對超聲波細胞粉碎機頻率跟蹤技術的研究

翁蕓，李偉

（寧波職業技術學院，浙江寧波，315800）

0 引言

自動頻率跟蹤技術對超聲波細胞粉碎機的高效穩定運行發揮著重要作用[1]。鎖相式頻率跟蹤技術因其具有良好的窄帶特性，且換能器電壓、電流的波形好壞對頻率跟蹤影響不大等原因，被廣泛應用在它激式大功率超聲設備中，但這種頻率跟蹤技術也有缺點，其一、它會因換能器具有多個諧振頻率而出現誤跟蹤，這時頻率死鎖于鎖相環頻率的頂端或換能器的二次諧波，致使設備工作異常。第二、因換能器的電抗無法完全匹配，剩余的電抗導致鎖定的頻率偏離換能器串聯諧振頻率，使得換能器工作效率降低。本文通過分析換能器的電路等效模型，采用MATLAB軟件計算出鎖相環鎖定時相位差對頻率和輸出功率的影響，設計出采用數控移相電路實現頻率微調的復合式頻率跟蹤控制系統，并通過實驗驗證其可行性。

1 壓電換能器的等效阻抗特性

超聲波壓電換能器是超聲振動系統的主要組成部分，由電學臂支路和機械臂支路兩部分組成，可視為非線性容性負載，其靜態等效電路[2]如圖1(a)所示，表1為各部分等效情況[3]。其復阻抗和相位角計算公式為：

表1 超聲波壓電換能器的靜態等效

當換能器在正常工作的時候，機械臂L1、C1所在支路產生串聯諧振，此時換能器等效電路如圖1(b)所示，表現出一定的容抗特性。為保證發生器主功率系統與換能器系統之間最有效地進行能量傳輸，必須建立合理的匹配網絡，以改變負載的阻抗特性。

圖1 壓電換能器等效電路

2 移相式鎖相環頻率跟蹤的基本原理

在實際應用中發現，換能器的諧振頻率變化有瞬時和緩慢兩種形式。當負載突然變化時，換能器的諧振頻率也立刻變化，而當換能器的溫度緩慢變化時，其諧振頻率也跟著緩慢變化，對于不同的變化形式，可以采用不同的頻率跟蹤方法如對于瞬時頻率跟蹤采用鎖相跟蹤方式效果較好，而對于換能器因溫度及性能一致性差等原因引起的的諧振頻率漂移用電流反饋來跟蹤則更合適，如果采用兩者相結合的辦法可以解決鎖相跟蹤易失鎖和電流反饋式響應速度慢的缺點。由此可見復合式跟蹤法綜合了各種頻率跟蹤方法的優點且彌補了各自的缺點，使得頻率跟蹤更加可靠。本設計采用鎖相環跟蹤和電流反饋跟蹤相結合的復合式頻率自動跟蹤方式，其中電流反饋跟蹤通過線性移相電路實現。

從諧振頻率附近的壓電換能器等效電路分析得知，當壓電換能器處于諧振狀態時，加在其兩端的電壓信號和流過其中的電流信號的相位是相同的。當激勵信號的頻率偏離換能器的諧振頻率時，換能器工作于失諧狀態，其兩端的電壓信號與流過其中的電流信號不再同相位。此時將換能器兩端采樣得到電壓和電流信號,送入到鑒相器,由鑒相器比較輸入信號與輸出信號之間的相位差,產生誤差信號[4],經低通濾波器形成激勵振動系統諧振頻率變化的控制信號，朝著減小相位差的方向改變壓控振蕩器的頻率，使之與輸入信號頻率相同，讓換能器工作于電壓與電流同相狀態，就是鎖相壓控振蕩方式的理論依據。

