基于模糊PI 的超声电源频率跟踪系统研究

黄秋霖

（西安石油大学，陕西省油气测井技术重点实验室，西安710065）

0 引言

超声波电源作为超声技术的重要产物之一在清洗、医疗、焊接等领域的应用极为地广泛。随着工业生产的发展，人们对超声波电源效率、精度、寿命等指标要求越来越高，可对于工业大功率超声波电源来说，其超声波换能器在工作时发热明显、负载变化范围大且由于工作环境的原因换能器机械损耗也极为严重，这些都会导致超声波换能器固有的谐振频率发生漂移。为了极大地提高生产效率和使用寿命，大功率超声波电源要有精准、快速自动跟踪换能器谐振频率的功能。

目前不论是通过相位差还是电流最大值控制实现频率自动跟踪多采用传统的PI 算法，但影响超声波换能器谐振频率漂移的因素很多，且谐振频率偏移量很难用精确的数学模型来表现，所以经典控制理论方法并不能满足频率跟踪校正高精度、快响应的需求，而模糊控制技术作为一种智能先进控制技术可用于超声波电源的频率自动跟踪系统中以满足生产需求。其次采用STM32 作为智能控制芯片，构建一种基于模糊控制的数字锁相环频率跟踪策略以满足不同的应用环境，可驱动谐振频率不同的超声波换能器。

1 系统工作原理

超声波电源工作在失谐状态时，流经超声波换能器两端的电压和电流存在一定的相位差，反之当换能器工作谐振状态时，电压和电流相位差为零，也就意味着超声波电源输出的频率与换能器谐振频率一致，这也是本次频率跟踪策略的基本原理。超声波电源在实际工作中输出给换能器两端的电压和电流波形并不是完美的正弦波，而通过对相位差的控制实现频率跟踪则避免了对电压和电流的高质量要求。本设计原理如图1 所示。

图1 超声波电源工作原理图

当超声波换能器开始振动工作时，采用霍尔电压和电流传感器分别对换能器两端高频交流电压和电流采样，采样后的电压和电流经过带通滤波器进行调理滤波，将调理后的电压电流信号经过鉴相电路得到带有相位差信息的信号，最后将该信号送给STM32 输入捕获端进行数据处理后输出频率可变的PWM 给IGBT驱动电路，这样可以使超声波电源输出驱动换能器信号频率与换能器谐振频率始终保持一致，实现超声波电源频率自动跟踪的功能，使超声波电源始终处于最佳的工作状态从而提高效率和使用寿命。

2 鉴相电路的设计

鉴相电路的目的是为了采集电压电流的相位差，鉴相电路是频率跟踪系统的核心。

图2 鉴相电路

鉴相电路输入端的可调电路用来调节输入信号的幅值，保护鉴相电路。运放LF353 作为电压电流跟随器使用，提高驱动和抗干扰能力。LM339 构成过零比较器，形成了幅值为3.3V 方波信号。两个方波信号经过74LS86 异或门形成一个同频率的方波，该方波信号的占空比表示相位差的大小Δθ，最后送入STM32 输入捕获端进行处理。74LS74D 触发器D 端和CLK 端分别接电压和电流信号，输出端就可得到相位差的状态信号flag，电压超前电流为高电平反之为低电平，该状态信号输入给STM32 处理。鉴相电路采集的相位差信号如图3 所示。

图3 电压超前电流相位差信号

3 主程序的设计

超声波电源的控制是通过STM32 主控芯片实现的，其主要作用是通过采样相位差信号输出频率随时变化的PWM 给驱动电路用来控制逆变电路的输出信号。主控程序主要有系统初始、显示屏、PWM 输出、模糊PI 和相位差信息捕获五部分程序组成，程序流程如图4 所示。

图4 主程序流程图

4 模糊PI控制

4.1 模糊PI的基本原理

模糊PI 控制就是将PI 控制与模糊控制相结合，对PI 参数不断地修改和调整，这样可以避免参数设定对控制过程和控制结果的影响，充分发挥这两种算法的优势。模糊PI 控制如图5 所示，图5 中e(k)和ec(k)分别是系统的误差和误差变化率，同时也是系统的两个输入，ΔKp 和ΔKi 则为系统的两输出用来调节Kp 和Ki，Ke 和Kec 则为系统误差和误差变化率的比例系数。

4.2 输入量和输出量模糊化

换能器两端电压电流相位差Δθ 为模糊PI 控制器的输入误差，根据现实Δθ 变化范围确定其基本论域为[-90°90°]，模糊化论域为[-6 6]，则量化因子KΔθ=6/90=0.067；输入误差变化率eθ 的基本论域为[-3 3]，模糊化论域为[-6 6]，量化因子Keθ=2；输出比例系数修正量ΔKp 的基本论域为[-0.6 0.6]，模糊论域为[-3 3]，量化因子Gp=0.2；输出积分系数修正量ΔKi 的基本论域[-600 600]，模糊论域为[-6 6]，量化因子Gi=100。

语言变量选取7 个语言值：负大[NB]、负中[NM]、负小[NS]、零[ZO]、正小[PS]、正中[PM]和正大[PB]。选取三角形隶属度函数。

图5 模糊PI基本原理框图

4.3 模糊控制规则设计

结合Kp 和Ki 取值大小对系统影响作用，分别建立ΔKp 和ΔKi 模糊控制规则表。

表1 ΔKp 规则表

表2 ΔKi 规则表

根据建好的模糊控制规则表和隶属度函数值，查出模糊PI 控制器输出P 和I 两个修正参数模糊输出值，并计算出Kp 和Ki 的值。

4.4 模糊PI控制程序

模糊PI 算法是以程序的方式实现的，程序流程如图6 所示。

图6 模糊PI算法程序

5 实验结果及分析

对实验室已有40kHz 的换能器进行阻抗分析得其参数：静态电容C0=3.073nF、动态电容Cm=0.5553nF、动态电感Lm=27.559mH、等效电阻R1=70.6Ω以及其串联谐振频率fs=40652HZ。搭建超声波电源频率跟踪系统仿真模型，将换能器参数代入模型中，分别用PI 和模糊PI 算法实现频率的自动跟踪，频率跟踪曲线和相位差的变化曲线分别由图7 和图8 所示。

图7 频率跟踪曲线对比

图8 相位差变化曲线

通过频率和相位差变化曲线可知无论是PI 控制还是模糊PI 控制，最终还是跟踪到换能器谐振频率点附近。图7 表明模糊PI 算法控制的频率跟踪曲线相比传统PI 算法效果更好。图8 显示在实现频率的跟踪后换能器两端电压电流相位差仍然在零点小范围抖动，这反映了频率跟踪系统的自身调整过程。

6 结语

超声波电源在实际工作中由于负载和温度的变化其换能器谐振频率漂移，为了解决提高超声波电源工作效率和使用寿命，本文将模糊PI 控制算法和数字锁相环频率跟踪策略相融合，并采用STM32 作为主控芯片。仿真结果证明该频率跟踪策略响应快、精度高可保证超声波电源的高效稳定工作。