超声电源频率自动跟踪系统设计

唐军

摘要：近年来，功率超声技术的应用在各行业得到了极大发展，功率超声技术的关键在于功率超声电源。超声电源设计中，如何在电压、电流信号波动强烈的情况下，完成信号波形的转换是一个重要的课题。本文设计了一套稳定、可靠的取样电路完成此功能，在此基础上，利用边沿处理算法得到相位差值，并利用该值完成了超声电源频率自动跟踪系统的设计。经调试，系统能完成安全、可靠的运行。

关键词：信号采集 功率超声 频率自动跟踪

中图分类号：TG439.9 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）08-0163-03

近年来，功率超声在化学、化工、食品、生物、制糖、医药等学科得到了广泛的应用。功率超声系统由功率超声电源和超声换能器组成，功率超声电源负责提供满足超声换能器谐振所需的电压波形，而超声换能器则在电压波形的作用下，将此频率的电能转化为同频率的机械振动，产生超声波。超声换能器有自身的谐振频率，当功率超声电源提供的电压信号频率为超声换能器的谐振频率时，在超声换能器上能得到最大的输出功率。

1 频率自动跟踪系统对功率超声电源设计的重要意义

超声换能器装配过程中焊接的质量、压紧压电陶瓷所用的支撑轴上弹簧的压紧程度等等都会影响到组装好后的超声换能器的参数，进而影响到其谐振频率。此外，即便是同一只超声换能器，随着管道内介质属性、介质温度和介质压强等工作环境的不同，都会在不同的状态下有不同的谐振频率。对于同一只超声换能器，随着工作时间的增加，出现压电陶瓷容量降低的情况，而这个情况也必然导致超声换能器谐振频率的变化。

综上所示，我们可以认为超声换能器的谐振频率变化是一个动态的过程，会随着外界工作环境变化而改变。要保证在超声换能器上得到最大功率输出，必须在功率超声设计之初就要考虑到频率自动跟踪系统的设计。

2 相位差测量与频率自动跟踪系统

超声换能器在工作过程中，容易受到管道内介质属性、介质温度和介质压强等工作环境变化的影响，而改变谐振频率，如何通过快速利用电压与电流的参数关系判定电路是否谐振，就是超声电源设计中的一个重要课题。在此基础上，利用测量电压与电流的相位差的性质与大小，可以作为功率超声电源调整电压驱动频率的依据，进而完成频率自动跟踪系统设计。

综上所示，本设计将完成两个部分的内容，第一是测量电压与电流的相位差，其二是依据此相位差信号，作为系统调整输出电压驱动信号的依据。

3 频率跟踪系统方案设计

我们利用边沿算法完成了相位差系统的测量，得到了相位差测量的两个变量D和PhaseData，其中，D=0表示系统滞后，电路呈现出电容特性，D=1电路呈现出电感特性；PhaseData是经过修订后得到的相位差值。图1为我们设计的频率自动跟踪系统框图。

在此系统中，U、I信号为采集自超声换能器的电压信号和电流信号，电压信号进入电压采集模块之前为方波信号，但是其幅度不满足我们设计要求，因此需要在电压采集模块中进行处理，电流信号为正弦信号，为满足后续信号处理需要，也需要转化为幅度满足设计要求的方波信号。

4 电压信号采集电路设计与电流信号采集电路设计

在功率超声电路中，电压信号的采集设计较为简单，通过LM7171组成电压跟随器加光耦6N137即可完成如图2所示。

经过此电路，来自于R2上的电压信号波形与整个负载回路的电压波形一致，此信号经过高速运放LM7171做一个电压跟随后，送入光耦，当此电压脉冲信号为高电平时，光耦输出端口得到的信号为低电平；电压脉冲信号为低电平时，光耦输出端口得到的信号为高电平。

电流信号的处理要复杂一些，与电压信号相比，电流信号处理的最大不同就在于电流信号取出的波形为正弦波形，经过电压跟随器后，首先经过的是高性能比较器TLV3502将正选拨转换为方波，再将此方波送入光耦6N137进行下一步的处理。这样设计的目的在于尽可能减少正弦转化到方波所利用的时间。与此同时，由于相位差的测量，在CPLD内部设计时有基于边沿处理和基于中心点处理两种算法，为便于算法切换，TLV3502的电压参考端，将接到STM32的DAC端口进行控制如图3所示。

STM32的DAC控制的依据在于经过峰值检波电路检测出的信号峰值如图4所示。

STM32的ADC采集峰值检波后的信号，得到信号峰值，再乘以一定系数送给DAC进而控制电流信号转换后的宽度。采用边沿处理算法，则将DAC取成0.2V，采用中心点算法则取系数为0.7，乘以ADC取得的之后，送入电流采样电路作为比较器电压基准。

5 边沿处理相位差算法设计

图5边沿处理的相位差测量算法，是在CPLD完成的，STM32发出控制信号Send和RST，并取走相位差数据D与Phase_Data。

在此算法中，Volatage、ample为来自于取样模块转换后的电压与电流信号，clk为50MHz的时钟信号。系统上电正常工作，将电压信号Volatage和电流信号anple送到CPLD中，CPLD中，在每一个电压信号Volatage 的上升沿读取电流信号ample的值赋值给q（q_bar为取反），则：q=1时，表示的是电流超前的情况；q=0时，表示的是电流滞后的情况。至此，还需要解决第二个问题：超前滞后量的大小问题。为此，设计了一个计数器：Counternumber，其使能信号为CPLD输出信号endcount_out，来自于U、I异或取反。当endcount_out为低电平时，中间变量countnumber开始计数，为高电平时停止计数。同时，ARM将endcount_out配置为上升沿触发中断信号，一旦ARM中断被触发，则发送一个send脉冲信号给CPLD，在send的上升沿，将countnumber里的数据发送到data端口，CPLD将data里的数据发送给ARM单片机，这时，ARM单片机向CPLD2发送一个rst信号，当rst信号为低电平时，把中间变量countnumber里的数据清零，为下一次的工作做准备。

6 频率自动跟踪系统设计

频率自动跟踪，我们放在CPLD中进行处理。处理的思路就是调整产生方波的周期值，通过调整此周期值，可以实现频率的增减，完成频率自动跟踪的功能，具体流程如图6。

图6中，CunterDesign为产生方波的周期值，通过CPLD内部的计数器产生，每个CounterDisgen的“1”代表产生方波的周期为20ns的时间。通过测量相位差的变化，在得到控制信号HMI_Reset为1后，系统启动频率自动跟踪功能。

7 系统调试

按照上述控制逻辑，我们设计了一套超声电源的信号处理板。图7为信号处理板实物图，在这个信号处理板上，我们完成频率自动跟踪系统的设计，经过实际测试，结合落木源的IGBT驱动板，很好的完成了设计，达到了设计目的。

参考文献

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[2]马立.功率超声电源的频率跟踪电路.苏州大学学报，2010，4，11-14.

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