基于电流搜索与锁相技术的超声碎石电源频率扫描/跟踪

张生芳，邢志超，马付建，刘宇，沙智华(大连交通大学机械工程学院，辽宁大连116028)*

基于电流搜索与锁相技术的超声碎石电源频率扫描/跟踪

张生芳，邢志超，马付建，刘宇，沙智华
(大连交通大学机械工程学院，辽宁大连116028)*

针对超声碎石治疗过程中因负载突变和换能器参数变化等因素导致的频率漂移和失锁问题，提出了一种基于电流搜索与锁相技术复合的频率扫描/跟踪策略，采用基于DDS技术的电流搜索法进行粗扫描/跟踪，以大步长快速扫描/跟踪到超声碎石振动系统的谐振频率附近，转为基于锁相技术的精扫描/跟踪，最终实现超声碎石振动系统谐振频率的快速精确扫描/跟踪.根据该频率扫描/跟踪方法研制超声碎石电源，并对其扫描/跟踪性能进行测试，测试结果表明，运用这种控制方法的超声碎石电源具有频率扫描/跟踪准确、速度快等优点.

超声碎石电源;频率扫描/跟踪;电流搜索;锁相技术

0 引言

目前，超声碎石电源的扫描/频率跟踪方式主要有声反馈和电反馈两种方式，声反馈实现起来比较复杂，目前很少使用.电反馈方法中应用比较广泛的是电流搜索法和锁相环法.董惠娟等人采用了最大电流反馈法，根据谐振频率下阻抗最小、电流最大的原理，很好的实现了换能器的频率扫描/跟踪［1］;李宏等人基于逆变器直流母线电流极性平均值能反应工作频率和电参数的原理，提出了通过电流搜索进行频率扫描/跟踪的方法［2］.另外，日本学者Hiroaki Ikeda等将锁相环应用在了运行频率1 MHz的超声波设备上，达到预期的扫描/跟踪效果［3］;王艳东等人采用CD4046锁相环对换能器工作频率进行扫描/跟踪并对其改进，避免锁相环跟踪死锁情况出现［4］.本文提出一种锁相环和基于DDS电流搜索复合控制的频率扫描/跟踪策略，即粗扫描/跟踪采用基于DDS技术的电流搜索方法，将工作频率快速扫描/跟踪到谐振频率附近;精扫描/跟踪采用锁相环技术将工作频率快速锁定在谐振频率点上，实现频率的精确扫描/跟踪，最终完成超声碎石电源的快速频率扫描/跟踪.

1 频率粗扫描/跟踪技术

1.1 DDS技术简介

DDS技术是一种全数字化的频率合成技术，具有频率分辨率高，频率切换速度快，且切换时相位连续，输出相位噪声低，以及能产生任意波形等优点.

本文以C51单片机作为超声碎石电源的控制器，采用AD9850型DDS芯片作为信号发生的直接频率合成器.该芯片内部的核心部分有相位累加器、数据寄存器、数模转换器、波形存储器和高速比较器，与单片机结合实现可编程控制的频率合成，能产生正弦波、三角波、方波等输出信号.通过单片机变换频率控制字来改变AD9850的输出频率.它的输出频率与频率控制字及参考时钟之间有如下的关系［5］:

式中: fc为外部输入参考时钟频率( MHz) ; fout为输出信号频率( MHz).AD9850的最高时钟支持125 MHz，此时输出的最小分辨率可达到0.029 Hz.

1.2频率粗扫描/跟踪的实现

由换能器的频率特性曲线可知，当超声碎石电源的工作输出频率与换能器的谐振频率一致时，超声碎石电源的输出电流最大，所驱动超声振动系统的振幅最大，系统处于最佳谐振工作状态.基于上述原理，我们采用基于DDS技术的电流搜索法来实现频率粗扫描/跟踪功能.

图1 基于DDS电流搜索的频率粗扫描/跟踪流程图

频率粗扫描/跟踪的软件实现流程如图1所示.电源启动后先初始化频率为f0，步进频率为Δf，立刻进行DDS更新频率f0，并记录此时电流I0;然后进行相位位置关系判断，当采集的电压相位超前于电流相位时，进行加频率运算(反之，减频率)，再次DDS频率更新输出f1，记录对应电流I1，这时对更新后I1和更新前I0进行比较:当I1＞I0时，则反复迭代比较和频率更新;直到I1＜I0时，即完成频率粗扫描/跟踪功能.此时的电流值I = I0已非常接近换能器的最大电流值，输出频率f = f0也已接近超声碎石电源的谐振工作频率.