由圖2可知，設電流相位為θ(i)，電壓相位θ(v)，電流移相后的相位為θ(i)′，設θ(i)′=θ(i)+Δθ，按照鎖相環工作原理，鎖相環路根據輸入電流和電壓信號的相位差改變壓控振蕩器的頻率，減小二者的相差，最終使電流和電壓相位為0。即θ(i)′-θ(v)=0，把θ(i)′代入公式得：θ(v)=θ(i)+Δθ，可推論出鎖相環頻率一旦鎖定，換能器的電壓和電流之間會存在Δθ的相位差值。

圖2 移相式鎖相環頻率跟蹤結構圖

在上述θ(ω)公式中，取C0=8nf，C1=72pF，R1=20Ω， L1=89mH，用MATLIB仿真得相位差和頻率之間的關系如圖3所示。

圖3 相位差與頻率的關系圖

由圖4可見，Δθ和f在諧振頻率的附近成良好的線性關系，調整Δθ大小即可微調f的大小，調整的范圍由換能器的參數決定，一般在200Hz左右，用這種移相式頻率微調法，不僅解決了鎖相環鎖定的頻率完全由硬件電路決定所導致的頻率調整靈活性不高的缺點，還可以如圖4所示，通過調整相位差微調輸出功率的大小。

圖4 相位差與功率的關系

3 自動頻率跟蹤電路的設計及參數計算

自動頻率跟蹤電路由信號采樣電路、信號整形電路、數控移相電路、鎖相環電路及解鎖電路組成，主要電路設計如下所述：

3.1 信號采樣電路的設計

在超聲波電源輸出回路中串聯電流互感器，用其采樣電流信號，采用并聯電阻法來采集電壓信號，即在換能器兩端并聯兩個大阻值電阻來采樣電壓信號。

3.2 信號整形電路的設計

如圖5所示，該部分由前后兩級組成，前級是二階低通濾波電路，濾除高次諧波信號，后級是過零比較器，把前級輸出信號轉換為方波信號，傳送給CD4046鎖相環電路。

圖5 信號整形電路

3.3 數控移相電路設計

超聲波換能器長時間工作后，因溫升等原因其諧振頻率會漂移，電源驅動頻率也要隨之而變化，因此移相電路要能在設備運行過程中，在頻率自動跟蹤的前提下根據超聲波驅動電源電流的大小微調相位。本設計采用線性移相電路，其工作原理為：電流采樣信號先經過零比較器變換成矩形波信號；然后將此信號變成頻率和相位相同并且幅值恒定的三角波；再通過電壓比較器與直流電壓比較后實現移相，通過調節直流電壓即可調節移相角的大小。這種移相設計使電路受頻率影響程度減小，并且有基本的線性特性。電路設計如圖6所示。

圖6 數控線性移相電路圖

本設計采用MAXIM公司的MAX5128數字電位器來調整比較電壓，從而實現自動移相的控制。該電位器內有128個分級的22k端到端電阻，用簡單的2線上/下型控制接口來對滑動端位置進行編程；MAX5128的相對溫度系數只有5ppm/℃，能在-40℃~+85℃溫度范圍內正常工作。

單片機的P3.0和P3.1口對其進行控制，當引腳DN端為低電平、引腳UP端由高電平變低電平時,可使滑動端位置向上遞增；而管腳UP端為低電平、管腳DN端由高電平變低電平時，可使滑動端位置向下遞減。由原理圖可知遞增時數字電位器滑動端電壓升高，遞減時該電壓降低。要編程非易失存儲器時，先拉高UP，后拉高DN，然后再把UP和DN管腳由高電平變為低電平即可完成數據存儲。MAX5128內部有上電復位電路，上電后則由非易失存儲器載入到滑動端的位置[5]。為提高數字電位器的使用壽命，頻率跟蹤時不要頻繁地存儲數據，只要保存一個頻率跟蹤相對穩定的位置，工作時再實時調整。

