基于單片機(jī)控制的超聲波換能器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?

肖喜鵬　張加勝　劉祖超

（中國石油大學(xué)（華東）信息與控制工程學(xué)院　青島　266580）

基于單片機(jī)控制的超聲波換能器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?

肖喜鵬?張加勝劉祖超

（中國石油大學(xué)（華東）信息與控制工程學(xué)院青島266580）

為了提高超聲波換能器電源的智能性和通用性，本文提出了一套以高性能dsPIC30F4011單片機(jī)為控制核心的換能器電源解決方案，并進(jìn)行了相關(guān)的軟硬件設(shè)計(jì)。該方案基于鍵盤輸入選擇標(biāo)稱頻率拓寬了換能器的標(biāo)稱頻率選型范圍；基于最大電流法檢測諧振點(diǎn)設(shè)定最佳頻率保證了換能器電聲轉(zhuǎn)換的高效性；基于電壓反饋檢測調(diào)整輸出電壓和保持換能器的功率穩(wěn)定，主要檢測過程采用軟件實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明采用該方案的超聲波換能器電源具有現(xiàn)實(shí)可行性。

超聲波換能器，電路設(shè)計(jì)，dsPIC30F4011單片機(jī)，諧振

1　引言

近年來，超聲波換能器以其成本較低、環(huán)保無污染、人力需求量低、增產(chǎn)效果明顯等突出優(yōu)點(diǎn)在油氣田、煤層氣產(chǎn)區(qū)獲得了日益廣泛的應(yīng)用。其工作原理是通過換能器振動產(chǎn)生的高頻聲波的振蕩剝離、空化降粘、防蠟清蠟作用來提高巖層孔隙介質(zhì)的滲透率，解除擁堵，疏通空隙，增加液體流動性［1］。

實(shí)際生產(chǎn)中，常常由于環(huán)境變化、器件老化等原因?qū)е聯(lián)Q能器諧振頻率發(fā)生漂移，從而使得換能器的工作效率低下，損耗嚴(yán)重。針對這一問題，文獻(xiàn)［2］提出基于耦合振蕩理論的動態(tài)匹配諧振電感的方法，改變開關(guān)頻率使換能器工作在新的耦合諧振頻率點(diǎn)；文獻(xiàn)［3］提出基于磁通控制可調(diào)電抗器的超聲波換能器動態(tài)匹配策略，在變壓器二次側(cè)注入電流，改變串聯(lián)諧振電感值。這兩種方案雖然可行但控制較為復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來困難。本文提出了一套基于dsPIC30F4011單片機(jī)的超聲波換能器電源解決方案，該方案只需通過電流檢測電路反饋，根據(jù)軟件算法實(shí)現(xiàn)換能器的諧振頻率上電自校驗(yàn)功能。此外，還能借助鍵盤顯示系統(tǒng)對換能器進(jìn)行標(biāo)稱頻率選型匹配以及功率調(diào)節(jié)控制。

2　超聲波換能器電路模型

壓電陶瓷超聲波換能器和串聯(lián)匹配電感的等效電路模型如圖1（a）所示。其中，C0為壓電陶瓷的靜態(tài)電容，L1，C1，R1分別為壓電陶瓷的動態(tài)電感、動態(tài)電容和動態(tài)電阻，L0是與壓電陶瓷相串聯(lián)的匹配電感。當(dāng)換能器進(jìn)入諧振狀態(tài)時，諧振角頻率為等效電路模型如圖1（b）所示，換能器等效阻抗為

圖1　換能器等效電路Fig.1 Equivalent circuit of transducer

代入電路參數(shù)后有

由式（2）可知換能器實(shí)現(xiàn)諧振匹配的條件是

化簡得

式（4）中，換能器的固有L1，C1，R1參數(shù)確定后，串聯(lián)電感L0值也唯一確定。此時，換能器等效阻抗為

令分母為ρ=1+（ωfC0R1）2，分析可知諧振狀態(tài)阻抗呈純阻性，阻值為R1/ρ，阻抗大大降低，回路電流達(dá)到最大值，以此可以判斷電路是否處于最佳諧振點(diǎn)［4］。

