基于PSO-PID的超聲電源頻率跟蹤系統設計?

丁艷華，鄭 宏，肖 鳳，馬海樂

(1.江蘇大學機械工程學院，江蘇 鎮江 212013；2.江蘇大學食品與生物工程學院，江蘇 鎮江 212013；3.江蘇大學電氣信息工程學院，江蘇 鎮江 212013)

目前功率超聲已應用于醫學檢測與治療、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超聲中常用的模擬電路閉環控制，并發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化算法中由于其穩定可靠、動態適應性強，針對不同的系統可做改進，在閉環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。控制部分采用高速微控制器聯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 閉環控制，使頻率跟蹤更加快速、精確。

1 主電路拓撲結構

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定，調功時連續性好。

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。

2 頻率控制設計

頻率控制采用數字控制，避免傳統模擬控制不穩定、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。控制系統結構如圖2 所示。

圖2 超聲電源控制系統結構圖

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控制系統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，用傳統的Ziegler-Nichols(ZN)法所得的參數不能滿足該系統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]。基于改進粒子群算法的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為上一代粒子最優值，gBEST上一代群體最優值。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位置和全局最優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，輸出得到的最優解，并結束。若不滿足，更新粒子群，計算新粒子群的最優位置。

3 電源的參數設計

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。

4 樣機調試結果

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 結論

本文設計了一種功率連續可調，可實現頻率快速跟蹤的超聲波電源。功率調節采用可控硅連續調功技術，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，結果表明功率調節連續平滑，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。