模块式超声波电源的研究与设计

摘 要：当前，超声波电源应用在多个领域中，为了使超声波电源获得更优异的驱动性能，从而满足工业作业需求，本文主要从模块式超声电源的阻抗匹配与频率跟踪2个方面进行研究。本文设计了一种LC串联型匹配电路，实现了换能器的谐振匹配以及负载的最大功率输出。同时，为了解决换能器长期运行导致固有谐振频率偏移的问题，本文设计了一种复合控制方法，实现了频率的实时调节与跟踪。本文研制了1台额定功率为800 W的样机，实际测试结果表明，该超声波电源达到了最佳功率输出，并满足电源对负载工作谐振频率的实时跟踪要求，对今后大功率超声波电源的研究具有一定的促进作用。

关键词：模块式超声波电源；匹配电路；频率偏移；频率跟踪

中图分类号：TB 553 " " 文献标志码：A

随着电力电子技术的迅猛发展，超声波电源的应用也得到了多样化的发展。作为换能器的驱动，超声波电源可以将输入的工频电转化为换能器的固有谐振频率的交流电，进而通过换能器将能量转化为机械能，应用于人们的生活中。而换能器因其工作特性，它的一些等效参数会由于工作的环境、时间以及使用中的磨损产生变化，间接影响其工作状态，导致换能器工作效率降低，固有谐振频率变化，缩短了换能器的使用寿命。因此，有必要设计一种匹配网络和一种复合控制频率跟踪方法，使超声波换能器始终工作在高效且稳定的状态。

1 超声电源系统结构

超声波电源系统结构包括整流桥滤波电路、降压电路、全桥逆变电路、高频变压器、匹配网络、采样电路和控制系统，其系统结构如图1所示[1]。主电路由整流桥滤波模块、降压电路、全桥逆变模块、高频变压器和匹配网络组成，将220 V AC变换为换能器工作所需固有谐振频率的高压电。控制系统以TMS320F28027PTT为主控芯片。通过设计的鉴相器电路来得到负载端电压与电流的相位关系，用一种复合控制方法调整PWM输出频率，控制DSP内部的PWM模块产生可实时变频的PWM驱动信号。通过持续的反馈调整实现负载端电压与电流同相位，完成对超声波负载谐振频率的实时跟踪[2]。

2 匹配网络设计

匹配网络是连接超声波电源和换能器之间的重要桥梁，超声波电源能否高效、可靠地工作很大程度上取决于匹配网络的设计[3]。LC串联型匹配网络的等效电路如图2所示，由图2可知，LC串联型网络与传统的串联电感网络相比，增加了一个电容C2。

其中，换能器动态电感、换能器动态电容、换能器动态电阻和换能器静态电容，这4种等效元件组成了换能器的实际模型。令静态电容Cm=C2+C0。LC串联型网络可以看作静态电容为Cm的换能器的串联电感匹配。因此，在谐振点附近可以得到其等效阻抗，如公式（1）所示。

（1）

式中：Z为等效阻抗；R1为换能器动态电阻；ωs为谐振点；Cm为静态电容；j为虚数单位；L1为换能器动态电感。

当谐振时，由Z的虚部=0可以得到电感，如公式（2）所示。

（2）

式中：L2为匹配电感。

此时负载的阻抗如公式（3）所示。

（3）

式中：Z1为负载的阻抗。

对比LC串联型匹配网络和传统的串联电感匹配，LC串联型匹配网络解决了串联单个电感时出现阻抗变换不明显的问题，应用比较普遍。因此，本次设计采用此方法[4]。

3 系统频率跟踪设计

在换能器工作的过程中，频率的变化会直接影响其工作状态。而频率自动跟踪技术可以实时监测负载变化，实现频率自动调节，确保超声波电源系统的稳定性和可靠性。此外，频率自动跟踪技术还可以避免温度变化、负载变化等因素导致的频率漂移或频率失控，从而提高超声波电源系统运行的精度和效率。因此，频率自动跟踪技术是超声波电源系统正常工作的关键。

3.1 常用频率跟踪方法

目前，常用的频率自动跟踪方法主要有以下几种。

电流控制法是一种基于负载电流的检测方法，它通过检测负载电流的幅值来确定输出负载频率的变化，也就是通过判断线路上电流的有效值是否达到最大来确定换能器是否处于谐振状态。在这种情况下，线路上的电流被用作反馈信号，根据其大小来调整逆变输出的频率。通过控制输出频率以适应电流的变化，从而有效地使换能器保持在谐振工作状态。

相位锁定环（PLL）频率跟踪法是目前常用的另一种频率跟踪的方法，用于将输入信号的相位和频率与参考信号同步。其工作原理可以分为3个部分：相位比较器、环路滤波器和压控振荡器（VCO）。首先，相位比较器用于比较输入信号和参考信号的相位差，并产生1个误差信号，该误差信号表示2个信号之间的相位差异。其次，误差信号经过环路滤波器滤波后得到稳定的控制电压。环路滤波器通常是1个低通滤波器，其作用是平滑误差信号，去除高频噪声，确保控制电压变化的平稳性。最后，控制电压用于控制VCO的频率，使VCO的输出信号的相位与参考信号同步。VCO是1个自由振荡器，其频率受到控制电压的调节。当控制电压增大时，VCO的频率提高，相位差变小；当控制电压降低时，VCO的频率降低，相位差增大。通过不断调节控制电压，最终实现输入信号与参考信号的相位同步。

