基于模糊PI 的超聲電源頻率跟蹤系統(tǒng)研究

黃秋霖

（西安石油大學(xué)，陜西省油氣測(cè)井技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710065）

0 引言

超聲波電源作為超聲技術(shù)的重要產(chǎn)物之一在清洗、醫(yī)療、焊接等領(lǐng)域的應(yīng)用極為地廣泛。隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，人們對(duì)超聲波電源效率、精度、壽命等指標(biāo)要求越來(lái)越高，可對(duì)于工業(yè)大功率超聲波電源來(lái)說(shuō)，其超聲波換能器在工作時(shí)發(fā)熱明顯、負(fù)載變化范圍大且由于工作環(huán)境的原因換能器機(jī)械損耗也極為嚴(yán)重，這些都會(huì)導(dǎo)致超聲波換能器固有的諧振頻率發(fā)生漂移。為了極大地提高生產(chǎn)效率和使用壽命，大功率超聲波電源要有精準(zhǔn)、快速自動(dòng)跟蹤換能器諧振頻率的功能。

目前不論是通過(guò)相位差還是電流最大值控制實(shí)現(xiàn)頻率自動(dòng)跟蹤多采用傳統(tǒng)的PI 算法，但影響超聲波換能器諧振頻率漂移的因素很多，且諧振頻率偏移量很難用精確的數(shù)學(xué)模型來(lái)表現(xiàn)，所以經(jīng)典控制理論方法并不能滿足頻率跟蹤校正高精度、快響應(yīng)的需求，而模糊控制技術(shù)作為一種智能先進(jìn)控制技術(shù)可用于超聲波電源的頻率自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)中以滿足生產(chǎn)需求。其次采用STM32 作為智能控制芯片，構(gòu)建一種基于模糊控制的數(shù)字鎖相環(huán)頻率跟蹤策略以滿足不同的應(yīng)用環(huán)境，可驅(qū)動(dòng)諧振頻率不同的超聲波換能器。

1 系統(tǒng)工作原理

超聲波電源工作在失諧狀態(tài)時(shí)，流經(jīng)超聲波換能器兩端的電壓和電流存在一定的相位差，反之當(dāng)換能器工作諧振狀態(tài)時(shí)，電壓和電流相位差為零，也就意味著超聲波電源輸出的頻率與換能器諧振頻率一致，這也是本次頻率跟蹤策略的基本原理。超聲波電源在實(shí)際工作中輸出給換能器兩端的電壓和電流波形并不是完美的正弦波，而通過(guò)對(duì)相位差的控制實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤則避免了對(duì)電壓和電流的高質(zhì)量要求。本設(shè)計(jì)原理如圖1 所示。

圖1 超聲波電源工作原理圖

當(dāng)超聲波換能器開(kāi)始振動(dòng)工作時(shí)，采用霍爾電壓和電流傳感器分別對(duì)換能器兩端高頻交流電壓和電流采樣，采樣后的電壓和電流經(jīng)過(guò)帶通濾波器進(jìn)行調(diào)理濾波，將調(diào)理后的電壓電流信號(hào)經(jīng)過(guò)鑒相電路得到帶有相位差信息的信號(hào)，最后將該信號(hào)送給STM32 輸入捕獲端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后輸出頻率可變的PWM 給IGBT驅(qū)動(dòng)電路，這樣可以使超聲波電源輸出驅(qū)動(dòng)換能器信號(hào)頻率與換能器諧振頻率始終保持一致，實(shí)現(xiàn)超聲波電源頻率自動(dòng)跟蹤的功能，使超聲波電源始終處于最佳的工作狀態(tài)從而提高效率和使用壽命。

2 鑒相電路的設(shè)計(jì)

鑒相電路的目的是為了采集電壓電流的相位差，鑒相電路是頻率跟蹤系統(tǒng)的核心。

圖2 鑒相電路

鑒相電路輸入端的可調(diào)電路用來(lái)調(diào)節(jié)輸入信號(hào)的幅值，保護(hù)鑒相電路。運(yùn)放LF353 作為電壓電流跟隨器使用，提高驅(qū)動(dòng)和抗干擾能力。LM339 構(gòu)成過(guò)零比較器，形成了幅值為3.3V 方波信號(hào)。兩個(gè)方波信號(hào)經(jīng)過(guò)74LS86 異或門(mén)形成一個(gè)同頻率的方波，該方波信號(hào)的占空比表示相位差的大小Δθ，最后送入STM32 輸入捕獲端進(jìn)行處理。74LS74D 觸發(fā)器D 端和CLK 端分別接電壓和電流信號(hào)，輸出端就可得到相位差的狀態(tài)信號(hào)flag，電壓超前電流為高電平反之為低電平，該狀態(tài)信號(hào)輸入給STM32 處理。鑒相電路采集的相位差信號(hào)如圖3 所示。

圖3 電壓超前電流相位差信號(hào)

3 主程序的設(shè)計(jì)