3　電源硬件設(shè)計(jì)

超聲波換能器電源由整流和逆變兩部分組成，本文整流部分采用單相不可控整流電路，逆變部分除主電路外還包括相應(yīng)的控制、驅(qū)動、檢測和保護(hù)電路，具體設(shè)計(jì)如下所述。

3.1主電路拓?fù)?/p>

換能器電源主電路如圖2所示。整流部分為帶電容濾波的單相橋式不可控整流電路，逆變部分采用單相全橋逆變電路。直流側(cè)串一直流接觸器，K1為其主觸點(diǎn)，用于控制逆變電路的投入和切除，L0為串聯(lián)諧振電感，C為濾波儲能電容，PZT為壓電換能器，U0為逆變電路輸出交流方波電壓幅度，可通過移相來改變電源輸出有效值用于換能器輸出功率調(diào)節(jié)［5］。

圖2　主電路結(jié)構(gòu)Fig.2 The main circuit structure

3.2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文以dsPIC30F4011單片機(jī)作為系統(tǒng)控制核心，它是一款高性能數(shù)字信號控制芯片，具有6路10位PWM輸出通道，54個可編程數(shù)字I/O引腳，包括處理器異常、軟件陷阱、輸入捕捉、通信、定時器、PWM故障、AD轉(zhuǎn)換等各種中斷事件，兩個獨(dú)立的異步串行通信模塊（UART），不但能滿足全橋逆變電路的控制信號需要，還能滿足終端單元的通信要求［6］。控制系統(tǒng)如圖3所示，包括最小系統(tǒng)、鍵盤模塊、顯示模塊、控制模塊、通信模塊五部分。

圖3　超聲波換能器控制電路Fig.3 The control circuit of ultrasonic transducer

最小系統(tǒng)時鐘源采用外部8 MHz晶振，+5 V電源作為AD電路模擬電壓輸入。鍵盤模塊設(shè)有啟動、停止、功能、加、減、復(fù)位、確定七個按鍵，可實(shí)現(xiàn)電源的啟停控制、功能切換、調(diào)頻和調(diào)壓、電路復(fù)位等功能。其中，調(diào)頻功能可實(shí)現(xiàn)電源交流方波電壓輸出頻率在20 kHz 6 f 6 40 kHz內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，使電源可適應(yīng)不同標(biāo)稱頻率的換能器負(fù)載，提高了電源的通用性。調(diào)壓功能可通過移相調(diào)壓的方式來改變電源輸出電壓有效值從而調(diào)節(jié)換能器輸出功率的大小（鍵盤設(shè)定使逆變電路移相角在5°6 θ 6 175°內(nèi)平滑調(diào)節(jié)）。顯示模塊采用MC14489驅(qū)動的LG4042AH四位數(shù)碼管顯示，用于參數(shù)顯示、數(shù)據(jù)輸入選用、故障報警及代碼顯示等功能。

為滿足大規(guī)模應(yīng)用場合構(gòu)建信息聯(lián)網(wǎng)的需求，系統(tǒng)充分利用單片機(jī)的UART串口，預(yù)留了基于RS485的串行通信模塊。通信模塊輸出可選用有線（485總線）或者無線（GPRS）的方式與上位機(jī)連接，組成“單主多從”式的通信網(wǎng)絡(luò)。此外，在采油采氣等換能器應(yīng)用場所，經(jīng)常需要采集井底壓力信息，該控制系統(tǒng)在通信模塊和控制模塊分別預(yù)留了串行通信和AD采樣端口（ADP），分別與現(xiàn)場的智能式或模擬式壓力變送器相連。

