩組輪流導通,為了防止上下管直通,驅動信號中設置的死區(qū)時間為700 ns,即可以有效防止上管和下管直通又不會造成大的功率損耗,是根據選用的開關管而設計的最佳時間。
頻率控制采用數字控制,避免傳統(tǒng)模擬控制不穩(wěn)定、抗干擾能力差的缺點。電路中需要采樣電壓和電流進行相位比較,進而輸出相位誤差信號。電壓采樣用電阻分壓的方式,電流采樣采用電流互感器,采樣值相位延遲較小,相位精確。將采樣的電壓和電流信號送入運算放大器電路,調理為主控制器可以接受的直流信號,接到主控制器的A/D 采樣端。
超聲波電源的主控芯片采用微芯公司的DSPIC33F 控制芯片。該控制器集成了單片機控制功能強和DSP 數字信號處理能力強的優(yōu)點,具有豐富的外圍器件和完整的DSP 引擎,并可以直接調用一部分DSP 指令。頻率控制采用DSPIC33F 和高速頻率合成器 AD9850 共同完成頻率的發(fā)送。AD9850 是一款低功耗、頻率精準、輸出范圍寬的數字頻率合成器,適合于多種電源的頻率控制領域??刂葡到y(tǒng)結構如圖2 所示。
圖2 超聲電源控制系統(tǒng)結構圖
為了使電源在啟動后的輸出頻率能夠快速捕捉到換能器的諧振頻率,需要對電源逆變部分的四支MOSFET 開關管的驅動信號頻率做閉環(huán)控制,使其按照超聲換能器的實時諧振頻率進行調整。PID 控制是閉環(huán)控制的經典算法,其結構參數易于設計、計算過程簡單,是多數自動控制閉環(huán)控制系統(tǒng)中使用最為普遍的一種。但是存在響應速度慢、難以選取合適參數的問題,用傳統(tǒng)的Ziegler-Nichols(ZN)法所得的參數不能滿足該系統(tǒng)負載隨溫度等外部條件不斷變化的狀況[10]。因此為了提高頻率響應的速度,減少失諧帶來的能耗甚至避免故障,本文將改進的粒子群優(yōu)化算法引入PID 的參數設計。粒子群算法來源于鳥類覓食、尋徑的生物本能,鳥類在覓食過程中通過與同伴交流獲得食物的位置,進而及時改變自己飛行的方向和速度,以便更快而準地靠近食物的位置。覓食的鳥類個體對應算法中的粒子,鳥群對應粒子群[11]?;诟倪M粒子群算法的PID控制結構如圖3 所示。
圖3 基于改進粒子群算法的PID 控制結構
PSO 算法具有迭代過程簡單,算法易寫,收斂速度快的優(yōu)點。其迭代關系見式(1)、式(2)。其中為當前離子速度,為上一代粒子速度,pBEST為上一代粒子最優(yōu)值,gBEST上一代群體最優(yōu)值。為當代個體位置,為上一代個體位置。w為慣性權重,c1、c2表示學習因子,r1、r2表示隨機變量,分布在[0,1]之間。
由于標準PSO 算法的慣性權重w(k)是固定不變值,如果取值過大或過小會發(fā)生局部搜索能力弱或者全局搜索范圍窄的情況。線性慣性權重遞減策略(LDIW)將w(k)改為線性變化,提高了搜索精度[12],在此基礎上,本文將慣性權重w(k)的變化趨勢進行改進,如式(3)、式(4)所示,較LDIWPSO 權重變化速度變慢,但是在兩頭較快中間最慢,在全局搜索的迭代次數增加,并且逼近局部最優(yōu)解處的能力增強。
式中:k表示當前迭代的次數,kmax表示在算法中最大的迭代次數。wmax表示慣性權重最大取值,wmin表示慣性權重最小取值。
采用改進LDIWPSO 算法的流程如圖4 所示。算法運行分為如下幾個步驟:
圖4 改進LDIW-PSO 算法的流程
(1)設置初始化參數,給定慣性權重初始值及變化函數,規(guī)定粒子搜索的速度和位置范圍以及加速度因子c1和c2;
(2)將粒子對應到PID 控制系統(tǒng)中的參數,并計算適應度;
(3)根據慣性權重變化函數更新權重,進一步更新粒子的速度和位置,得到新的粒子群;
(4)計算新的粒子群的個體最優(yōu)位置和全局最優(yōu)位置與上一個對應值進行比較,保留較小的一組。
(5)判斷是否滿足結束條件,若滿足,輸出得到的最優(yōu)解,并結束。若不滿足,更新粒子群,計算新粒子群的最優(yōu)位置。
本文設計的超聲波電源的功率為600 W。根據功率計算,調功電路選擇雙向晶閘管VT1 的型號為BTA20,整流橋D1選擇KBPC1506,濾波電容C1計算值為290 μF,選用的參數為470 μF/450 V,逆變級開關管選擇型號為N 溝道MOS 管IRFP460。阻抗匹配變壓器T1初級與次級繞組匝數之比1 ∶1,選用EE50 磁芯,每級線圈匝數均為23。諧振電感采用EI50 磁芯,感值計算值為0.72 μH,實測值為0.79 μH。
根據以上設計的硬件參數和頻率控制采用的算法做出樣機,如圖5 所示。將電源接入頻率為20 kHz 壓電換能器,壓電換能器可以穩(wěn)定工作,并成功應用于生物蛋白處理過程,蛋白結構經儀器測定較對照組發(fā)生了明顯變化。
圖5 超聲電源樣機
對樣機的逆變級驅動波形和輸出電壓、電流波形進行測試。測得采用單一經典PID 算法的超聲電源的功率管驅動波形、輸出電壓和輸出電流波形如圖6(a)、6(b)所示。采用改進的PSO-PID 算法測得的波形如圖7(a)、7(b)所示。對比發(fā)現,兩種算法下的開關管驅動波形中均有明顯頻率跟蹤過程,前者跟蹤時間相對較長,可以測得約為140 ms,輸出電壓和電流相位存在明顯差異。而后者跟蹤過程明顯縮短,可達到80 ms,輸出電壓和電流相位接近一致,比前者頻率跟蹤效果有明顯優(yōu)勢。
圖6 采用PID 控制時的波形
圖7 采用改進PSO-PID 控制時的波形
本文設計了一種功率連續(xù)可調,可實現頻率快速跟蹤的超聲波電源。功率調節(jié)采用可控硅連續(xù)調功技術,頻率控制采用PID 控制結合改進的LDIWPSO算法原理。對設計的超聲波電源進行測試,結果表明功率調節(jié)連續(xù)平滑,頻率跟蹤性能好,響應速度快。與采用經典PID 頻率控制的樣機進行對比,輸出電壓和電流相位的一致性有明顯改善,是一種較好的頻率控制方式。