超聲波電源控制系統的研究

姜朝晨，王洪巖，高國麗

(吉林農業科技學院，吉林 吉林 132101)

0 引言

隨著高新技術的發展與超聲技術應用領域越來越廣泛，我國的超聲波技術研究已經取得了非凡的成就。基于此領域的研究正逐步受到研究人員的重視，但其仍存在一些不足，主要體現在：穩定性不高、精度差、質量差、很容易老化、溫度趨勢嚴重、頻率跟蹤逐漸變慢、負載突然變化導致的失鎖、人與計算機之間的接口不方便、操作不方便、能量消耗比較大、沒辦通用法等。

結合發展現狀，如自動駕駛操作系統、無線超聲波充電技術等，這些新測試對超聲波功率提供的新要求。與實踐相結合創造設計一個具有高精度、強穩定性、耐久性強、克服溫度波動、快速跟蹤智能頻率、人機友好界面、強集成和靈活控制，主動消耗和超聲波電源的低功率將具有相當大的意義。因此，對其進行更深一步的研究就顯得尤為重要了。

1 超聲波電源的定義

一般超聲波電源被稱為超聲波發生源，超聲波發生器，主要由直流濾波電路、牽引逆變器電路、匹配電路、直流斬波電路、傳感器和反饋電路組成。硬件鏈包括服務調節鏈、BUCK轉換鏈、主逆變器鏈、控制主鏈、濾波器鏈和反饋主鏈。高功率超聲電源通常采用開關形式來開關電源以便于轉換效率更加節能。線性電源也有其獨特的應用范圍，其優點是可以不需要嚴格要求電路的相互匹配，在一定范圍內允許工作頻率連續且快速的變化，如圖1所示。

圖1 超聲波電源系統原理結構

2 系統結構設計

超聲波電源控制系統結構主要由超聲波電源硬件設計、超聲波電源軟件設計、超聲波電源仿真模型搭建3部分組成。

2.1 超聲波電源硬件設計

超聲波電源硬件設計包括主控制電路板、驅動電路板、外圍電路、保護電路、反饋電路等電路模塊的設計。同時，還需對超聲波電源主電路中的相關器件參數進行計算。

2.2 超聲波電源軟件設計

超聲波電源軟件設計包括控制主程序。在主控芯片系統中，采用頂層到底層設計方案，設計了協議棧模塊、諧振頻率搜索模塊、頻率跟蹤模塊、PWM產生模塊，編寫程序并分別仿真驗證，驗證頻率跟蹤方案的可行性。

2.3 超聲波電源仿真模型搭建

利用仿真MATLAB軟件搭建超聲波電源仿真模型并進行調試，對仿真模型中的各項參數進行取值，依據移相角度、輸出波形圖、諧波含量等仿真結果來驗證模型的準確性及控制策略的可行性[1]。

3 項目研究方法

項目研究方法分析超聲波電源功能，確定總體方案。功能主要包括主電流的整流電路、逆變電路、匹配電路、調功方式、功率開關。超聲波電源系統被分為主電路和電子控制兩個主要部分。主電路部分采用單相橋不可控整流感容濾波電路、負載匹配網絡、單相全橋逆變電路、BUCK斬波電路[2]。電子控制部分主要采用外圍電路、驅動電路和采樣電路。所設計的超聲電源系統能夠滿足超聲波電源的性能指標，使超聲電源能夠穩定、正常工作。

3.1 整流電路

整流電路即把交流電轉換成直流電的電路。整流電路的大部分部件是濾波器、整流主電路和變壓器等。其主要功能之一是將交流側降壓電路的低壓交流輸出轉換為單向脈動直流。整流電路廣泛應用于直流電機通信系統電源、調速、同步發電機勵磁調節、電解電鍍等。整流電路根據不同的角度，按器件組成可分為5大類；按組成器件劃分為：不受控、半受控和完全受控3種電路；按電路結構劃分為：橋接電路和零式電路；按交流側輸入相數劃分為：單相、三相和多相電路；按變壓器二次電流方向劃分為：單向和雙向，其中又分單拍電路和雙拍電路；按控制方式劃分為：相控電路和斬波電路。所以，整流電路的分類和應用非常廣泛。電源電路中的整流電路主要包括半波整流電路、全波整流電路和橋式整流電路三種電路[3]。

3.2 逆變電路

逆變電路是將直流電轉換為交流電的電路，與整流電路相對應，有源逆變器是交流端連接到電源；當交流側直接連接到負載時，則為無源逆變器。在各種直流電源中有干電池、太陽能電池、蓄電池等。當需要這些電源向交流側負載供電時，需要上述逆變電路。此外，不間斷電源，變頻器用于交流電機調速，感應加熱電源等電力電子設備也得到了廣泛的應用，其電路的核心內容多為逆變電路[4]。可見，各逆變電路也廣泛應用于大型電子領域。在控制電路的控制下，中間直流電路輸出的直流功率轉換為頻率和電壓，兩者都是交流電源的任意可調是其主要意義。逆變電路的分類大致可以分為5類，再細分為換向模式分類、單相分類且多相逆變器按輸出相數劃分，正弦和非正弦逆變器按輸出電流波形劃分，具有自關閉能力完全控制裝置和不依賴開斷能力的半控制裝置由主電路裝置劃分，電壓和電流類型由直流電源特性劃分。

