超声波电源控制系统的研究

姜朝晨，王洪岩，高国丽

(吉林农业科技学院，吉林 吉林 132101)

0 引言

随着高新技术的发展与超声技术应用领域越来越广泛，我国的超声波技术研究已经取得了非凡的成就。基于此领域的研究正逐步受到研究人员的重视，但其仍存在一些不足，主要体现在：稳定性不高、精度差、质量差、很容易老化、温度趋势严重、频率跟踪逐渐变慢、负载突然变化导致的失锁、人与计算机之间的接口不方便、操作不方便、能量消耗比较大、没办通用法等。

结合发展现状，如自动驾驶操作系统、无线超声波充电技术等，这些新测试对超声波功率提供的新要求。与实践相结合创造设计一个具有高精度、强稳定性、耐久性强、克服温度波动、快速跟踪智能频率、人机友好界面、强集成和灵活控制，主动消耗和超声波电源的低功率将具有相当大的意义。因此，对其进行更深一步的研究就显得尤为重要了。

1 超声波电源的定义

一般超声波电源被称为超声波发生源，超声波发生器，主要由直流滤波电路、牵引逆变器电路、匹配电路、直流斩波电路、传感器和反馈电路组成。硬件链包括服务调节链、BUCK转换链、主逆变器链、控制主链、滤波器链和反馈主链。高功率超声电源通常采用开关形式来开关电源以便于转换效率更加节能。线性电源也有其独特的应用范围，其优点是可以不需要严格要求电路的相互匹配，在一定范围内允许工作频率连续且快速的变化，如图1所示。

图1 超声波电源系统原理结构

2 系统结构设计

超声波电源控制系统结构主要由超声波电源硬件设计、超声波电源软件设计、超声波电源仿真模型搭建3部分组成。

2.1 超声波电源硬件设计

超声波电源硬件设计包括主控制电路板、驱动电路板、外围电路、保护电路、反馈电路等电路模块的设计。同时，还需对超声波电源主电路中的相关器件参数进行计算。

2.2 超声波电源软件设计

超声波电源软件设计包括控制主程序。在主控芯片系统中，采用顶层到底层设计方案，设计了协议栈模块、谐振频率搜索模块、频率跟踪模块、PWM产生模块，编写程序并分别仿真验证，验证频率跟踪方案的可行性。

2.3 超声波电源仿真模型搭建

利用仿真MATLAB软件搭建超声波电源仿真模型并进行调试，对仿真模型中的各项参数进行取值，依据移相角度、输出波形图、谐波含量等仿真结果来验证模型的准确性及控制策略的可行性[1]。

3 项目研究方法

项目研究方法分析超声波电源功能，确定总体方案。功能主要包括主电流的整流电路、逆变电路、匹配电路、调功方式、功率开关。超声波电源系统被分为主电路和电子控制两个主要部分。主电路部分采用单相桥不可控整流感容滤波电路、负载匹配网络、单相全桥逆变电路、BUCK斩波电路[2]。电子控制部分主要采用外围电路、驱动电路和采样电路。所设计的超声电源系统能够满足超声波电源的性能指标，使超声电源能够稳定、正常工作。

3.1 整流电路

整流电路即把交流电转换成直流电的电路。整流电路的大部分部件是滤波器、整流主电路和变压器等。其主要功能之一是将交流侧降压电路的低压交流输出转换为单向脉动直流。整流电路广泛应用于直流电机通信系统电源、调速、同步发电机励磁调节、电解电镀等。整流电路根据不同的角度，按器件组成可分为5大类；按组成器件划分为：不受控、半受控和完全受控3种电路；按电路结构划分为：桥接电路和零式电路；按交流侧输入相数划分为：单相、三相和多相电路；按变压器二次电流方向划分为：单向和双向，其中又分单拍电路和双拍电路；按控制方式划分为：相控电路和斩波电路。所以，整流电路的分类和应用非常广泛。电源电路中的整流电路主要包括半波整流电路、全波整流电路和桥式整流电路三种电路[3]。

3.2 逆变电路

逆变电路是将直流电转换为交流电的电路，与整流电路相对应，有源逆变器是交流端连接到电源；当交流侧直接连接到负载时，则为无源逆变器。在各种直流电源中有干电池、太阳能电池、蓄电池等。当需要这些电源向交流侧负载供电时，需要上述逆变电路。此外，不间断电源，变频器用于交流电机调速，感应加热电源等电力电子设备也得到了广泛的应用，其电路的核心内容多为逆变电路[4]。可见，各逆变电路也广泛应用于大型电子领域。在控制电路的控制下，中间直流电路输出的直流功率转换为频率和电压，两者都是交流电源的任意可调是其主要意义。逆变电路的分类大致可以分为5类，再细分为换向模式分类、单相分类且多相逆变器按输出相数划分，正弦和非正弦逆变器按输出电流波形划分，具有自关闭能力完全控制装置和不依赖开断能力的半控制装置由主电路装置划分，电压和电流类型由直流电源特性划分。

