文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.10.035
中文引用格式： 李長有,，李帥濤，劉遵. 超聲波電源的復(fù)合頻率跟蹤策略研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2016,，42(10)：135-137,141.
英文引用格式： Li Changyou，Li Shuaitao,，Liu Zun. Research on the composite frequency tracking strategy of ultrasonic power[J].Application of Electronic Technique,，2016，42(10)：135-137,141.
0 引言
超聲加工常采用壓電式換能器，由于壓電式換能器在加工的過程中會因負(fù)載劇烈變化,、發(fā)熱,、磨損、疲勞等因素,，導(dǎo)致?lián)Q能器的阻抗特性發(fā)生變化,，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)諧振頻率發(fā)生漂移[1-2]。此時,，若超聲波電源無法自動跟蹤換能器諧振頻率變化,，會造成整個超聲振動系統(tǒng)失諧，超聲電源會因失諧導(dǎo)致逆變電路損耗增大,，甚至?xí)龤С暡娫?sup>[3],。因此，頻率自動跟蹤技術(shù)在超聲波電源系統(tǒng)中占據(jù)重要地位,，超聲振動系統(tǒng)常采用電反饋方式,，電反饋大致可分為阻抗電橋方式,、搜索電流極值方式及鎖相環(huán)方式三種[4]。阻抗電橋頻率跟蹤方式實現(xiàn)高精度的動態(tài)電橋平衡太過困難,，難以滿足換能器負(fù)載時變特性,；由于壓電換能器的阻抗特性影響，搜索電流極值方式易導(dǎo)致頻率跟蹤系統(tǒng)誤跟蹤,；鎖相環(huán)方式頻率跟蹤系統(tǒng)在應(yīng)對換能器負(fù)載突變時,，其系統(tǒng)容易發(fā)生失鎖現(xiàn)象[5-6]。為此,，提出一種基于數(shù)字鎖相式頻率跟蹤技術(shù)與變步長搜索電流極值方式相結(jié)合的復(fù)合頻率跟蹤策略,。
1 復(fù)合頻率跟蹤策略控制原理
1.1 頻率跟蹤原理
在超聲振動系統(tǒng)中，超聲波換能器阻抗特性呈現(xiàn)非線性變化,，超聲系統(tǒng)的諧振頻率與電壓和電流之間的相位關(guān)系如圖1所示,，當(dāng)ω<ωs時，換能器中流過的電流的相位超前電壓的相位,，表明超聲波電源的輸出頻率低于換能器的實際工作頻率,；當(dāng)ωs<ω時，換能器中流過的電壓相位超前電流的相位,，表明超聲波電源輸出頻率高于換能器的實際工作頻率,；當(dāng)ω=ωs時，換能器中流過的電壓和電流相位相同,，表明超聲波輸出頻率等于換能器的實際工作頻率,，為鎖相環(huán)方式頻率跟蹤技術(shù)提供了理論基礎(chǔ)[7]。超聲波換能器在諧振狀態(tài)時其等效電路阻抗最小,，換能器環(huán)路電流幅值最大,，電流隨諧振頻率變化近似為正比例關(guān)系，為搜索電流值頻率跟蹤技術(shù)提供依據(jù)[8],。
1.2 復(fù)合頻率跟蹤技術(shù)控制原理
復(fù)合頻率跟蹤策略綜合鎖相環(huán)方式和搜索電流極值方式的優(yōu)點,，以換能器的反饋電流值和電壓與電流的相位差作為判斷超聲系統(tǒng)是否失諧的判據(jù)。在遠(yuǎn)離系統(tǒng)諧振頻帶條件下,，采用搜索電流極值方式實現(xiàn)頻率跟蹤,，以相位差信息判斷電流搜索方向，依據(jù)電流極值判斷搜索步距,，加速頻率跟蹤系統(tǒng)響應(yīng)速率,；若系統(tǒng)處在諧振頻帶內(nèi)，系統(tǒng)采用鎖相環(huán)方式實現(xiàn)頻率跟蹤,，通過數(shù)字鑒相電路實現(xiàn)高精度頻率跟蹤,。復(fù)合頻率跟蹤系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。
