基于高精PWM的超声波电源频率跟踪控制①

彭皆彩，王 宾，石晓艳，杨安德

(安徽理工大学1.空间信息与测绘工程学院，2.电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001；3. 安徽南瑞继远电网技术有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

超声波电源为超声波换能器供能的特种电源，基本原理为输出高频交流电能驱动压电陶瓷，使其工作在谐振状态，利用其逆压电效应将电能转换为机械能[1]，广泛应用于超声波清洗、超声波压花及焊接等领域。在实际工作中，由于换能器受发热及负载变化等因素影响，其固有谐振频率会发生漂移，产生恶性循环，进而使得超声波换能器升温更快，若不能实时跟踪其谐振频率，最终将会导致换能器高温烧毁，造成经济损失，因此，超声波电源的输出频率需要实时跟踪换能器的谐振频率[2]。

实现频率跟踪的方法按照反馈物理量不同分为声跟踪和电跟踪，目前市面上超声波电源采用的频率跟踪策略主要为电跟 踪，包括匹配电感调节法、最大电流搜索法、模拟锁相环频率跟踪法及PI-DDS跟踪法。匹配电感调节法是通过调节匹配电感的感值，使电源输出频率与换能器谐振频率一致，该方法精度较低，且需要人工调节，一般作为其他频率跟踪方法的辅助方法；最大电流搜索法利用换能器谐振时阻抗最小，电流最大的原则，寻找输出最大电流点，该方法对电流采样带宽及精度要求较高[3-4]；模拟锁相环频率跟踪法通过采样电源输出电压、电流计算相位差，通过模拟锁相环电路来改变输出电压的频率，该方法电路简单，但频率跟踪范围较窄，且产生的PWM可调节分辨率低，动态特性差[5-6]；PI-DDS跟踪法，利用数字PI控制器及DDS完成频率跟踪，该方法频率调节精度较高，响应快，但电源输出频率主要靠DDS芯片调节，硬件电路较复杂，且需要多处理器协调工作成本高[7-8]。提出了一种基于高精PWM的超声波电源频率跟踪控制方法，采用DSP内部的高精度PWM产生高分辨率驱动信号，并且采用数字锁相环完成谐振频率的锁定，提高电源调频精度，获得较高的输出效率。

1 焊接电源系统结构

超声波电源系统包括整流桥、功率逆变电路、高频变压器、匹配电路、采样电路和控制系统，其系统框图如图1所示。主电路由整流桥模块、稳压滤波、功率逆变模块、高频变压器和匹配网络组成，将市电220V变换为超声波换能器工作所需的高频高压电能。控制系统是以TI公司的TMS320F28069芯片为核心的全数字化控制系统。通过数字鉴相电路获取换能器端电压与电流的相位差及相位关系，经过数字锁相环调整PWM输出频率，控制DSP内部的高精度PWM模块产生PWM驱动信号，通过持续的反馈调整实现换能器端电压与电流同相位，完成对超声波换能器谐振频率的实时跟踪。同时，系统也设计了相应的保护电路。

2 频率跟踪环路

锁相环，是一个产生、输出周期信号的电子控制环路[9]。如图2所示为超声波电源系统频率跟踪环路框图，主要包括数字鉴相器、环路滤波器和压控振荡器三部分。当数字鉴相器输出的相位差不为零，此信号经过环路滤波器及压控振荡器后会调整当前输出频率，该频率的信号通过驱动电路驱动超声波换能器，使换能器端电压及电流的相位差减小。

图2 频率跟踪环路

2.1 数字鉴相电路设计

数字鉴相器其基本功能是获得换能器端电压电流之间的相位差，通过传感器采样换能器端电压电流，设计相位差测量电路如图3所示。

图3 数字鉴相器电路图

传感器采样获得的信号经过调理电路处理后，再通过由LM293DR组成的滞环比较器,滞环比较器能够提高系统抗干扰性，电流、电压两路信号会产生两组正负电平的方波，通过二极管将方波的负电平钳位至地，再经过反相电路对方波整形。两路方波的相位差即代表了换能器端电压、电流之间的相位差。可通过与非门电路对两路信号做与非逻辑运算，当两路信号电平不同时，一个周期中高电平对应的占空比即为相位差的大小。同时，将电压路产生的方波接至D触发器的CLOCK引脚，电流路产生的方波接至D触发器的DATA引脚，则输出的Q1则代表了两路信号的相位差的关系。Q1为高电平，则电流信号超前于电压信号，反之，电流信号滞后与电压信号。将数字鉴相器电路在PSIM环境下仿真，分别设置电压、电流相位差为30°和-30°，得到图4所示波形图。

将与非门输出信号接到DSP的eCAP模块，捕获上升沿及下降沿，通过芯片内部计数器计算其占空比，获得相位差。将D触发器输出信号接到DSP的GPIO，读取I/O口电平，获得相位关系。

图4 相位差波形图

2.2 压控振荡器——HRPWM

锁相环中压控振荡器的基本功能是产生一定频率的周期信号uo(t)。该周期信号的频率变化量与环路滤波器输出信号uf(t) 的大小成正比。假定压控振荡器初始值为零，可将其数学关系描述为：

(1)

其中，uo(t) 为瞬时频率变化量，系数Ko为压控振荡器的增益。得到传递函数：

(2)

