基于頻率搜索和跟蹤的壓電超聲電源設計

陳旺武，劉運毅

(廣西大學計算機與電子信息學院，廣西 南寧 530000)

潔牙機的超聲電源是一種由電能轉換成機械能的裝置，依靠振蕩電路產生高頻交變電信號，利用逆壓電效應驅動壓電陶瓷換能器，使其隨交變電信號產生機械振動，當交變電信號頻率與換能器的諧振頻率相一致時，換能器發生諧振振動，從而輸出最大機械能。

目前國內外的超聲電源設計開發大多采用單片機驅動控制，該方案穩定、可靠，但存在不足[1－2]:①壓電陶瓷換能器的諧振頻帶范圍很窄，基本都在100 Hz 左右，搜索步進過大難以搜到諧振點頻率，步進過小增加搜頻時間，降低設備的靈敏度；②長時間工作下換能系統的諧振頻率點會隨著負載狀態改變、大功率器件發熱溫度升高而發生諧振頻率漂移，導致換能器的諧振減弱甚至停振。

針對這些問題，設計采用半橋式逆變功率放大電路，配合壓控調壓電路控制輸出功率，降低了大功率器件的發熱量；根據諧振狀態下反饋電流最大的特點，設計變步長法搜索最大反饋電流，實現對諧振頻率進行快速搜索；并利用換能器兩端的電壓電流相位差關系，實時監控換能系統的諧振狀態，當系統發生諧振頻率漂移時，單片機自動調節振蕩電路的工作頻率，使電壓電流相位差為零，保持系統工作在諧振狀態，實現諧振頻率的自動跟蹤。

1 系統總體方案設計

根據壓電陶瓷換能器的特性可知[3]，當換能器處于諧振狀態時，其等效電路的阻抗最小，回路中的電流最大。因此利用單片機的AD 采樣來搜索反饋電流最大值所對應的諧振頻率點，且設計變步長的搜頻算法[4]，使系統快速搜索到諧振頻率，同時利用換能器兩端電流電壓的相位差關系，采用PID 控制原理自動跟蹤諧振頻率[5]，使系統工作在諧振狀態。系統框架圖如圖1 所示。

圖1 超聲電源系統框架圖

超聲電源由STM32 單片機產生占空比可控的PWM，輸出電壓控制以TL494 為核心的振蕩電路產生頻率變化的脈沖振蕩信號，將其輸送到逆變功率放大電路，產生高壓交變振蕩信號，驅動換能器轉換為機械振動。當輸出的脈沖振蕩信號頻率與換能器的諧振頻率相同時，回路中的反饋電流最大，由單片機AD 采樣分析找到該頻率點，并以此作為諧振頻率。單片機通過SPI 調節數字電位器MCP41010 的阻值，控制逆變功率放大電路的輸入電壓，調節輸出功率的大小。在工作過程中，實時采集流經換能器的電流及兩端的電壓信號，經數字鑒相電路檢測出相位差，并將相位差信號送入單片機進行PID 分析控制[6]，以調節振蕩電路產生的脈沖振蕩信號頻率，使其處于諧振頻率的范圍內。

2 硬件設計

2.1 電源設計

系統采用AC 220 V 輸入，經降壓、整流和濾波后輸出電壓約為DC 24 V。本設計采用降壓穩壓芯片MCP16331T 實現DC 轉換，擁有寬電壓輸入，可調電壓輸出，可以配置電路分別輸出DC 12V 和DC 5V，滿足系統的用電需求。同時，根據單片機等芯片的供電要求，設計采用LM1117－3.3 電源芯片轉換DC 5V 到DC 3.3 V。

2.2 振蕩電路

振蕩信號的產生有多種方法，最直接簡便的方法是利用單片機輸出PWM，但該方法存在缺陷:輸出功率不足以驅動功率管工作，抗干擾能力差，不利于控制電路的穩定工作。為此，本設計采用一種脈寬調制芯片TL494 產生脈沖振蕩信號[7]。振蕩信號由TL494 的9 腳和10 腳輸出，該信號的頻率由TL494 5 腳的外接電容CT和6 腳的外接電阻RT來決定，振蕩頻率與外接電阻電容的關系式為:

由此可知，控制TL494 的6 腳電壓可以控制振蕩頻率變化，因此設計采用單片機輸出占空比可調的PWM，經多級濾波和運放輸出控制電壓來控制TL494 的6 腳電壓，實現脈沖振蕩信號頻率的調節。

2.3 逆變功率放大電路

由于壓電陶瓷換能器的驅動電壓VPP一般在150 V～400 V 間，因此需要對TL494 輸出的脈沖振蕩信號進行升壓才能驅動換能器工作。因功率管瞬間流過的電流可達1.1 A，為減少功率管發熱，設計采用雙MOSFET 管半橋式逆變升壓[8－9]，由脈沖振蕩信號控制MOSFET 管輪流導通，使逆變功率放大電路的輸入電壓周期性對稱分布在正負半周，經高頻變壓器升壓變成峰峰值在150 V～400 V 的高頻振蕩信號，并送至換能器轉換為機械振蕩。實驗證明，此逆變功率放大電路性能穩定，發熱量少，滿足性能要求。圖2 為逆變功率放大電路設計。

圖2 逆變功率放大電路設計

2.4 振蕩強度控制

控制換能器的振蕩強度可通過控制TL494 輸出的脈沖信號寬度來實現，但會因此加大MOSFET管流過電流的時間而增加發熱量。本設計采用壓控調壓法調節逆變功率放大電路的輸入電壓大小，調節換能器的振蕩強度。如圖3 所示，首先設置TL494 振蕩電路輸出固定脈沖寬度的振蕩信號，接著單片機通過SPI 調節數字電位器MCP41010 的阻值大小，來調節電源芯片TPS54360 的5 腳電壓，以控制TPS54360 的8 腳輸出電壓[10]，從而控制逆變功率放大電路的輸入電壓，使振蕩信號經逆變升壓后的輸出功率可調，實現對換能器振動強度的控制。

圖3 控制原理

2.5 反饋系統設計

當振蕩電路產生的振蕩信號頻率與換能器的諧振頻率相同時，換能器發生諧振振動，此時流過MOSFET 管的電流最大。根據此特點，設計反饋電流采樣系統，單片機輸出步進的PWM 控制TL494產生頻率步進變化的振蕩信號，利用精密采樣電阻使流經MOSFET 管的電流轉換為電壓采樣信號，再通過濾波放大電路將電壓采樣信號放大，送入到單片機進行AD 采樣[11]，得到電流反饋值。

由于系統會存在干擾，需要對反饋電流進行多次AD 轉換并取平均值，以降低采樣誤差。對處理后的反饋電流值進行大小比對，找到最大值，并記錄對應的PWM 值，以該PWM 值控制TL494 產生固定工作頻率的振蕩信號，輸出換能器的諧振頻率。

2.6 頻率自動跟蹤設計

在工作過程中，實時對振蕩頻率進行監控，當振蕩頻率偏離諧振頻率時，流經換能器的電流和電壓之間會產生相位差[12]。如圖4 所示，設計采用相位檢測芯片AD8302 對相位差信號進行檢測[13]，將電流、電壓的采樣信號送入構造相同的運放電路，分別送入相位檢測芯片AD8302 的2 腳和6 腳，從AD8302 的10 腳輸出相位差的電壓信號，單片機對該相位差電壓信號進行AD 采集，利用PID 控制原理，調節振蕩電路步進振蕩信號的工作頻率接近至諧振頻率，實現頻率的自動跟蹤。

圖4 自動跟蹤電路設計

3 軟件設計

單片機采用ST 公司的STM32F103C8T6，整體程序流程如圖5 所示，單片機調節PWM 占空比控制振蕩電路的頻率輸出，并采用變步長算法尋找最大反饋電流，完成諧振頻率的自動搜索；振蕩強度控制信號由MCP41010 控制輸出，反饋電流與相位差信號通過單片機AD 多次采樣測量。系統實時監測諧振狀態，對相位差信號進行PID 計算輸出控制信號，更新振蕩電路的振蕩頻率輸出，對系統的諧振頻率進行自動跟蹤。