由于理論和實際的差別,，采樣電路的誤差存在,，會導(dǎo)致相位差角達(dá)不到零狀態(tài)，為此,，設(shè)定一個相位差極小角θmin,，若檢測到相位角小于此極小角，則認(rèn)為系統(tǒng)處在諧振狀態(tài)，無需對頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，自動更新設(shè)定諧振電流I0閾值，以便下次系統(tǒng)失諧時進(jìn)行電流極值判定,。
2 復(fù)合頻率跟蹤策略實現(xiàn)
2.1 鑒相器電路設(shè)計
鑒相器電路主要作用是獲取電壓和電流的相位差信號，依據(jù)復(fù)合頻率跟蹤策略控制要求,，為了實現(xiàn)數(shù)字化鎖相,，便于DSP的捕獲單元直接采集相位差信息。本文以電壓跟隨器,、比較器,、D觸發(fā)器及異或門構(gòu)成鑒相器電路，如圖3所示,。電壓跟隨器由高精度運算放大器LF353組成,；采樣電路采集的電壓和電流信號經(jīng)過前級處理后通過可調(diào)電阻進(jìn)入電壓跟隨器，通過可調(diào)電阻調(diào)節(jié)輸入信號幅值,，保護(hù)鑒相器電路,。
本文的鑒相器電路以電壓信號作為D觸發(fā)器的時鐘信號，電流的信號作為D觸發(fā)器的輸入信號,，依據(jù)D觸發(fā)器的真值關(guān)系可知相差與換能器振動狀態(tài)關(guān)系,。當(dāng)電流和電壓的信號相位差為零時換能器處在諧振狀態(tài)，D觸發(fā)器和異或門無輸出,；若電壓信號的相位滯后電流信號的相位,，此時，異或門輸出相位差信號phase,，即輸出高電平，D觸發(fā)器輸出狀態(tài)標(biāo)志信號flag,，即輸出高電平,；反之電壓信號的相位超前電流信號的相位，此時,，則輸出低電平,。DSP的捕獲單元發(fā)現(xiàn)相位信號phase電平突變，立即讀取狀態(tài)標(biāo)志信號Flag電平判斷電壓和電流的相位差方向,，依據(jù)判斷的結(jié)果控制逆變電橋驅(qū)動脈沖做出頻率調(diào)整,，實現(xiàn)頻率跟蹤。
2.2 電流有效值轉(zhuǎn)換電路設(shè)計
在復(fù)合頻率跟蹤策略中電流極值作為判斷系統(tǒng)諧振狀態(tài)的一個要素,，但采樣電路采樣的換能器環(huán)路電流為交流信號,，不便于后級DSP系統(tǒng)處理,，為此，必須將其轉(zhuǎn)換為有效值,。本文采用硬件實現(xiàn)方式,，以AD公司的有效值轉(zhuǎn)換芯片AD536A構(gòu)成電流有效值轉(zhuǎn)換電路。電流有效值轉(zhuǎn)換電路如圖4所示,，電流信號經(jīng)隔直電容C1被芯片采集,，CAV端接入的電容C2控制芯片的有效值積分時間，決定芯片轉(zhuǎn)換速率,。輸入電流信息經(jīng)芯片轉(zhuǎn)換后從BUFOUT端輸出,，經(jīng)后級A/D轉(zhuǎn)換反饋至頻率跟蹤系統(tǒng)，作為頻率跟蹤判據(jù),，實現(xiàn)系統(tǒng)頻率跟蹤,。
2.3 復(fù)合頻率跟蹤程序設(shè)計
