基于频率搜索和跟踪的压电超声电源设计

陈旺武，刘运毅

(广西大学计算机与电子信息学院，广西 南宁 530000)

洁牙机的超声电源是一种由电能转换成机械能的装置，依靠振荡电路产生高频交变电信号，利用逆压电效应驱动压电陶瓷换能器，使其随交变电信号产生机械振动，当交变电信号频率与换能器的谐振频率相一致时，换能器发生谐振振动，从而输出最大机械能。

目前国内外的超声电源设计开发大多采用单片机驱动控制，该方案稳定、可靠，但存在不足[1－2]:①压电陶瓷换能器的谐振频带范围很窄，基本都在100 Hz 左右，搜索步进过大难以搜到谐振点频率，步进过小增加搜频时间，降低设备的灵敏度；②长时间工作下换能系统的谐振频率点会随着负载状态改变、大功率器件发热温度升高而发生谐振频率漂移，导致换能器的谐振减弱甚至停振。

针对这些问题，设计采用半桥式逆变功率放大电路，配合压控调压电路控制输出功率，降低了大功率器件的发热量；根据谐振状态下反馈电流最大的特点，设计变步长法搜索最大反馈电流，实现对谐振频率进行快速搜索；并利用换能器两端的电压电流相位差关系，实时监控换能系统的谐振状态，当系统发生谐振频率漂移时，单片机自动调节振荡电路的工作频率，使电压电流相位差为零，保持系统工作在谐振状态，实现谐振频率的自动跟踪。

1 系统总体方案设计

根据压电陶瓷换能器的特性可知[3]，当换能器处于谐振状态时，其等效电路的阻抗最小，回路中的电流最大。因此利用单片机的AD 采样来搜索反馈电流最大值所对应的谐振频率点，且设计变步长的搜频算法[4]，使系统快速搜索到谐振频率，同时利用换能器两端电流电压的相位差关系，采用PID 控制原理自动跟踪谐振频率[5]，使系统工作在谐振状态。系统框架图如图1 所示。

图1 超声电源系统框架图

超声电源由STM32 单片机产生占空比可控的PWM，输出电压控制以TL494 为核心的振荡电路产生频率变化的脉冲振荡信号，将其输送到逆变功率放大电路，产生高压交变振荡信号，驱动换能器转换为机械振动。当输出的脉冲振荡信号频率与换能器的谐振频率相同时，回路中的反馈电流最大，由单片机AD 采样分析找到该频率点，并以此作为谐振频率。单片机通过SPI 调节数字电位器MCP41010 的阻值，控制逆变功率放大电路的输入电压，调节输出功率的大小。在工作过程中，实时采集流经换能器的电流及两端的电压信号，经数字鉴相电路检测出相位差，并将相位差信号送入单片机进行PID 分析控制[6]，以调节振荡电路产生的脉冲振荡信号频率，使其处于谐振频率的范围内。

2 硬件设计

2.1 电源设计

系统采用AC 220 V 输入，经降压、整流和滤波后输出电压约为DC 24 V。本设计采用降压稳压芯片MCP16331T 实现DC 转换，拥有宽电压输入，可调电压输出，可以配置电路分别输出DC 12V 和DC 5V，满足系统的用电需求。同时，根据单片机等芯片的供电要求，设计采用LM1117－3.3 电源芯片转换DC 5V 到DC 3.3 V。

2.2 振荡电路

振荡信号的产生有多种方法，最直接简便的方法是利用单片机输出PWM，但该方法存在缺陷:输出功率不足以驱动功率管工作，抗干扰能力差，不利于控制电路的稳定工作。为此，本设计采用一种脉宽调制芯片TL494 产生脉冲振荡信号[7]。振荡信号由TL494 的9 脚和10 脚输出，该信号的频率由TL494 5 脚的外接电容CT和6 脚的外接电阻RT来决定，振荡频率与外接电阻电容的关系式为:

由此可知，控制TL494 的6 脚电压可以控制振荡频率变化，因此设计采用单片机输出占空比可调的PWM，经多级滤波和运放输出控制电压来控制TL494 的6 脚电压，实现脉冲振荡信号频率的调节。

2.3 逆变功率放大电路

由于压电陶瓷换能器的驱动电压VPP一般在150 V～400 V 间，因此需要对TL494 输出的脉冲振荡信号进行升压才能驱动换能器工作。因功率管瞬间流过的电流可达1.1 A，为减少功率管发热，设计采用双MOSFET 管半桥式逆变升压[8－9]，由脉冲振荡信号控制MOSFET 管轮流导通，使逆变功率放大电路的输入电压周期性对称分布在正负半周，经高频变压器升压变成峰峰值在150 V～400 V 的高频振荡信号，并送至换能器转换为机械振荡。实验证明，此逆变功率放大电路性能稳定，发热量少，满足性能要求。图2 为逆变功率放大电路设计。

图2 逆变功率放大电路设计

2.4 振荡强度控制

控制换能器的振荡强度可通过控制TL494 输出的脉冲信号宽度来实现，但会因此加大MOSFET管流过电流的时间而增加发热量。本设计采用压控调压法调节逆变功率放大电路的输入电压大小，调节换能器的振荡强度。如图3 所示，首先设置TL494 振荡电路输出固定脉冲宽度的振荡信号，接着单片机通过SPI 调节数字电位器MCP41010 的阻值大小，来调节电源芯片TPS54360 的5 脚电压，以控制TPS54360 的8 脚输出电压[10]，从而控制逆变功率放大电路的输入电压，使振荡信号经逆变升压后的输出功率可调，实现对换能器振动强度的控制。