控制模塊中，單片機(jī)AN0引腳用于電源輸出電壓采樣AD轉(zhuǎn)換（ADU），AN1引腳用于電源輸出電流采樣AD轉(zhuǎn)換（ADC）。PWM1L～PWM2H是單片機(jī)的4路PWM輸出引腳，作為單相全橋逆變電路的控制信號，4路信號設(shè)置為連續(xù)向上/向下中間對齊的PWM輸出模式，并設(shè)置1μs的死區(qū)時間以防止上下橋臂直通造成短路故障。

3.3電壓電流檢測電路

電壓檢測電路如圖4所示， 高線性光耦HCNR200用于采樣逆變電路輸出電壓U0，UADU輸入到單片機(jī)ADU端口進(jìn)行采樣判斷，并通過改變?nèi)珮蚰孀冸娐返囊葡嘟牵_(dá)到換能器功率調(diào)節(jié)的目的，同時輸出到顯示模塊。UADU與輸入電壓Uin滿足的關(guān)系：

圖4　電壓檢測電路Fig.4 The voltage detection circuit

式中，K為HCNR200傳輸增益。

電流檢測電路如圖5所示，霍爾電流傳感器采集負(fù)載電流i，經(jīng)電阻R6轉(zhuǎn)換成電壓信號。電壓信號UADC經(jīng)電容濾波后一路輸入到單片機(jī)的AD采樣引腳ADC，另一路給LM399提供比較電壓Vin，當(dāng)Vin高于參考閾值Vref時，三極管Q導(dǎo)通，繼電器的相應(yīng)觸點(diǎn)動作，控制超聲波換能器直流側(cè)開關(guān)K1斷開，將超聲波換能器切除。

圖5　電流檢測電路Fig.5 The current detection circuit

4　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

基于換能器處于最佳諧振點(diǎn)時阻抗最小、電流最大的特點(diǎn)［7-8］，提出一種軟件檢測最佳諧振頻率的上電自校驗(yàn)方案，dsPIC30F4011單片機(jī)通過波形發(fā)生器（MCPWM模塊）產(chǎn)生PWM脈沖，在MCPWM模塊中，PTMR為時基寄存器，DTCON為死區(qū)時間控制寄存器，PDC為PWM占空比寄存器，PTPER為時基周期寄存器，通過改變PTPER的值實(shí)現(xiàn)全橋逆變電路輸出電壓頻率可變［9-10］。單片機(jī)在標(biāo)稱諧振頻率附近搜索最大電流值，將此最大值對應(yīng)的頻率作為換能器的最佳諧振頻率，鎖定PTPER的值，使換能器工作在最佳諧振狀態(tài)。根據(jù)晶振頻率FCY、開關(guān)頻率FPWM和PTMR預(yù)分頻比可求得

系統(tǒng)軟件根據(jù)鍵盤輸入的標(biāo)稱頻率初始化PTPER，改變PTPER的值使輸出電壓頻率按步長0.1 kHz從下限頻率逐漸遞增到上限頻率，每步間隔時間為0.7 ms。例如，對于標(biāo)稱頻率fN=28 kHz的壓電陶瓷換能器，其最佳諧振頻率可能離散分布于26～30 kHz之間，軟件配置系統(tǒng)時鐘為8倍頻后4分頻，取PTMR預(yù)分頻比為1：1，開關(guān)頻率FPWM即輸出電壓信號頻率f，由式（8）可得

上電啟動后，輸出頻率以下限頻率f下=26 kHz為起始頻率，以0.1 kHz步長頻率遞增，逐一掃描對應(yīng)的負(fù)載電流，將PTPER值和其對應(yīng)的電流采樣值存儲于起始地址為30H的單片機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲單元，到達(dá)上限頻率f上=30 kHz后停止掃描，根據(jù)冒泡法尋找所存電流數(shù)據(jù)表中電流最大值，并鎖定PTPER的值。換能器運(yùn)行過程中，通過定時器計(jì)時，每分鐘調(diào)用一次頻率自動搜索匹配程序，提高最佳諧振頻率跟蹤的實(shí)時性，也可減少人工參與。頻率自動搜索匹配的軟件中斷流程如圖6所示。