本文的復(fù)合頻率跟蹤策略是以相位差及電流極值作為頻率跟蹤判據(jù)，進(jìn)而調(diào)整超聲波電源系統(tǒng)輸出頻率,。依據(jù)鑒相器電路的結(jié)構(gòu),，利用事件管理器EVA的捕獲單元CAP3邊沿檢測功能，捕獲相位差值信息,。CAP3捕獲相位差信息的上升沿時,，記錄通用定時器T2的計數(shù)值T2CNT，CAP3捕獲相位差信息的下降沿時,，記錄通用定時器T2的計數(shù)值T2CNT,。通用定時器T2的頻率f2為37.5 MHz，F(xiàn)為超聲波電源系統(tǒng)輸出頻率,，由此可知：
式中θ為換能器電壓和電流的相位差,，即0°≤θ≤90°，考慮本文頻率跟蹤系統(tǒng)的多諧振模態(tài)鎖定要求,，取Δkt為400,。為此，設(shè)定Δkt為400復(fù)合頻率跟蹤策略的頻率跟蹤方式切換相位差閾值θ0,。以GPIOA6端口讀取鑒相器電路中電流和電壓的相位差狀態(tài)標(biāo)志位,，依此判斷電壓和電流的相位關(guān)系，即GPIOA6的電平為高時,，表示電壓的相位滯后電流的相位,，增加電源系統(tǒng)輸出波形頻率；反之則減少電源系統(tǒng)輸出波形頻率,。當(dāng)捕獲單元CAP3捕獲其引腳電平突變,，控制系統(tǒng)觸發(fā)中斷，從捕獲單元的中斷入口進(jìn)入中斷服務(wù)程序,，啟動ADC轉(zhuǎn)換器,，取出檢測的相位差Δθ與其狀態(tài)標(biāo)志位flag,，讀取ADC轉(zhuǎn)換器的反饋電流值ΔI，對電流值ΔI與設(shè)定的閾值I0及相位差Δθ與設(shè)定的閾值θ0進(jìn)行判定,，選擇頻率跟蹤方式,，判斷頻率跟蹤步距，圖5為復(fù)合頻率跟蹤程序流程圖,。
3 實驗結(jié)果
本文采用復(fù)合頻率跟蹤策略,，鑒相器電路的鑒相能力對頻率跟蹤系統(tǒng)的穩(wěn)定性起決定性作用。用示波器來檢測鑒相器電路的跟蹤效果,，以20 kHz的輸入電壓和電流波形為例,，通過設(shè)置輸入信號的相位差值關(guān)系，觀察鑒相器電路相位差鑒別效果,，其波形如圖6所示,。
由圖6(a)可知，當(dāng)輸入電壓和電流信號無相差時,，鑒相電路此時無輸出,，相差狀態(tài)標(biāo)志位flag為低電平，相位差phase為低電平,；若輸入電壓相位超前電流相位30°時,，其波形如圖6(b)所示，鑒相電路輸出相位差phase,，相位差狀態(tài)標(biāo)志位flag為低電平,，應(yīng)減少電源系統(tǒng)輸出波形頻率；當(dāng)輸入電壓相位滯后電流相位30°時,，其波形如圖6(c)所示,，鑒相電路輸出相位差phase，相位差狀態(tài)標(biāo)志位flag為高電平,，應(yīng)增加電源系統(tǒng)輸出波形頻率,。由此可見，當(dāng)DSP捕獲單元捕捉相位差phase脈沖信息,，讀取相位差狀態(tài)標(biāo)志位flag電平狀態(tài),，依據(jù)電流極值反饋信息調(diào)整電源系統(tǒng)頻率跟蹤策略，實現(xiàn)電源系統(tǒng)輸出頻率自動跟蹤,。
4 結(jié)束語
本文闡述了基于數(shù)字鎖相式頻率跟蹤技術(shù)與變步長搜索電流極值方式相結(jié)合的復(fù)合頻率跟蹤策略的控制原理及實現(xiàn)方式,。實驗結(jié)果表明,，采用復(fù)合頻率跟蹤策略能實現(xiàn)系統(tǒng)頻率自動跟蹤,，有效地避免高次諧波對鑒相電路的影響，提高系統(tǒng)頻率跟蹤的精度及穩(wěn)定性,，拓寬頻率跟蹤系統(tǒng)帶寬,，增強(qiáng)頻率跟蹤系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)能力,，使頻率跟蹤系統(tǒng)具有動態(tài)鎖定換能器多諧振模態(tài)的特性，提高超聲波電源的整機(jī)效率,。
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