超聲波電源匹配網絡和頻率跟蹤系統的研究

鄧孝祥，葛 飛

（黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022）

0 引 言

1 換能器的匹配網絡

1.1 換能器串聯匹配

串聯匹配等效電路如圖1所示，諧振時等效電路如圖2所示。

圖1 串聯匹配等效電路

圖2 諧振時等效電路

負載的等效輸入阻抗為[4]：

等效輸入阻抗為：

可見，串聯匹配能使換能器等效阻抗呈純阻性，且輸入阻抗阻值減小，可實現阻抗匹配。

1.2 換能器串聯匹配

并聯匹配電感等效電路如圖3所示，諧振時等效電路為如圖4所示。

負載的等效輸入導納為[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，商景蘭遵丈夫遺命接掌家業，并帶領家族女性從事詩歌創作，閨閣唱和，登臨題詠，一時傳為勝事。后女祁德瓊、子祁班孫先后離世，商景蘭死后，祁氏一門風雅亦隨家族破敗而淪沒。現存《錦囊集》，附于《祁彪佳集》之后。

圖3 并聯匹配電感等效電路

圖4 諧振時等效電路

可見，等效輸入阻抗不變，且與串聯匹配電感相比，電流要小得多。

1.3 匹配電感的確立

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

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的頻率，控制換能器的輸出電壓頻率，設定輸出電流的大小。當發生諧振時，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。

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算換能器的輸出功率，從而調整最佳諧振，通過觀測多組數據、控制變換開關頻率得到最大功率信號，在最佳諧振點時輸出功率最大。

2.3 相位控制法

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

2.4 頻率跟蹤方式的確立

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

3 頻率跟蹤控制系統的設計

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。系統主拓撲為第一級不控整流，第二級Buck電路，第三級移相全橋電路，如圖5所示。單相220 V交流電經整流電路再Buck降壓電路輸送至逆變電路，經隔離變壓器升壓獲得較大高頻交流電壓。輸出電壓經過串聯匹配電感后，能使超聲波振子工作在最佳諧振點。超聲波電源頻率跟蹤控制系統采用TMS32028335的全數字化控制系統，通過鎖相電路能實現輸出電壓與電流的相位跟蹤，同時系統也設計了相應的保護電路和調功電路。

圖5 頻率跟蹤控制系統

4 頻率跟蹤軟件算法的實現

4.1 采樣電路設計

采樣電路包括對輸出電壓和電流相位的采集。在不影響系統正常工作的情況下，對換能器兩端電壓和電流信號進行準確處理，實現頻率的自動跟蹤。本文通過電壓互感器和電流互感器進行采樣，電壓信號Uo經過運放AD828做電壓跟隨，再由LM311構成過零比較，把電壓跟隨器輸入的交流信號轉變成方波，通過捕捉方波上升沿和下降沿來實現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

控制器的中斷負責對數據時刻進行相位控制。在控制超聲波電源輸出電壓和電流時，需要時刻跟蹤電壓相位和電流相位，時刻捕捉頻率跟蹤調理電路的輸出波形。在中斷時間內，要捕捉兩個方波信號，從而得出此時負載的工作狀態，并對呈容性負載還是呈感性負載進行判斷，從而調整其頻率變化。軟件設計流程如圖8所示。

圖8 中斷程序流程圖

5 實驗驗證

5.1 換能器的參數

為實現對不同換能器均進行頻率跟蹤，給出了幾組換能器的參數，見表1。

表1 換能器的參數對比

5.2 實驗結果

額定輸入Vin=220 V，fs=50 Hz；輸出功率Po=1.5 kW，頻率設定在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，實現頻率跟蹤。

由圖9可以看出，在輸入電壓220 V、頻率17.8 kHz、匹配網絡串聯的電感量為1.56 mH時，輸出電流與電壓相位基本一致，很好地實現了頻率跟蹤。

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 論

本文對1.5 kW小型超聲波電源頻率跟蹤進行設計，確定電感匹配網絡，分析換能器的結構，通過實驗驗證了超聲波電源匹配網絡和頻率跟蹤系統方案的合理性。采樣電路能準確測得超聲波電源輸出電流和電壓的精度，實現了相位差的減小，頻率跟蹤效果好，能使其工作在最佳諧振狀態，輸出達到最大功率，解決了傳統超聲波電源頻率跟蹤方法計算周期數多、過渡時間長的缺點，同時改善了系統的動態響應特性。