3.3 頻率跟蹤控制

頻率跟蹤控制運用頻率跟蹤方法，結合PID控制算法，提出頻率自動跟蹤控制方案，以設計的控制方案為中心，對控制系統軟件部分進行設計。制作每個模塊的程序流程圖，并制作主程序、A/D轉換程序、PID控制程序等。

3.4 調功方式

在超聲波電源的工作過程中，因為工件的溫度、外界的環境、工況等一系不可控的外界因素導致換能器電氣特性發生變化，導致換能器振幅下降。為保證工件加工質量，需提高驅動電壓保證恒功率輸出。

調節功率的方法有很多，常用的方式可分為直流側功率調節和逆變側功率調節。可根據不同的應用情況選擇不同的功率調節方法，以滿足不同的要求[5]。

筆者研究了BUCK電路的功率調節算法，通過仿真試驗說明了滑模變結構算法應用于電源功率調節的優越性。為了進一步提高超聲波電源的穩定性，本文采用二階Super-Twisting控制算法解決傳統滑模控制算法中存在的輸出抖振問題，并通過仿真比較驗證了該算法的優越性。

3.5 MATLAB搭建仿真模型

MATLAB搭建仿真模型利用MATLB軟件建立超聲電源仿真模型。首先，對PWM功率調節進行分析，對負載變化時的系統頻率跟蹤進行仿真分析，并對變步長控制算法下的頻率跟蹤進行仿真。其次，搭建主控芯片實驗平臺進行測試和實驗分析。

4 擬解決的關鍵問題

為了使超聲波換能器驅動電源獲得更優的驅動效果，以滿足實際工程應用的需求，在研制超聲波電源的過程中，有必要對其中一些關鍵技術進行深入研究。本人簡要分析了頻率跟蹤技術、功率調制控制技術和阻抗匹配技術。

(1)硬件電路設計包括超聲波電源主控電路板、驅動電路板、外圍電路、保護電路、反饋電路等電路模塊。

(2)當超聲電源驅動換能器負載時，由于各種原因，負載的參數往往發生不同程度的變化，導致負載的諧振頻率發生相應的變化。如果驅動電源的工作頻率仍然固定在以前的諧振狀態，電源的輸出頻率和負載的諧振頻率會有一定的差異，這必然會導致電源的工作效率不高，驅動效果不理想。因此，驅動電源必須具有頻率自動跟蹤功能，才能實時跟蹤能量交換器負載的諧振頻率變化，獲得更高的功率因數。仿真軟件控制系統結構搭建仿真模型，對帶有死區時間的驅動波形、PID控制參數值的設定及頻率自動跟蹤控制[6]。

5 應用市場調查

超聲波功率源的升級與電子電力器件更新換代有著很大的聯系，因此，超聲電源可分為管道放大器、晶體管模擬放大器和晶體管數字變換放大器3個階段。我國超聲波行業經過多年的發展，基本形成了充分競爭市場，但目前國產的超聲波電源系統產品價格較高，競爭力相對激烈。市面上大部分的超聲波控制系統存在跟蹤速度慢、電源工作頻率及輸出功率不穩定、半自動化、使用壽命短等相關技術問題。通過對超聲波控制系統的研究，基本實現對超聲波電源設計功率控制和頻率跟蹤控制技術在電氣控制連接中，PWM技術在諧振狀態下使用，并與易轉換技術一起使用，以減少設備損壞并校正輸出能量。當頻率跟蹤時，為了克服監測速度低的問題，采用動態監測策略監測數字相位上的自動頻率，實現了自動跟蹤頻率[7]。

本文運用超聲波、跟蹤頻率、控制算法等技術設計的超波電源將改變傳統電源設計的模式，解決電源的工作頻率及輸出功率不穩定問題，減少人工調整，符合目前自動化發展的要求，提高工作效率。

同時，針對傳統電源的不足之處，本文將結合超聲波技術、頻率跟蹤技術、控制算法等相關專業技術，研究設計一套可廣泛應用的超聲波電源，對提高生成效率，促進我國電源的發展意義重大，擁有十分廣闊的市場前景。

6 結語

本項目基于超聲波能量產生系統的研究，該系統提供了一種成功且實用的超聲波能量設計，分析了大功率器件的選擇和功率開關輸出的波的特性及對控制方式和控制電子元件的抉擇。根據不同形式的數字控制技術所需要的不同的使用場合以及其功能特性所展示出來的差異性，可以得到在對超聲電源進行進一步研究的過程中，要對其關鍵技術部分深入研究的結論。超聲波的不斷深入發展和各個領域的研究，科學的快速發展需要新一代穩定、高效和強大的超聲波能源，即智能超聲波電源，一個智能化的超聲電源在工業自動化領域中具有不可或缺的地位。