2 频率精扫描/跟踪技术

2.1锁相原理

能够完成两种电信号相位同步的自动频率跟踪闭环控制系统叫做锁相环，简称PLL.锁相环主要包括3个基本单元［6］:相位比较器PD、压控振荡器VCO和外接R、C组成的无源低通滤波器LPF.PLL功能框图如图2所示.

图2 锁相环原理

相位比较器一个外部输入信号Ui与压控振荡器的输出信号Uo进行比较，产生一个正比于Ui和Uo两信号相位差的误差输出电压Ue，经低通滤波器滤除高频分量后，得到一个控制电压Ud，该电压使VCO的输出频率f2改变，最终使f1= f2，即两信号同频同相时，VCO的控制电压为一定值，这时输出振荡频率不变，即达到锁定状态.

2.2频率精扫描/跟踪的电路设计

锁相环CD4046内部的相位比较器I为异或门结构，采用此相位比较器无法实现无相差的频率跟踪，且要求两比较信号占空比均为50%，适用范围受到限制;而比较器Ⅱ为信号上升沿控制的数字存储网络，它允许输入非对称波形，对信号占空比要求不高，具有很宽的频率捕捉范围，故本文采用相位比较器Ⅱ［7］.在实际电路中，由于隔离驱动、电流采集和电子器件的开关都需要反应时间，致使驱动电压Uo的相位滞后于负载电流Io一相角，因此需加入相位补偿环节［8］.

本文设计了基于锁相环PLL控制的频率精扫描/跟踪电路，如图3所示.电容C1、电阻R1、R2和9脚的控制电压共同决定了压控振荡器VCO的频率输出范围;电阻R3、R4和电容C2构成了锁相环的环路低通滤波器;二极管D1、电容C3和电阻R5、R6组成了它激到自激的转换电路，以解决电路起动瞬间不能自动入锁的问题.对负载采集并经整形滤波的电流信号( 14脚)和VCO的输出信号( 4脚)进行比较，当两比较信号的相位差为零时，锁相环锁定;同时将产生的频率振荡信号反馈给前级，以驱动功放电路工作，形成闭环控制，进而达到频率精扫描/跟踪的目的.结石治疗过程中，超声碎石电源的输出频率会在换能器的谐振频率附近变化，并在锁相环的跟踪下一直处于谐振工作状态.

图3 基于CD4046的频率精扫描/跟踪电路设计

3 复合频率扫描/跟踪研究

3.1复合频率扫描/跟踪的原理分析

本文提出了一种基于电流搜索和锁相技术复合的频率粗精扫描/跟踪的控制方法，其工作原理如图4所示.

图4 基于电流搜索与锁相环的频率扫描/跟踪框图

超声碎石电源启动后，首先采用基于DDS技术的电流搜索法扫描到超声振动系统的谐振频率附近，再通过锁相环技术锁定在谐振频率上，使超声碎石电源在该固有谐振频率下开始结石治疗工作.正常工作时电源的输出频率会在谐振频率附近变化，并在锁相环电路的跟踪下一直处于谐振工作状态.当系统温度升高、参数变化或负载突变时引起锁相环跟踪失锁时，这时立即启动基于电流搜索的频率粗跟踪:通过搜索电流最大值点时谐振频率的方法，快速的将工作频率粗跟踪到换能器谐振频率附近，再利用锁相环PLL进行频率的精跟踪控制，最终使超声碎石电源锁定在谐振频率上工作，从而实现了超声碎石电源的频率粗精扫描/跟踪控制.

3.2复合频率扫描/跟踪的实现

基于DDS电流搜索和锁相环PLL复合的频率扫描/跟踪的控制流程如图5所示.超声碎石电源启动后先扫描确认振动系统的固有谐振频率，每次DDS频率更新输出后进行电流值I1和I0的比较判断，当更新后电流I1＞I0时，采用基于DDS电流搜索法进行频率粗扫描/跟踪到谐振频率点附近，当更新后电流I1＜I0时，采用锁相环技术进行频率精扫描/跟踪到谐振频率后保持输出，超声碎石电源正常工作.全过程中时刻进行锁相环是否失锁的判断，一旦判断得知锁相环失锁发生后，立刻启动基于DDS电流搜索的频率粗扫描/跟踪功能;反之，锁相环未失锁时，系统则以锁相环跟踪到的频率进行工作输出，从而完成超声碎石电源的频率扫描/跟踪控制.

