對超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)頻率跟蹤技術(shù)的研究

翁蕓，李偉

（寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江寧波，315800）

0 引言

自動頻率跟蹤技術(shù)對超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)的高效穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)揮著重要作用[1]。鎖相式頻率跟蹤技術(shù)因其具有良好的窄帶特性，且換能器電壓、電流的波形好壞對頻率跟蹤影響不大等原因，被廣泛應(yīng)用在它激式大功率超聲設(shè)備中，但這種頻率跟蹤技術(shù)也有缺點(diǎn)，其一、它會因換能器具有多個諧振頻率而出現(xiàn)誤跟蹤，這時頻率死鎖于鎖相環(huán)頻率的頂端或換能器的二次諧波，致使設(shè)備工作異常。第二、因換能器的電抗無法完全匹配，剩余的電抗導(dǎo)致鎖定的頻率偏離換能器串聯(lián)諧振頻率，使得換能器工作效率降低。本文通過分析換能器的電路等效模型，采用MATLAB軟件計算出鎖相環(huán)鎖定時相位差對頻率和輸出功率的影響，設(shè)計出采用數(shù)控移相電路實(shí)現(xiàn)頻率微調(diào)的復(fù)合式頻率跟蹤控制系統(tǒng)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其可行性。

1 壓電換能器的等效阻抗特性

超聲波壓電換能器是超聲振動系統(tǒng)的主要組成部分，由電學(xué)臂支路和機(jī)械臂支路兩部分組成，可視為非線性容性負(fù)載，其靜態(tài)等效電路[2]如圖1(a)所示，表1為各部分等效情況[3]。其復(fù)阻抗和相位角計算公式為：

表1 超聲波壓電換能器的靜態(tài)等效

當(dāng)換能器在正常工作的時候，機(jī)械臂L1、C1所在支路產(chǎn)生串聯(lián)諧振，此時換能器等效電路如圖1(b)所示，表現(xiàn)出一定的容抗特性。為保證發(fā)生器主功率系統(tǒng)與換能器系統(tǒng)之間最有效地進(jìn)行能量傳輸，必須建立合理的匹配網(wǎng)絡(luò)，以改變負(fù)載的阻抗特性。

圖1 壓電換能器等效電路

2 移相式鎖相環(huán)頻率跟蹤的基本原理

在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，換能器的諧振頻率變化有瞬時和緩慢兩種形式。當(dāng)負(fù)載突然變化時，換能器的諧振頻率也立刻變化，而當(dāng)換能器的溫度緩慢變化時，其諧振頻率也跟著緩慢變化，對于不同的變化形式，可以采用不同的頻率跟蹤方法如對于瞬時頻率跟蹤采用鎖相跟蹤方式效果較好，而對于換能器因溫度及性能一致性差等原因引起的的諧振頻率漂移用電流反饋來跟蹤則更合適，如果采用兩者相結(jié)合的辦法可以解決鎖相跟蹤易失鎖和電流反饋式響應(yīng)速度慢的缺點(diǎn)。由此可見復(fù)合式跟蹤法綜合了各種頻率跟蹤方法的優(yōu)點(diǎn)且彌補(bǔ)了各自的缺點(diǎn)，使得頻率跟蹤更加可靠。本設(shè)計采用鎖相環(huán)跟蹤和電流反饋跟蹤相結(jié)合的復(fù)合式頻率自動跟蹤方式，其中電流反饋跟蹤通過線性移相電路實(shí)現(xiàn)。

從諧振頻率附近的壓電換能器等效電路分析得知，當(dāng)壓電換能器處于諧振狀態(tài)時，加在其兩端的電壓信號和流過其中的電流信號的相位是相同的。當(dāng)激勵信號的頻率偏離換能器的諧振頻率時，換能器工作于失諧狀態(tài)，其兩端的電壓信號與流過其中的電流信號不再同相位。此時將換能器兩端采樣得到電壓和電流信號,送入到鑒相器,由鑒相器比較輸入信號與輸出信號之間的相位差,產(chǎn)生誤差信號[4],經(jīng)低通濾波器形成激勵振動系統(tǒng)諧振頻率變化的控制信號，朝著減小相位差的方向改變壓控振蕩器的頻率，使之與輸入信號頻率相同，讓換能器工作于電壓與電流同相狀態(tài)，就是鎖相壓控振蕩方式的理論依據(jù)。

由圖2可知，設(shè)電流相位為θ(i)，電壓相位θ(v)，電流移相后的相位為θ(i)′，設(shè)θ(i)′=θ(i)+Δθ，按照鎖相環(huán)工作原理，鎖相環(huán)路根據(jù)輸入電流和電壓信號的相位差改變壓控振蕩器的頻率，減小二者的相差，最終使電流和電壓相位為0。即θ(i)′-θ(v)=0，把θ(i)′代入公式得：θ(v)=θ(i)+Δθ，可推論出鎖相環(huán)頻率一旦鎖定，換能器的電壓和電流之間會存在Δθ的相位差值。

