基于模糊PI 的超聲電源頻率跟蹤系統研究

黃秋霖

（西安石油大學，陜西省油氣測井技術重點實驗室，西安710065）

0 引言

超聲波電源作為超聲技術的重要產物之一在清洗、醫療、焊接等領域的應用極為地廣泛。隨著工業生產的發展，人們對超聲波電源效率、精度、壽命等指標要求越來越高，可對于工業大功率超聲波電源來說，其超聲波換能器在工作時發熱明顯、負載變化范圍大且由于工作環境的原因換能器機械損耗也極為嚴重，這些都會導致超聲波換能器固有的諧振頻率發生漂移。為了極大地提高生產效率和使用壽命，大功率超聲波電源要有精準、快速自動跟蹤換能器諧振頻率的功能。

目前不論是通過相位差還是電流最大值控制實現頻率自動跟蹤多采用傳統的PI 算法，但影響超聲波換能器諧振頻率漂移的因素很多，且諧振頻率偏移量很難用精確的數學模型來表現，所以經典控制理論方法并不能滿足頻率跟蹤校正高精度、快響應的需求，而模糊控制技術作為一種智能先進控制技術可用于超聲波電源的頻率自動跟蹤系統中以滿足生產需求。其次采用STM32 作為智能控制芯片，構建一種基于模糊控制的數字鎖相環頻率跟蹤策略以滿足不同的應用環境，可驅動諧振頻率不同的超聲波換能器。

1 系統工作原理

超聲波電源工作在失諧狀態時，流經超聲波換能器兩端的電壓和電流存在一定的相位差，反之當換能器工作諧振狀態時，電壓和電流相位差為零，也就意味著超聲波電源輸出的頻率與換能器諧振頻率一致，這也是本次頻率跟蹤策略的基本原理。超聲波電源在實際工作中輸出給換能器兩端的電壓和電流波形并不是完美的正弦波，而通過對相位差的控制實現頻率跟蹤則避免了對電壓和電流的高質量要求。本設計原理如圖1 所示。

圖1 超聲波電源工作原理圖

當超聲波換能器開始振動工作時，采用霍爾電壓和電流傳感器分別對換能器兩端高頻交流電壓和電流采樣，采樣后的電壓和電流經過帶通濾波器進行調理濾波，將調理后的電壓電流信號經過鑒相電路得到帶有相位差信息的信號，最后將該信號送給STM32 輸入捕獲端進行數據處理后輸出頻率可變的PWM 給IGBT驅動電路，這樣可以使超聲波電源輸出驅動換能器信號頻率與換能器諧振頻率始終保持一致，實現超聲波電源頻率自動跟蹤的功能，使超聲波電源始終處于最佳的工作狀態從而提高效率和使用壽命。

2 鑒相電路的設計

鑒相電路的目的是為了采集電壓電流的相位差，鑒相電路是頻率跟蹤系統的核心。

圖2 鑒相電路

鑒相電路輸入端的可調電路用來調節輸入信號的幅值，保護鑒相電路。運放LF353 作為電壓電流跟隨器使用，提高驅動和抗干擾能力。LM339 構成過零比較器，形成了幅值為3.3V 方波信號。兩個方波信號經過74LS86 異或門形成一個同頻率的方波，該方波信號的占空比表示相位差的大小Δθ，最后送入STM32 輸入捕獲端進行處理。74LS74D 觸發器D 端和CLK 端分別接電壓和電流信號，輸出端就可得到相位差的狀態信號flag，電壓超前電流為高電平反之為低電平，該狀態信號輸入給STM32 處理。鑒相電路采集的相位差信號如圖3 所示。

圖3 電壓超前電流相位差信號

3 主程序的設計

超聲波電源的控制是通過STM32 主控芯片實現的，其主要作用是通過采樣相位差信號輸出頻率隨時變化的PWM 給驅動電路用來控制逆變電路的輸出信號。主控程序主要有系統初始、顯示屏、PWM 輸出、模糊PI 和相位差信息捕獲五部分程序組成，程序流程如圖4 所示。

圖4 主程序流程圖

4 模糊PI控制

4.1 模糊PI的基本原理

模糊PI 控制就是將PI 控制與模糊控制相結合，對PI 參數不斷地修改和調整，這樣可以避免參數設定對控制過程和控制結果的影響，充分發揮這兩種算法的優勢。模糊PI 控制如圖5 所示，圖5 中e(k)和ec(k)分別是系統的誤差和誤差變化率，同時也是系統的兩個輸入，ΔKp 和ΔKi 則為系統的兩輸出用來調節Kp 和Ki，Ke 和Kec 則為系統誤差和誤差變化率的比例系數。

4.2 輸入量和輸出量模糊化

換能器兩端電壓電流相位差Δθ 為模糊PI 控制器的輸入誤差，根據現實Δθ 變化范圍確定其基本論域為[-90°90°]，模糊化論域為[-6 6]，則量化因子KΔθ=6/90=0.067；輸入誤差變化率eθ 的基本論域為[-3 3]，模糊化論域為[-6 6]，量化因子Keθ=2；輸出比例系數修正量ΔKp 的基本論域為[-0.6 0.6]，模糊論域為[-3 3]，量化因子Gp=0.2；輸出積分系數修正量ΔKi 的基本論域[-600 600]，模糊論域為[-6 6]，量化因子Gi=100。

語言變量選取7 個語言值：負大[NB]、負中[NM]、負小[NS]、零[ZO]、正小[PS]、正中[PM]和正大[PB]。選取三角形隸屬度函數。

圖5 模糊PI基本原理框圖

4.3 模糊控制規則設計

結合Kp 和Ki 取值大小對系統影響作用，分別建立ΔKp 和ΔKi 模糊控制規則表。

表1 ΔKp 規則表

表2 ΔKi 規則表

根據建好的模糊控制規則表和隸屬度函數值，查出模糊PI 控制器輸出P 和I 兩個修正參數模糊輸出值，并計算出Kp 和Ki 的值。

4.4 模糊PI控制程序

模糊PI 算法是以程序的方式實現的，程序流程如圖6 所示。

圖6 模糊PI算法程序

5 實驗結果及分析

對實驗室已有40kHz 的換能器進行阻抗分析得其參數：靜態電容C0=3.073nF、動態電容Cm=0.5553nF、動態電感Lm=27.559mH、等效電阻R1=70.6Ω以及其串聯諧振頻率fs=40652HZ。搭建超聲波電源頻率跟蹤系統仿真模型，將換能器參數代入模型中，分別用PI 和模糊PI 算法實現頻率的自動跟蹤，頻率跟蹤曲線和相位差的變化曲線分別由圖7 和圖8 所示。

圖7 頻率跟蹤曲線對比

圖8 相位差變化曲線

通過頻率和相位差變化曲線可知無論是PI 控制還是模糊PI 控制，最終還是跟蹤到換能器諧振頻率點附近。圖7 表明模糊PI 算法控制的頻率跟蹤曲線相比傳統PI 算法效果更好。圖8 顯示在實現頻率的跟蹤后換能器兩端電壓電流相位差仍然在零點小范圍抖動，這反映了頻率跟蹤系統的自身調整過程。

6 結語

超聲波電源在實際工作中由于負載和溫度的變化其換能器諧振頻率漂移，為了解決提高超聲波電源工作效率和使用壽命，本文將模糊PI 控制算法和數字鎖相環頻率跟蹤策略相融合，并采用STM32 作為主控芯片。仿真結果證明該頻率跟蹤策略響應快、精度高可保證超聲波電源的高效穩定工作。