图3 控制原理

2.5 反馈系统设计

当振荡电路产生的振荡信号频率与换能器的谐振频率相同时，换能器发生谐振振动，此时流过MOSFET 管的电流最大。根据此特点，设计反馈电流采样系统，单片机输出步进的PWM 控制TL494产生频率步进变化的振荡信号，利用精密采样电阻使流经MOSFET 管的电流转换为电压采样信号，再通过滤波放大电路将电压采样信号放大，送入到单片机进行AD 采样[11]，得到电流反馈值。

由于系统会存在干扰，需要对反馈电流进行多次AD 转换并取平均值，以降低采样误差。对处理后的反馈电流值进行大小比对，找到最大值，并记录对应的PWM 值，以该PWM 值控制TL494 产生固定工作频率的振荡信号，输出换能器的谐振频率。

2.6 频率自动跟踪设计

在工作过程中，实时对振荡频率进行监控，当振荡频率偏离谐振频率时，流经换能器的电流和电压之间会产生相位差[12]。如图4 所示，设计采用相位检测芯片AD8302 对相位差信号进行检测[13]，将电流、电压的采样信号送入构造相同的运放电路，分别送入相位检测芯片AD8302 的2 脚和6 脚，从AD8302 的10 脚输出相位差的电压信号，单片机对该相位差电压信号进行AD 采集，利用PID 控制原理，调节振荡电路步进振荡信号的工作频率接近至谐振频率，实现频率的自动跟踪。

图4 自动跟踪电路设计

3 软件设计

单片机采用ST 公司的STM32F103C8T6，整体程序流程如图5 所示，单片机调节PWM 占空比控制振荡电路的频率输出，并采用变步长算法寻找最大反馈电流，完成谐振频率的自动搜索；振荡强度控制信号由MCP41010 控制输出，反馈电流与相位差信号通过单片机AD 多次采样测量。系统实时监测谐振状态，对相位差信号进行PID 计算输出控制信号，更新振荡电路的振荡频率输出，对系统的谐振频率进行自动跟踪。

图5 系统整体程序流程图

本文设计的变步长搜频方法，其程序流程如图6所示。开始搜索谐振频率时，控制振荡频率的PWM值为1，检测反馈电流值，记录峰值电流i以及对应的频率值f(频率值与PWM 值一一对应)。以Δf1作为步进步长，搜频向右移动，采集回路中的电流i1值，若i1>i，则令f＝f1，i＝i1，并继续右移Δf1；若i1

图6 变步长的搜频算法

4 实验测试及结果分析

实验前，选用型号为CC520 的阻抗分析仪，测量自研的压电陶瓷换能器的性能参数，结果如图7所示，图中左边的圆圈是导纳圆，具有波峰与波谷的曲线为对数化的阻抗曲线，最低点为谐振点，最高点为反谐振点。图中参数，该压电陶瓷换能器的谐振频率FS＝32 342 Hz，半功率点F1＝32 280 Hz 和F2＝32 399 Hz，并且有谐振频带F2－F1<120 Hz。

图7 压电陶瓷换能器的测量参数

实验中，控制工作频率变化的PWM 值每步进0x01，测量的频率变化在30 Hz～40 Hz，满足扫频步进要求，同时将每次搜频从启动到完成的时间通过串口打印出来。系统通过自动扫频搜索到换能器工作频率与FS＝32 342 Hz 的误差如表1 所示。

表1 搜索的工作频率与谐振频率间的误差

结果分析:实验中搜索到频率值与阻抗分析仪测量出的频率值误差远小于120 Hz，且搜频的响应速度在0.3 s 左右，表明该超声电源可以较为准确快速地搜索到谐振频率。

为了验证超声电源谐振频率跟踪的效果和连续工作的稳定性，在开始实验时，设定超声电源的输出功率为20 W。系统启动稳定工作后，测得换能器两端电压波形如图8 所示，图中横坐标表示波形的频率，纵坐标表示波形的电压峰峰值，可以看到该波形的振荡频率为32 372 Hz，VPP值为244 V，波形光滑稳定，每小时对超声电源的输出功率及对应的工作频率进行记录，其值见表2。

表2 电源输出参数

图8 输出电压波形图

可以看出，超声电源的输出功率稳定在20 W 左右，输出频率随温漂影响自动在32.3 kHz～32.4 kHz范围内变化，实现了谐振频率的自动跟踪。换能器工作过程中振荡稳定，可以长时间连续工作。实验证明该电源具有较好的频率跟踪能力，输出功率稳定，能长时间稳定地工作。

5 结束语

由于压电陶瓷换能器的谐振频带比较窄，搜频步进过快或过慢均不利于谐振频率的搜索，同时超声电源在能量转换中会产生较大热量，使系统在长时间工作下易受温漂影响而不利于系统的稳定工作。针对这些问题，通过基于反馈电流设计变步长搜频算法搜索谐振频率，且利用相位差结合PID 控制原理跟踪谐振频率，并设计半桥式逆变功率放大电路和压控调压电路，在有效降低系统发热量的同时对换能器的振荡强度进行调节。实验表明，压电陶瓷换能器谐振范围在28 kHz～35 kHz 的情况下，该设计能较为准确、快速地搜索到谐振频率，且在工作过程中能实时调节工作频率，实现谐振频率的自动跟踪，保证系统稳定、长时间地工作，对于压电洁牙机超声电源的设计提供一定的参考与应用价值。