圖2 移相式鎖相環(huán)頻率跟蹤結(jié)構(gòu)圖

在上述θ(ω)公式中，取C0=8nf，C1=72pF，R1=20Ω， L1=89mH，用MATLIB仿真得相位差和頻率之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 相位差與頻率的關(guān)系圖

由圖4可見，Δθ和f在諧振頻率的附近成良好的線性關(guān)系，調(diào)整Δθ大小即可微調(diào)f的大小，調(diào)整的范圍由換能器的參數(shù)決定，一般在200Hz左右，用這種移相式頻率微調(diào)法，不僅解決了鎖相環(huán)鎖定的頻率完全由硬件電路決定所導(dǎo)致的頻率調(diào)整靈活性不高的缺點(diǎn)，還可以如圖4所示，通過調(diào)整相位差微調(diào)輸出功率的大小。

圖4 相位差與功率的關(guān)系

3 自動頻率跟蹤電路的設(shè)計及參數(shù)計算

自動頻率跟蹤電路由信號采樣電路、信號整形電路、數(shù)控移相電路、鎖相環(huán)電路及解鎖電路組成，主要電路設(shè)計如下所述：

3.1 信號采樣電路的設(shè)計

在超聲波電源輸出回路中串聯(lián)電流互感器，用其采樣電流信號，采用并聯(lián)電阻法來采集電壓信號，即在換能器兩端并聯(lián)兩個大阻值電阻來采樣電壓信號。

3.2 信號整形電路的設(shè)計

如圖5所示，該部分由前后兩級組成，前級是二階低通濾波電路，濾除高次諧波信號，后級是過零比較器，把前級輸出信號轉(zhuǎn)換為方波信號，傳送給CD4046鎖相環(huán)電路。

圖5 信號整形電路

3.3 數(shù)控移相電路設(shè)計

超聲波換能器長時間工作后，因溫升等原因其諧振頻率會漂移，電源驅(qū)動頻率也要隨之而變化，因此移相電路要能在設(shè)備運(yùn)行過程中，在頻率自動跟蹤的前提下根據(jù)超聲波驅(qū)動電源電流的大小微調(diào)相位。本設(shè)計采用線性移相電路，其工作原理為：電流采樣信號先經(jīng)過零比較器變換成矩形波信號；然后將此信號變成頻率和相位相同并且幅值恒定的三角波；再通過電壓比較器與直流電壓比較后實(shí)現(xiàn)移相，通過調(diào)節(jié)直流電壓即可調(diào)節(jié)移相角的大小。這種移相設(shè)計使電路受頻率影響程度減小，并且有基本的線性特性。電路設(shè)計如圖6所示。

圖6 數(shù)控線性移相電路圖

本設(shè)計采用MAXIM公司的MAX5128數(shù)字電位器來調(diào)整比較電壓，從而實(shí)現(xiàn)自動移相的控制。該電位器內(nèi)有128個分級的22k端到端電阻，用簡單的2線上/下型控制接口來對滑動端位置進(jìn)行編程；MAX5128的相對溫度系數(shù)只有5ppm/℃，能在-40℃~+85℃溫度范圍內(nèi)正常工作。

單片機(jī)的P3.0和P3.1口對其進(jìn)行控制，當(dāng)引腳DN端為低電平、引腳UP端由高電平變低電平時,可使滑動端位置向上遞增；而管腳UP端為低電平、管腳DN端由高電平變低電平時，可使滑動端位置向下遞減。由原理圖可知遞增時數(shù)字電位器滑動端電壓升高，遞減時該電壓降低。要編程非易失存儲器時，先拉高UP，后拉高DN，然后再把UP和DN管腳由高電平變?yōu)榈碗娖郊纯赏瓿蓴?shù)據(jù)存儲。MAX5128內(nèi)部有上電復(fù)位電路，上電后則由非易失存儲器載入到滑動端的位置[5]。為提高數(shù)字電位器的使用壽命，頻率跟蹤時不要頻繁地存儲數(shù)據(jù)，只要保存一個頻率跟蹤相對穩(wěn)定的位置，工作時再實(shí)時調(diào)整。

3.4 鎖相環(huán)電路設(shè)計

本設(shè)計選用CD4046鎖相環(huán)芯片，其原理圖如圖7所示，根據(jù)設(shè)計要求頻率跟蹤范圍為17k～22k，取C1=4700pF，根據(jù)頻率計算公式得R1=12.4k，R2=42.3k，實(shí)際電路中取R1為10k電阻和10k電位器串聯(lián)，R2為30k電阻和10k電位器串聯(lián)，RP1和RP2用來實(shí)現(xiàn)頻率微調(diào)。圖中R14、R15和C8組成低通濾波電路，Vcout為頻率輸出信號。當(dāng)鎖相環(huán)因?yàn)楦鞣N原因?qū)е聯(lián)Q能器諧振頻率失鎖后，鎖相環(huán)內(nèi)部壓控振蕩器輸出頻率將死鎖于上限頻率，這時CD4046的第9腳電壓會接近電源電壓，當(dāng)該電壓高于LM393同相端電壓時，LM393輸出為低電平，該信號送到單片機(jī)外部中斷口線，使單片機(jī)進(jìn)入中斷程序，復(fù)位鎖相環(huán)電路，讓其重新掃描。