5　實(shí)驗(yàn)與分析

實(shí)驗(yàn)采用一個老化的標(biāo)稱頻率為28 kHz的壓電陶瓷換能器，參數(shù)如下：靜態(tài)電容C0=47 nF、動態(tài)電阻R1=470 ?、動態(tài)電感L1=1.5 mH、動態(tài)電容C1=22 nF，串聯(lián)電感L0=0.68 mH，鍵盤輸入標(biāo)稱頻率，并在移相角θ=100°情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在標(biāo)稱頻率附近負(fù)載電流值如表1所示。

圖6　頻率自動搜索匹配中斷流程Fig.6　The interruption process of automatic searching and matching of frequency

表1　標(biāo)稱頻率附近負(fù)載電流值Table 1　The load current value near the nominal frequency

由表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：負(fù)載電流值隨著頻率改變而變化；當(dāng)頻率為28.50 kHz時，負(fù)載電流幅值最大為6.365 A，即換能器最佳諧振頻率為28.50 kHz。單片機(jī)搜索到最大電流后，鎖定該頻率所對應(yīng)周期寄存器PTPER的值，實(shí)現(xiàn)換能器諧振頻率自校驗(yàn)功能。圖7（a）為換能器工作在標(biāo)稱頻率下負(fù)載電壓、電流的波形圖，圖7（b）為頻率補(bǔ)償后負(fù)載電壓電流波形，顯而易見，當(dāng)換能器工作于本方案檢測到的最佳頻率時，負(fù)載電流近似與輸入電壓同相位，電流幅值最大，表明換能器到達(dá)諧振狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了本方案是可行的。

圖7　超聲波換能器實(shí)驗(yàn)波形Fig.7　Experimental waveforms of ultrasonic transducer

6　結(jié)論

本文基于dsPIC30F4011構(gòu)建超聲波換能器諧振頻率上電自校驗(yàn)匹配系統(tǒng)，通過搜索最大負(fù)載電流尋找換能器的諧振頻率，從而使其工作在最佳諧振狀態(tài)。由于系統(tǒng)每次啟動都進(jìn)行掃描，可以克服環(huán)境變化、器件老化導(dǎo)致諧振頻率漂移的問題，同時可避開換能器的次共振頻率點(diǎn)。此外，換能器輸出功率調(diào)整簡易，通過調(diào)節(jié)移相角θ改變輸出電壓有效值，就可有效控制換能器輸出功率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文提出的軟件檢測壓電陶瓷換能器最佳諧振頻率的方案在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中具有可行性。

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Design and implementation of ultrasonic transducer based on single chip microcomputer control

XIAO XipengZHANG JiashengLIU Zuchao
（College of Information and Control Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China）

In order to improve the intellectuality and generality of traditional ultrasonic transducers power，a set of transducer power solutions based on the control core of high-performance dsPIC30F4011 microcomputer were proposed and related hardware and software were designed in this paper.First，the scheme was based on nominal frequency selection of keyboard to widen the nominal frequency of the transducer selection scope. Second，it was based on resonance point detection and optimum frequency setting of the maximum current method to ensure high conversion efficiency of the electro-acoustic transducer.Third，it was based on voltage feedback detection to adjust the output voltage and maintain steady transducer power，and the main detection process was implemented by software.The experimental results demonstrate that the scheme of the ultrasonic transducer power is feasible.

Ultrasonic transducer，Circuit design，DsPIC30F4011 single chip microcomputer，Resonance

TB552

B

1000-310X（2015）02-0113-06

10.11684/j.issn.1000-310X.2015.02.004

2014-05-14收稿；2014-07-29定稿

?山東省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2010GGX10714，2013GSF11607）

肖喜鵬（1989-），男，遼寧丹東人，碩士研究生，研究方向：電力電子與變頻調(diào)速。

E-mail：kuaiest@163.com