因超声波换能器工作频带较窄，为获取精度较高的驱动信号，需要采用DSP芯片TMS320F28069内部的高精度PWM模块产生输出频率可调的PWM，以满足换能器调频带宽。高精度PWM 模块相对于普通PWM模块包含有MEP( Micro Edge positioner)控制部分,可将系统时钟SYSCLKOUT继续细分为时间精度为150ps左右的“小阶梯”，即将一个SYSCLKOUT 划分为了112个更小的步长单位。

当DSP芯片的系统时钟fSYSCLKOUT为为90MHz时，要求输出PWM频率fsw在20kHz附近，则TBPRD寄存器值为 2250。如果此时需要降低输出PWM频率fsw，使用普通PWM调制模式，调频精度为：

即，寄存器的值每改变1，对应的输出信号的频率会发生约8.8Hz的改变，很容易会错过超声波换能器的最优工作频率，造成频率跟踪环路失锁振荡。

如果使用芯片内部高精度PWM ,那么调频精度为:

由此可看到，ΔfHR约为 Δf的 1% ,能够实现以0.08Hz的步长完成频率跟踪，调频精度得到极大的提高。采用高精度PWM模块，能够产生分辨率媲美DDS的PWM驱动信号，完全满足超声波换能器的调频精度。图5为使用DSP内部高精度PWM模块产生的同一桥臂的两组PWM波。

2.3 环路滤波器

锁相环中环路滤波器的基本功能是降低跟踪环路中的噪声干扰，其滤波结果即要真实的反映鉴相器输入信号的相位变化情况，又要滤除各类噪声对系统的干扰[10]，通常取一个低通滤环节。考虑到超声波换能器在工作时，其端电压及电流相位差变换可认为是斜坡信号，采用一阶低通环路滤波器完成频率信号的跟踪。

设环路滤波器传递函数F(s)，则可得锁相环的闭环传递函数 H (s)为：

(5)

其中K为数字锁相环前向通路增益。

图5 高精度PWM波

(6)

由传递函数可知该系统为二阶系统，呈低通特性，在阶跃信号及斜坡信号作用下其稳态误差都等于0，能够完全的跟踪输入信号的相位和频率变化。

二阶锁相环的稳态性能及动态性能完全受K、τ1及τ2的影响。当选定参数使该二阶系统系统处于欠阻尼，在阶跃信号作用下会发生振荡，产生超调，但是系统反应较为灵活；当选定参数使该二阶系统系统处于过阻尼，在阶跃信号作用下会发生轻微振荡，稳定性极高，但系统反应略微迟缓。通常希望系统动态响应速度快，处于欠阻尼状态，因此设定阻尼比ξ=0.707。

闭环传递函数的噪声带宽的选定则决定了τ1及τ2的选取，由闭环传递函数H(s)计算得该二阶锁相环的噪声带宽为：

(7)

BL与其特征频率ωn成简单的正比关系，因此特征频率ωn的大小影响着锁相环路的收敛速度，所以 BL的大小对此也有影响。因此，锁相环参量BL和ωn的取值必须对环路的噪声性能和动态性能这两方面作出平衡。

频率捕获阶段选定噪声带宽BL= 50Hz，以获取高动态性能，完成快速捕获，计算得F(s)参数τ1，τ2；在完成频率捕获后的频率跟踪阶段，为获取更高得跟踪精度，选定噪声带宽BL= 20Hz，计算得F(s)参数τ1,τ2。

3 实验验证

以TMS320F28069为控制芯片设计实验样机，输入市电交流220V，50Hz，额定输出功率4kW，输出频率18kHz～22kHz可调。实验用换能器及模具参数：额定谐振频率20kHz，额定功率2kW，阻抗15Ω，电容量13000-14000pF，110*20mm钢刀模。

(a) 非谐振时端电压、电流波形 (b) 稳态时谐振时端电压、电流波形

图6是超声波换能器工作时，换能器两端电压与电流的波形。当电源未完成谐振频率跟踪时，换能器端电压、电流存在相位差，如图6(a)所示，此时电压幅值较大，电流幅值较小。当电源完成谐振频率跟踪锁定时，换能器端电压、电流间相位差较小，如图6(b)所示，此时换能器等效阻抗小，电压幅值较小，电流幅值较大。

此时电源实际输出PWM频率fs为 19.86 kHz ，以步长 0.08 Hz 进行频率跟踪。从图6(b)中可以看出，电源输出电压、电流具有良好的同相位状态，稳态误差很小，电流和电压波形均为20 kHz的近似正弦的交流波形，换能器两端的电压与电流几乎没有相位差，因此换能器输出功率因数较高。

采用设计基于高精PWM的超声波电源频率跟踪控制方法能够完成实时超声波换能器频率跟踪，使超声波电源的输出电压和电流处在用一频率下，稳定可靠工作，实现频率跟踪，提高电源调频精度，获得较高的输出效率，完全满足超声波换能器频率跟踪的要求。

4 结 论

(1)设计数字鉴相器电路获得换能器端电压、电流之间的相位差及相位关系，并利用数字锁相环实现对超声波换能器谐振频率的跟踪，采用高精度PWM模块产生分辨率高达0.08Hz的PWM信号。

(2)采用数字锁相环技术设计超声波电源频率跟踪环路，实验证明该电源能够稳定、可靠的驱动额定功率2kW，谐振频率20kHz的超声波换能器，并能实时跟踪其谐振频率，保证较高功率因数输出。