超聲波電源的控制是通過(guò)STM32 主控芯片實(shí)現(xiàn)的，其主要作用是通過(guò)采樣相位差信號(hào)輸出頻率隨時(shí)變化的PWM 給驅(qū)動(dòng)電路用來(lái)控制逆變電路的輸出信號(hào)。主控程序主要有系統(tǒng)初始、顯示屏、PWM 輸出、模糊PI 和相位差信息捕獲五部分程序組成，程序流程如圖4 所示。

圖4 主程序流程圖

4 模糊PI控制

4.1 模糊PI的基本原理

模糊PI 控制就是將PI 控制與模糊控制相結(jié)合，對(duì)PI 參數(shù)不斷地修改和調(diào)整，這樣可以避免參數(shù)設(shè)定對(duì)控制過(guò)程和控制結(jié)果的影響，充分發(fā)揮這兩種算法的優(yōu)勢(shì)。模糊PI 控制如圖5 所示，圖5 中e(k)和ec(k)分別是系統(tǒng)的誤差和誤差變化率，同時(shí)也是系統(tǒng)的兩個(gè)輸入，ΔKp 和ΔKi 則為系統(tǒng)的兩輸出用來(lái)調(diào)節(jié)Kp 和Ki，Ke 和Kec 則為系統(tǒng)誤差和誤差變化率的比例系數(shù)。

4.2 輸入量和輸出量模糊化

換能器兩端電壓電流相位差Δθ 為模糊PI 控制器的輸入誤差，根據(jù)現(xiàn)實(shí)Δθ 變化范圍確定其基本論域?yàn)閇-90°90°]，模糊化論域?yàn)閇-6 6]，則量化因子KΔθ=6/90=0.067；輸入誤差變化率eθ 的基本論域?yàn)閇-3 3]，模糊化論域?yàn)閇-6 6]，量化因子Keθ=2；輸出比例系數(shù)修正量ΔKp 的基本論域?yàn)閇-0.6 0.6]，模糊論域?yàn)閇-3 3]，量化因子Gp=0.2；輸出積分系數(shù)修正量ΔKi 的基本論域[-600 600]，模糊論域?yàn)閇-6 6]，量化因子Gi=100。

語(yǔ)言變量選取7 個(gè)語(yǔ)言值：負(fù)大[NB]、負(fù)中[NM]、負(fù)小[NS]、零[ZO]、正小[PS]、正中[PM]和正大[PB]。選取三角形隸屬度函數(shù)。

圖5 模糊PI基本原理框圖

4.3 模糊控制規(guī)則設(shè)計(jì)

結(jié)合Kp 和Ki 取值大小對(duì)系統(tǒng)影響作用，分別建立ΔKp 和ΔKi 模糊控制規(guī)則表。

表1 ΔKp 規(guī)則表

表2 ΔKi 規(guī)則表

根據(jù)建好的模糊控制規(guī)則表和隸屬度函數(shù)值，查出模糊PI 控制器輸出P 和I 兩個(gè)修正參數(shù)模糊輸出值，并計(jì)算出Kp 和Ki 的值。

4.4 模糊PI控制程序

模糊PI 算法是以程序的方式實(shí)現(xiàn)的，程序流程如圖6 所示。

圖6 模糊PI算法程序

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)實(shí)驗(yàn)室已有40kHz 的換能器進(jìn)行阻抗分析得其參數(shù)：靜態(tài)電容C0=3.073nF、動(dòng)態(tài)電容Cm=0.5553nF、動(dòng)態(tài)電感Lm=27.559mH、等效電阻R1=70.6Ω以及其串聯(lián)諧振頻率fs=40652HZ。搭建超聲波電源頻率跟蹤系統(tǒng)仿真模型，將換能器參數(shù)代入模型中，分別用PI 和模糊PI 算法實(shí)現(xiàn)頻率的自動(dòng)跟蹤，頻率跟蹤曲線和相位差的變化曲線分別由圖7 和圖8 所示。

圖7 頻率跟蹤曲線對(duì)比

圖8 相位差變化曲線

通過(guò)頻率和相位差變化曲線可知無(wú)論是PI 控制還是模糊PI 控制，最終還是跟蹤到換能器諧振頻率點(diǎn)附近。圖7 表明模糊PI 算法控制的頻率跟蹤曲線相比傳統(tǒng)PI 算法效果更好。圖8 顯示在實(shí)現(xiàn)頻率的跟蹤后換能器兩端電壓電流相位差仍然在零點(diǎn)小范圍抖動(dòng)，這反映了頻率跟蹤系統(tǒng)的自身調(diào)整過(guò)程。

6 結(jié)語(yǔ)

超聲波電源在實(shí)際工作中由于負(fù)載和溫度的變化其換能器諧振頻率漂移，為了解決提高超聲波電源工作效率和使用壽命，本文將模糊PI 控制算法和數(shù)字鎖相環(huán)頻率跟蹤策略相融合，并采用STM32 作為主控芯片。仿真結(jié)果證明該頻率跟蹤策略響應(yīng)快、精度高可保證超聲波電源的高效穩(wěn)定工作。