结合常用的频率跟踪方法与工程经验可知，电流控制法受负载变化的影响较大且采集速度较慢，常用于复合控制方法的辅助控制，一般不适用于对换能器系统进行单独控制[5]。相位锁定环频率跟踪法具有简单的电路结构和易于实现的控制电路，跟踪精度较高。然而，其跟踪带宽有限、动态响应较慢，导致电源的可靠性降低。

3.2 鉴相器电路设计

鉴相器电路的功能是获取负载端电压与电流之间的相位差α以及它们之间的超前或滞后关系。通过相应的采样电路获得负载端的电压和电流信号。

通过采样电路获得的电压和电流信号会被限制在5 V以下。这些信号分别通过VSENSE（采样电压）和ISENSE（采样电流）端口，经过由1对串联式肖特基二极管BAT54S组成的电路进行限幅处理。信号通过由LM339组成的比较器，将电压和电流信号转换为2组正负方波。使用双通道数字隔离器NSI8120N将这2组正负方波调制为2组幅值为3.3 V的方波。这2组方波在相位上的差值即负载电压与电流之间的相位差。为了进一步处理这些信号，将电流采样信号经过与非门，一路送到D触发器TC7W74FU的D引脚，另一路与电压采样信号经过与非门后的结果再次进行与非运算，得到的结果作为表示电压超前或滞后电流相位差的信号phase。同时，电压采样信号的另一路被送到D触发器的CLK引脚。D触发器的Q引脚输出端经过与非门后得到的结果flag作为表示电压与电流相位关系（超前或滞后）的信号。

将与非门的输出信号phase连接到DSP的eCAP口，记录捕获的方波持续时间并将其转换为相应的角度，即此时电压和电流之间的相位差大小。将D触发器的输出信号flag送到DSP的GPIO口，以便判断调整逆变频率变化的方向。当flag为高电平时表示电压超前电流，为低电平时表示电流超前电压。DSP获取这2项信息以进行进一步的处理。

3.3 频率跟踪原理设计

系统的频率跟踪程序框如图3所示。该超声波电源采用电流控制法与锁相式PI频率跟踪法相结合的复合控制方法，对负载端的输出频率进行调整与跟踪。

电源启动后，初始输出频率为f。根据阻抗分析仪测量出负载的固有频率f0，控制器根据获取的相位差的大小判断先进行粗略调频还是精确调频。电流控制法的原理是，换能器在谐振频率附近有一个阻抗最小的谐振频率点。当输出电压幅值固定时，通过识别电压和电流之间的相位差大小来调整相应的步距，改变输出电压的频率，搜索当前电流最大点的频率，即阻抗最小的谐振频率点。在电流控制法完成跟踪后，采用更精确的跟踪方法，即锁相式PI频率跟踪法。根据电源负载端的工作特性，DSP的GPIO口通过识别flag信号的正负来判断负载是呈容性还是感性。如果电压超前电流，则负载呈感性，此时应降低超声波电源的输出频率；如果电压滞后电流，则负载呈容性，此时应调高超声波电源的输出频率。

4 试验结果及结论

根据上述理论的分析，笔者研制了1台800 W的模块式超声波电源。换能器的等效参数如下：动态电感L1=6.39 mH、动态电容C1=13.674 9 μF、动态电阻R1=18.67 Ω、静态电容C0=41.514 "μF，换能器的固有谐振频率f0=17 630 Hz。经过公式（1）～公式（3）计算可知，匹配电感L1=1.07 mH、匹配电容C1=83 μF、BUCK电感取290 μH。

对该电源进行试验，实测逆变输出端电压为方波、电流为正弦波（如图4所示）。电压幅值为160 V，电流幅值为5 A。从图4的波形可以看出，电压相位与电流相位一致，实现了换能器的谐振匹配，并保证了较高的功率因数输出。换能器端电压与电流的波形如图5所示，换能器端电压幅值为550 V，流过换能器的电流为2 A。从图5的波形可知，换能器电流相位超前于电压相位，表明整个换能器呈现弱容性负载，这符合之前的理论分析。

当负载发生变化时，复合控制频率跟踪法能够迅速跟踪负载频率的变化。试验结果证明，该电源具有优异的驱动性能，能够实现最佳功率输出与负载输出频率的跟踪，满足工业作业的要求。此外，本文对大功率超声波电源的研究与设计也具有一定的促进作用。

参考文献

[1]李森.中功率数字超声波电源研究与设计[J].西华大学学报（自然科学版），2023，42（1）：106-114.

[2]彭皆彩，王宾，石晓艳，等.基于高精PWM的超声波电源频率跟踪控制[J].佳木斯大学学报（自然科学版），2021，39（3）：137-140，158.

[3]邓孝祥，葛飞.超声波电源匹配网络和频率跟踪系统的研究[J].通信电源技术，2019，36（11）：8-11.

[4]张志恒.用于清洗的高频超声波电源的研究[D].北京：北京交通大学，2016.

[5]侯光华，杜贵平，罗杰.超声波电源的改进频率跟踪方法[J].电源学报，2019，17（1）：152-158.