3.4 鎖相環電路設計

本設計選用CD4046鎖相環芯片，其原理圖如圖7所示，根據設計要求頻率跟蹤范圍為17k～22k，取C1=4700pF，根據頻率計算公式得R1=12.4k，R2=42.3k，實際電路中取R1為10k電阻和10k電位器串聯，R2為30k電阻和10k電位器串聯，RP1和RP2用來實現頻率微調。圖中R14、R15和C8組成低通濾波電路，Vcout為頻率輸出信號。當鎖相環因為各種原因導致換能器諧振頻率失鎖后，鎖相環內部壓控振蕩器輸出頻率將死鎖于上限頻率，這時CD4046的第9腳電壓會接近電源電壓，當該電壓高于LM393同相端電壓時，LM393輸出為低電平，該信號送到單片機外部中斷口線，使單片機進入中斷程序，復位鎖相環電路，讓其重新掃描。

圖7 CD4046鎖相環電路

4 頻率自動跟蹤軟件設計

本文設計的頻率自動跟蹤軟件包括兩個模塊，電流檢測模塊和硬件鎖相環工作狀態監控模塊。電流檢測模塊可通過A/D轉換器，把電流采樣信號轉換成為數字信號。單片機需實時檢測換能器工作電流，測得當前工作電壓下的電流最大值，并根據電流值的變化趨勢，適當調整電流和電壓的相差，維持工作電流的穩定。硬件鎖相環工作狀態監控模塊則實時監控鎖相環的工作狀態，一旦鎖相環失鎖則馬上執行解鎖程序，如果多次解鎖后都無法鎖定頻率，則微調移相電路，如果鎖相環恢復正常工作，則保存現在的相差值和工作電流值，為以后的工作狀態調整做參考。如果經移相后也無法讓設備正常工作，則立即停止工作并報警。鎖相環監控程序流程圖以及電流檢測模塊流程圖如圖8，圖9所示。

圖8 鎖相環監控程序流程

圖9 電流檢測模塊程序流程

5 頻率跟蹤電路實驗測試

根據以上的分析，對頻率跟蹤電路進行實驗測試，用DS2072A數字示波器測得頻率未鎖定前電壓和電流波形，圖10為未鎖定前電壓和電流波形圖，圖11為頻率鎖定后電壓和電流波形。

圖10 未鎖定前電壓和電流波形圖

圖11 頻率鎖定后電壓和電流波形

圖11可見頻率鎖定后電流相位略超前于電壓相位，但換能器輸出功率卻達最大值。實驗還發現增加匹配網絡后，工作穩定性明顯好于匹配前，且在同等的電壓下輸出功率也明顯提高。圖12表示的是在同等電壓下通過移相電路測得的串接匹配電感前后頻率和輸出功率之間的關系，圖中失鎖頻率是在鎖定后微調相位情況下測得，可見在相位鎖定后，利用移相電路可以微調頻率，使換能器到達最佳工作狀態。對自動頻率跟蹤性能測試需要花費很長的時間，因為換能器諧振頻率偏移是在一個漫長過程中發生的，工程中可以通過串接不同大小的匹配電感來測試移相式頻率跟蹤電路的性能，圖13為相位未調節和調節后在串接不同匹配電感的輸出功率圖形，由圖可見，通過調整相差值可以微調輸出功率。

圖12 匹配前后不同相移時的輸出功率圖

圖13 相位調節前后輸出功率

6 結論

本設計在鎖相控制前端增加數控移相電路，實現相位鎖定后的頻率微調，實踐證明該方法對于換能器諧振頻率動態偏移時的頻率跟蹤有效。通過實驗可知，采用鎖相環方案進行頻率跟蹤，盡管主控芯片CD4046具備窄帶濾波特性，但還是存在誤跟蹤現象，為了系統更加可靠穩定，本設計在鎖相控制前端設計了數控移相電路，實現相位鎖定后的頻率微調，對于不同的匹配電感單片機通過數控移相電路總能找到最佳工作點，此時輸出功率遠大于調節前，而一旦頻率失鎖，單片機通過數控移相電路微調工作頻率，讓其恢復正常。同樣當負載阻抗變化時，數控移相電路同樣可以通過相位差的調節讓換能器穩定工作，這種靈活的控制方法使得超聲波細胞粉碎機的整體性能得到了明顯的改善。