圖5 系統整體程序流程圖

本文設計的變步長搜頻方法，其程序流程如圖6所示。開始搜索諧振頻率時，控制振蕩頻率的PWM值為1，檢測反饋電流值，記錄峰值電流i以及對應的頻率值f(頻率值與PWM 值一一對應)。以Δf1作為步進步長，搜頻向右移動，采集回路中的電流i1值，若i1>i，則令f＝f1，i＝i1，并繼續右移Δf1；若i1

圖6 變步長的搜頻算法

4 實驗測試及結果分析

實驗前，選用型號為CC520 的阻抗分析儀，測量自研的壓電陶瓷換能器的性能參數，結果如圖7所示，圖中左邊的圓圈是導納圓，具有波峰與波谷的曲線為對數化的阻抗曲線，最低點為諧振點，最高點為反諧振點。圖中參數，該壓電陶瓷換能器的諧振頻率FS＝32 342 Hz，半功率點F1＝32 280 Hz 和F2＝32 399 Hz，并且有諧振頻帶F2－F1<120 Hz。

圖7 壓電陶瓷換能器的測量參數

實驗中，控制工作頻率變化的PWM 值每步進0x01，測量的頻率變化在30 Hz～40 Hz，滿足掃頻步進要求，同時將每次搜頻從啟動到完成的時間通過串口打印出來。系統通過自動掃頻搜索到換能器工作頻率與FS＝32 342 Hz 的誤差如表1 所示。

表1 搜索的工作頻率與諧振頻率間的誤差

結果分析:實驗中搜索到頻率值與阻抗分析儀測量出的頻率值誤差遠小于120 Hz，且搜頻的響應速度在0.3 s 左右，表明該超聲電源可以較為準確快速地搜索到諧振頻率。

為了驗證超聲電源諧振頻率跟蹤的效果和連續工作的穩定性，在開始實驗時，設定超聲電源的輸出功率為20 W。系統啟動穩定工作后，測得換能器兩端電壓波形如圖8 所示，圖中橫坐標表示波形的頻率，縱坐標表示波形的電壓峰峰值，可以看到該波形的振蕩頻率為32 372 Hz，VPP值為244 V，波形光滑穩定，每小時對超聲電源的輸出功率及對應的工作頻率進行記錄，其值見表2。

表2 電源輸出參數

圖8 輸出電壓波形圖

可以看出，超聲電源的輸出功率穩定在20 W 左右，輸出頻率隨溫漂影響自動在32.3 kHz～32.4 kHz范圍內變化，實現了諧振頻率的自動跟蹤。換能器工作過程中振蕩穩定，可以長時間連續工作。實驗證明該電源具有較好的頻率跟蹤能力，輸出功率穩定，能長時間穩定地工作。

5 結束語

由于壓電陶瓷換能器的諧振頻帶比較窄，搜頻步進過快或過慢均不利于諧振頻率的搜索，同時超聲電源在能量轉換中會產生較大熱量，使系統在長時間工作下易受溫漂影響而不利于系統的穩定工作。針對這些問題，通過基于反饋電流設計變步長搜頻算法搜索諧振頻率，且利用相位差結合PID 控制原理跟蹤諧振頻率，并設計半橋式逆變功率放大電路和壓控調壓電路，在有效降低系統發熱量的同時對換能器的振蕩強度進行調節。實驗表明，壓電陶瓷換能器諧振范圍在28 kHz～35 kHz 的情況下，該設計能較為準確、快速地搜索到諧振頻率，且在工作過程中能實時調節工作頻率，實現諧振頻率的自動跟蹤，保證系統穩定、長時間地工作，對于壓電潔牙機超聲電源的設計提供一定的參考與應用價值。