超声波电源匹配网络和频率跟踪系统的研究

邓孝祥，葛 飞

（黑龙江科技大学 电气与控制工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022）

0 引 言

1 换能器的匹配网络

1.1 换能器串联匹配

串联匹配等效电路如图1所示，谐振时等效电路如图2所示。

图1 串联匹配等效电路

图2 谐振时等效电路

负载的等效输入阻抗为[4]：

等效输入阻抗为：

可见，串联匹配能使换能器等效阻抗呈纯阻性，且输入阻抗阻值减小，可实现阻抗匹配。

1.2 换能器串联匹配

并联匹配电感等效电路如图3所示，谐振时等效电路为如图4所示。

负载的等效输入导纳为[5]：

商景兰(1605—1676)，字媚生，浙江山阴(今绍兴)人。明朝吏部尚书商周祚长女，与妹商景徽皆有国色而能诗。商景兰16岁嫁与藏书家祁承烨之子祁彪佳为妻，二人以“金童玉女”的佳配被传为美谈。祁彪佳终身未纳妾媵，伉俪相重，世所罕见。顺治二年乙酉(1645)，清兵攻陷南京，祁彪佳自沉殉节，商景兰遵丈夫遗命接掌家业，并带领家族女性从事诗歌创作，闺阁唱和，登临题咏，一时传为胜事。后女祁德琼、子祁班孙先后离世，商景兰死后，祁氏一门风雅亦随家族破败而沦没。现存《锦囊集》，附于《祁彪佳集》之后。

图3 并联匹配电感等效电路

图4 谐振时等效电路

可见，等效输入阻抗不变，且与串联匹配电感相比，电流要小得多。

1.3 匹配电感的确立

通过两种方式的比较，并联匹配输入阻抗较大，且不能实现阻抗变化，需要的电感量也远大于串联匹配，且滤波效果不好；串联匹配输入阻抗较小，能减小内阻消耗，提高效率[6]。电感量也要比并联匹配小得多，兼具滤波和调谐的功能，最终选择串联匹配电感的方式。

2 常用频率自动跟踪方法比较

所谓频率自动跟踪是根据换能器的输出信号频率，对输出的电压与电流相位以及幅值进行控制，跟踪工作中变化的换能器谐振频率。目前，常用的频率自动跟踪有以下几种方法[7]。

2.1 电流最大值法

通过采样检测整流输出端直流母线上的电流，由DSP控制得到最大电流值对应的频率，控制换能器的输出电压频率，设定输出电流的大小。当发生谐振时，换能器阻抗最小，输出电流最大，通过检测输出电流的大小寻找最佳谐振点。

2.2 功率最大法

此方式是通过采样检测换能器的电压和电流计算换能器的输出功率，从而调整最佳谐振，通过观测多组数据、控制变换开关频率得到最大功率信号，在最佳谐振点时输出功率最大。

2.3 相位控制法

当换能器呈阻性负载时，输出功率最大。当输出功率大于其谐振功率时，阻抗相位角为正；当输出功率小于其谐振功率时，阻抗相位角为负。由阻抗相位角的正负即可判断换能器输出的电压与电流的相位关系，因而可以通过相位大小判断换能器的最佳谐振点。

2.4 频率跟踪方式的确立

分析的3种自动跟踪方案中，最大电流法受负载的变化影响较大，且采集的速度较慢；功率最大法操作复杂，数据采集会增加繁琐性，加大工作量；相位控制法操作方便，采集迅速，能时刻监测换能器的输出功率与谐振时的功率相位差值，简单直观[8]。

3 频率跟踪控制系统的设计

超声波电源能为超声波换能器提供所需的高频交流电信号。系统主拓扑为第一级不控整流，第二级Buck电路，第三级移相全桥电路，如图5所示。单相220 V交流电经整流电路再Buck降压电路输送至逆变电路，经隔离变压器升压获得较大高频交流电压。输出电压经过串联匹配电感后，能使超声波振子工作在最佳谐振点。超声波电源频率跟踪控制系统采用TMS32028335的全数字化控制系统，通过锁相电路能实现输出电压与电流的相位跟踪，同时系统也设计了相应的保护电路和调功电路。

图5 频率跟踪控制系统

4 频率跟踪软件算法的实现

4.1 采样电路设计

采样电路包括对输出电压和电流相位的采集。在不影响系统正常工作的情况下，对换能器两端电压和电流信号进行准确处理，实现频率的自动跟踪。本文通过电压互感器和电流互感器进行采样，电压信号Uo经过运放AD828做电压跟随，再由LM311构成过零比较，把电压跟随器输入的交流信号转变成方波，通过捕捉方波上升沿和下降沿来实现超声波电源的相位捕捉。相位捕捉电路如图6和图7所示。当DSP的ECAP1和ECAP2口分别捕捉到电压和电流的相位后，可得到电压和电流频率变化，从而通过其相位差值调整其移相全桥的脉冲频率。

图6 电压波形捕捉相位

图7 电流波形捕捉相位

4.2 判断中断程序流程图

控制器的中断负责对数据时刻进行相位控制。在控制超声波电源输出电压和电流时，需要时刻跟踪电压相位和电流相位，时刻捕捉频率跟踪调理电路的输出波形。在中断时间内，要捕捉两个方波信号，从而得出此时负载的工作状态，并对呈容性负载还是呈感性负载进行判断，从而调整其频率变化。软件设计流程如图8所示。

图8 中断程序流程图

5 实验验证

5.1 换能器的参数

为实现对不同换能器均进行频率跟踪，给出了几组换能器的参数，见表1。

表1 换能器的参数对比

5.2 实验结果

额定输入Vin=220 V，fs=50 Hz；输出功率Po=1.5 kW，频率设定在18～35 kHz；Buck电感L1=800 μH，C2=940 μH；变压器隔直电容C3=4 μF。通过频率跟踪，可使超声波电源的输出电压和电流处在用一频率下，实现频率跟踪。

由图9可以看出，在输入电压220 V、频率17.8 kHz、匹配网络串联的电感量为1.56 mH时，输出电流与电压相位基本一致，很好地实现了频率跟踪。

图9 超声波电源输出电压和电流波形

由超声波换能器两端电压与电流的输出来看，电流和电压波形均为17.8 kHz的近似正弦的交流波形，换能器两端的电压与电流相位差小，可以输出较大的功率，如图10所示。

图10 换能器两端的电压和电流波形

6 结 论

本文对1.5 kW小型超声波电源频率跟踪进行设计，确定电感匹配网络，分析换能器的结构，通过实验验证了超声波电源匹配网络和频率跟踪系统方案的合理性。采样电路能准确测得超声波电源输出电流和电压的精度，实现了相位差的减小，频率跟踪效果好，能使其工作在最佳谐振状态，输出达到最大功率，解决了传统超声波电源频率跟踪方法计算周期数多、过渡时间长的缺点，同时改善了系统的动态响应特性。