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(yīng)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(lǐng)域[1－2]。但大部分場所使用的超聲波電源存在技術(shù)老化，多數(shù)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(zhuǎn)換成聲能，作用于超聲對象，已成為超聲技術(shù)的重要課題[6]。已有研究學者將數(shù)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(xiàn)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(jīng)典比例積分微分(proportional integral derivative，PID)閉環(huán)控制參數(shù)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(diào)整參數(shù)，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(yīng)性強，針對不同的系統(tǒng)可做改進，在閉環(huán)控制中應(yīng)用及其廣泛[9]。

本文設(shè)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(diào)節(jié)功率結(jié)合全橋逆變結(jié)構(gòu)，滿足不同條件下的食品物料處理的要求。控制部分采用高速微控制器聯(lián)合直接數(shù)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(jié)合PID 閉環(huán)控制，使頻率跟蹤更加快速、精確。

1 主電路拓撲結(jié)構(gòu)

圖1 所示為超聲波電源主電路的拓撲結(jié)構(gòu)，分為前級整流、中間逆變級和后級阻抗匹配及調(diào)諧三個部分。

圖1 主電路拓撲結(jié)構(gòu)

由于所設(shè)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(diào)節(jié)到多種功率檔位，因此整流部分采用可控硅調(diào)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(jīng)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(diào)功時連續(xù)性好。

逆變部分采用全橋拓撲結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)主要使用半導(dǎo)體開關(guān)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(jié)構(gòu)輸出的功率更大，調(diào)節(jié)范圍更寬。第三部分根據(jù)電源功率傳輸?shù)脑?，采用高頻變壓器T1進行阻抗匹配，使電源向負載側(cè)提供的功率最大化，再利用電感L1搭建串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，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(guān)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(dǎo)通，為了防止上下管直通，驅(qū)動信號中設(shè)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(jù)選用的開關(guān)管而設(shè)計的最佳時間。

2 頻率控制設(shè)計

頻率控制采用數(shù)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(diào)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(shù)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(diào)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(shù)字頻率合成器，適合于多種電源的頻率控制領(lǐng)域?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 超聲電源控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(guān)管的驅(qū)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(diào)整。PID 控制是閉環(huán)控制的經(jīng)典算法，其結(jié)構(gòu)參數(shù)易于設(shè)計、計算過程簡單，是多數(shù)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(yīng)速度慢、難以選取合適參數(shù)的問題，用傳統(tǒng)的Ziegler-Nichols(ZN)法所得的參數(shù)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(yīng)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(shù)設(shè)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(yīng)算法中的粒子，鳥群對應(yīng)粒子群[11]。基于改進粒子群算法的PID控制結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 基于改進粒子群算法的PID 控制結(jié)構(gòu)

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(guān)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(quán)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(quán)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(quán)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(chǔ)上，本文將慣性權(quán)重w(k)的變化趨勢進行改進，如式(3)、式(4)所示，較LDIWPSO 權(quán)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(shù)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(shù)，kmax表示在算法中最大的迭代次數(shù)。wmax表示慣性權(quán)重最大取值，wmin表示慣性權(quán)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(shè)置初始化參數(shù)，給定慣性權(quán)重初始值及變化函數(shù)，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(yīng)到PID 控制系統(tǒng)中的參數(shù)，并計算適應(yīng)度；

(3)根據(jù)慣性權(quán)重變化函數(shù)更新權(quán)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(yīng)值進行比較，保留較小的一組。

(5)判斷是否滿足結(jié)束條件，若滿足，輸出得到的最優(yōu)解，并結(jié)束。若不滿足，更新粒子群，計算新粒子群的最優(yōu)位置。

3 電源的參數(shù)設(shè)計

本文設(shè)計的超聲波電源的功率為600 W。根據(jù)功率計算，調(diào)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(shù)為470 μF/450 V，逆變級開關(guān)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(shù)之比1 ∶1，選用EE50 磁芯，每級線圈匝數(shù)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。

4 樣機調(diào)試結(jié)果

根據(jù)以上設(shè)計的硬件參數(shù)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(yīng)用于生物蛋白處理過程，蛋白結(jié)構(gòu)經(jīng)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(qū)動波形和輸出電壓、電流波形進行測試。測得采用單一經(jīng)典PID 算法的超聲電源的功率管驅(qū)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(xiàn)，兩種算法下的開關(guān)管驅(qū)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

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一種功率連續(xù)可調(diào)，可實現(xiàn)頻率快速跟蹤的超聲波電源。功率調(diào)節(jié)采用可控硅連續(xù)調(diào)功技術(shù)，頻率控制采用PID 控制結(jié)合改進的LDIWPSO算法原理。對設(shè)計的超聲波電源進行測試，結(jié)果表明功率調(diào)節(jié)連續(xù)平滑，頻率跟蹤性能好，響應(yīng)速度快。與采用經(jīng)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。