3.3 频率跟踪控制

频率跟踪控制运用频率跟踪方法，结合PID控制算法，提出频率自动跟踪控制方案，以设计的控制方案为中心，对控制系统软件部分进行设计。制作每个模块的程序流程图，并制作主程序、A/D转换程序、PID控制程序等。

3.4 调功方式

在超声波电源的工作过程中，因为工件的温度、外界的环境、工况等一系不可控的外界因素导致换能器电气特性发生变化，导致换能器振幅下降。为保证工件加工质量，需提高驱动电压保证恒功率输出。

调节功率的方法有很多，常用的方式可分为直流侧功率调节和逆变侧功率调节。可根据不同的应用情况选择不同的功率调节方法，以满足不同的要求[5]。

笔者研究了BUCK电路的功率调节算法，通过仿真试验说明了滑模变结构算法应用于电源功率调节的优越性。为了进一步提高超声波电源的稳定性，本文采用二阶Super-Twisting控制算法解决传统滑模控制算法中存在的输出抖振问题，并通过仿真比较验证了该算法的优越性。

3.5 MATLAB搭建仿真模型

MATLAB搭建仿真模型利用MATLB软件建立超声电源仿真模型。首先，对PWM功率调节进行分析，对负载变化时的系统频率跟踪进行仿真分析，并对变步长控制算法下的频率跟踪进行仿真。其次，搭建主控芯片实验平台进行测试和实验分析。

4 拟解决的关键问题

为了使超声波换能器驱动电源获得更优的驱动效果，以满足实际工程应用的需求，在研制超声波电源的过程中，有必要对其中一些关键技术进行深入研究。本人简要分析了频率跟踪技术、功率调制控制技术和阻抗匹配技术。

(1)硬件电路设计包括超声波电源主控电路板、驱动电路板、外围电路、保护电路、反馈电路等电路模块。

(2)当超声电源驱动换能器负载时，由于各种原因，负载的参数往往发生不同程度的变化，导致负载的谐振频率发生相应的变化。如果驱动电源的工作频率仍然固定在以前的谐振状态，电源的输出频率和负载的谐振频率会有一定的差异，这必然会导致电源的工作效率不高，驱动效果不理想。因此，驱动电源必须具有频率自动跟踪功能，才能实时跟踪能量交换器负载的谐振频率变化，获得更高的功率因数。仿真软件控制系统结构搭建仿真模型，对带有死区时间的驱动波形、PID控制参数值的设定及频率自动跟踪控制[6]。

5 应用市场调查

超声波功率源的升级与电子电力器件更新换代有着很大的联系，因此，超声电源可分为管道放大器、晶体管模拟放大器和晶体管数字变换放大器3个阶段。我国超声波行业经过多年的发展，基本形成了充分竞争市场，但目前国产的超声波电源系统产品价格较高，竞争力相对激烈。市面上大部分的超声波控制系统存在跟踪速度慢、电源工作频率及输出功率不稳定、半自动化、使用寿命短等相关技术问题。通过对超声波控制系统的研究，基本实现对超声波电源设计功率控制和频率跟踪控制技术在电气控制连接中，PWM技术在谐振状态下使用，并与易转换技术一起使用，以减少设备损坏并校正输出能量。当频率跟踪时，为了克服监测速度低的问题，采用动态监测策略监测数字相位上的自动频率，实现了自动跟踪频率[7]。

本文运用超声波、跟踪频率、控制算法等技术设计的超波电源将改变传统电源设计的模式，解决电源的工作频率及输出功率不稳定问题，减少人工调整，符合目前自动化发展的要求，提高工作效率。

同时，针对传统电源的不足之处，本文将结合超声波技术、频率跟踪技术、控制算法等相关专业技术，研究设计一套可广泛应用的超声波电源，对提高生成效率，促进我国电源的发展意义重大，拥有十分广阔的市场前景。

6 结语

本项目基于超声波能量产生系统的研究，该系统提供了一种成功且实用的超声波能量设计，分析了大功率器件的选择和功率开关输出的波的特性及对控制方式和控制电子元件的抉择。根据不同形式的数字控制技术所需要的不同的使用场合以及其功能特性所展示出来的差异性，可以得到在对超声电源进行进一步研究的过程中，要对其关键技术部分深入研究的结论。超声波的不断深入发展和各个领域的研究，科学的快速发展需要新一代稳定、高效和强大的超声波能源，即智能超声波电源，一个智能化的超声电源在工业自动化领域中具有不可或缺的地位。