图5 频率扫描/跟踪的程序流程图

4 实验及结果分析

根据上述的理论研究与分析，研制了超声碎石电源样机，所用的超声压电换能器的谐振频率为21.6 kHz，对提出的电流搜索与锁相环复合控制的粗精频率跟踪方法进行试验验证.分别测得超声碎石电源频率失锁和经本文提出的粗精复合频率跟踪后锁定后，并经过整形滤波成方波的输出电压波形和输出电流波形，如图6所示.

由图6中实验波形和测量值的对比分析可知，经复合频率跟踪前后的电压电流相差分别为75.94°和1.920°，跟踪后的电压电流相位差接近为0，此时测得的负载电流值为最大;并且试验过程中突加负载，超声碎石电源系统能迅速、精确的跟踪到振动系统的谐振频率并锁定.通过该试验表明，本文提出的电流搜索和锁相环复合控制的频率跟踪方法，能很好的实现频率扫描/跟踪功能.

5 结论

针对超声碎石电源中因换能器参数变化、负载突变导致的频率漂移和失锁问题，提出了一种基于电流搜索和锁相环相结合的粗精频率跟踪控制策略:先通过电流搜索的方法快速将工作频扫描/跟踪到锁相范围内的谐振频率附近，然后通过锁相环精扫描/跟踪到电压与电流相位差为0的谐振状态.研制超声碎石电源样机，并进行扫描/跟踪性能测试试验，由试验结果可知，应用此跟踪方法的超声碎石电源能迅速、精确的跟踪到振动系统的谐振频率，可将相位差变化控制在2°之内，系统工作稳定可靠;特别是在负载突变的情况下，系统能快速精准的跟踪到负载变化后的谐振频率，使超声振动系统处于最佳工作状态.

［1］董惠娟，张广玉，董玮.压电超声换能器电端匹配下的电流反馈式频率跟踪［J］.哈尔滨工业大学学报，2000，32( 3) : 115-117.

［2］李宏，王崇武，焦振宏.基于直流母线电流极性平均值的负载串联谐振逆变器谐振频率跟踪方法［J］.西北工业大学学报，2010，28( 1) : 96-101.

［3］TAIJU S，HIROAKI I，HIROFUMI Y MEGASONIC.Transducer Drive Utilizing MOSFET DC-to-RFInverter with Output Power of 600W at 1 MHz［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，1999，46 ( 6) : 1159-1173.

［4］王艳东，李赫，王敏慧.锁相环跟踪超声振动系统谐振频率的改进［J］.声学技术，2007，26( 2) : 253-256.

［5］马付建.超声辅助加工系统研发及其在复合材料加工中的应用［D］.大连:大连理工大学，2013.

［6］车保川.基于74HC4046新型频率跟踪电路的研究［J］.现代电子技术，2008，3( 266) : 188-190.

［7］毛鸿.CD4046集成锁相环在感应加热电源中的应用［J］.电子技术应用，1997，10: 51-52.

［8］熊腊森，全亚杰.CD4046锁相环在感应加热电源中的应用［J］.电焊机，2000( 6) : 14-19.

Research on Frequency Scanning and Tracking of Ultrasonic Lithotripsy Power based on Current Search and Phase-Locked Technology

ZHANG Shengfang，XING Zhichao，MA Fujian，LIU Yu，SHA Zhihua
( School of Mechanical Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China)

Aiming at frequency drift and loss of lock problem caused by mutation load，and changes of transducer parameter and others in the process of ultrasonic lithotripsy，the composite of frequency scanning and tracking strategy based on current searching and phase-locked technique is presented.The method of current search based on DDS technology for coarse scanning and tracking is used to scan and track quickly to reach the resonant frequency of ultrasonic lithotripsy vibration system by large step.Then fine scanning and tracking based on phase-locked technology is applied to achieve the rapid，and accurate scanning and tracking in resonant frequency of the ultrasonic lithotripsy vibration system.Ultrasonic lithotripsy power is manufactured according to this frequency scanning and tracking method.Performance testing of the ultrasonic lithotripsy power is completed，which shows that while frequency scanning and tracking，this kind of ultrasonic lithotripsy power has the advantages of accuracy and celerity.

ultrasonic lithotripsy power; frequency scanning and tracking; current search; phase-locked technology

A

1673-9590( 2016) 01-0101-04

2015-03-10

国家高技术研究发展计划资助项目( 2015AA043402) ;辽宁省自然科学基金资助项目( 2014028019) ;辽宁省教育厅高等学校科学研究计划资助项目( L2014181) ;辽宁省博士启动基金资助项目( 20131013)

张生芳( 1973－)，男，教授，博士，主要从事CAD/CAM、难加工材料加工技术的研究

E-mail: zsf@ djtu.edu.cn.