圖7 CD4046鎖相環(huán)電路

4 頻率自動跟蹤軟件設(shè)計

本文設(shè)計的頻率自動跟蹤軟件包括兩個模塊，電流檢測模塊和硬件鎖相環(huán)工作狀態(tài)監(jiān)控模塊。電流檢測模塊可通過A/D轉(zhuǎn)換器，把電流采樣信號轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號。單片機(jī)需實(shí)時檢測換能器工作電流，測得當(dāng)前工作電壓下的電流最大值，并根據(jù)電流值的變化趨勢，適當(dāng)調(diào)整電流和電壓的相差，維持工作電流的穩(wěn)定。硬件鎖相環(huán)工作狀態(tài)監(jiān)控模塊則實(shí)時監(jiān)控鎖相環(huán)的工作狀態(tài)，一旦鎖相環(huán)失鎖則馬上執(zhí)行解鎖程序，如果多次解鎖后都無法鎖定頻率，則微調(diào)移相電路，如果鎖相環(huán)恢復(fù)正常工作，則保存現(xiàn)在的相差值和工作電流值，為以后的工作狀態(tài)調(diào)整做參考。如果經(jīng)移相后也無法讓設(shè)備正常工作，則立即停止工作并報警。鎖相環(huán)監(jiān)控程序流程圖以及電流檢測模塊流程圖如圖8，圖9所示。

圖8 鎖相環(huán)監(jiān)控程序流程

圖9 電流檢測模塊程序流程

5 頻率跟蹤電路實(shí)驗(yàn)測試

根據(jù)以上的分析，對頻率跟蹤電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，用DS2072A數(shù)字示波器測得頻率未鎖定前電壓和電流波形，圖10為未鎖定前電壓和電流波形圖，圖11為頻率鎖定后電壓和電流波形。

圖10 未鎖定前電壓和電流波形圖

圖11 頻率鎖定后電壓和電流波形

圖11可見頻率鎖定后電流相位略超前于電壓相位，但換能器輸出功率卻達(dá)最大值。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)增加匹配網(wǎng)絡(luò)后，工作穩(wěn)定性明顯好于匹配前，且在同等的電壓下輸出功率也明顯提高。圖12表示的是在同等電壓下通過移相電路測得的串接匹配電感前后頻率和輸出功率之間的關(guān)系，圖中失鎖頻率是在鎖定后微調(diào)相位情況下測得，可見在相位鎖定后，利用移相電路可以微調(diào)頻率，使換能器到達(dá)最佳工作狀態(tài)。對自動頻率跟蹤性能測試需要花費(fèi)很長的時間，因?yàn)閾Q能器諧振頻率偏移是在一個漫長過程中發(fā)生的，工程中可以通過串接不同大小的匹配電感來測試移相式頻率跟蹤電路的性能，圖13為相位未調(diào)節(jié)和調(diào)節(jié)后在串接不同匹配電感的輸出功率圖形，由圖可見，通過調(diào)整相差值可以微調(diào)輸出功率。

圖12 匹配前后不同相移時的輸出功率圖

圖13 相位調(diào)節(jié)前后輸出功率

6 結(jié)論

本設(shè)計在鎖相控制前端增加數(shù)控移相電路，實(shí)現(xiàn)相位鎖定后的頻率微調(diào)，實(shí)踐證明該方法對于換能器諧振頻率動態(tài)偏移時的頻率跟蹤有效。通過實(shí)驗(yàn)可知，采用鎖相環(huán)方案進(jìn)行頻率跟蹤，盡管主控芯片CD4046具備窄帶濾波特性，但還是存在誤跟蹤現(xiàn)象，為了系統(tǒng)更加可靠穩(wěn)定，本設(shè)計在鎖相控制前端設(shè)計了數(shù)控移相電路，實(shí)現(xiàn)相位鎖定后的頻率微調(diào)，對于不同的匹配電感單片機(jī)通過數(shù)控移相電路總能找到最佳工作點(diǎn)，此時輸出功率遠(yuǎn)大于調(diào)節(jié)前，而一旦頻率失鎖，單片機(jī)通過數(shù)控移相電路微調(diào)工作頻率，讓其恢復(fù)正常。同樣當(dāng)負(fù)載阻抗變化時，數(shù)控移相電路同樣可以通過相位差的調(diào)節(jié)讓換能器穩(wěn)定工作，這種靈活的控制方法使得超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)的整體性能得到了明顯的改善。