功率超声电源的频率跟踪电路

1、第 30卷第 2期苏州 大学学报( 工科版)V o l. 30 N o . 2 2010年 4月J O U R N A LO FS U Z H O UU N I V E R S I T Y ( E N G I N E E R I N GS C I E N C EE D I T I O N )A p r . 2010 收稿日期:2009-10-20 作者简介:马立( 1985-) , 男, 硕士研究生, 主要研究方向为电力电子变换。 文章编号: 1673 - 047X ( 2010)- 02-0067 - 04 功率超声电源的频率跟踪电路 马 立 ,李 艺 ,李祖胜 ( 苏州大学机电工程学院,

2、江苏 苏州 215021) 摘 要 : 功率超声技术广泛使用在许多领域。由于其核心器件换能器的谐振频率在长时间工作情 况下会漂移 ,就需要超声电源能够跟踪谐振频率的变化。提出一种基于锁相环的频率跟踪技术 ,设 计了频率跟踪电路,详细说明电路参数的计算 ,利用仿真验证了设计的可行性,为实现频率跟踪提供 了依据 。 关键词 : 超声电源; 频率跟踪 ; 锁相环; C D 4046 中图分类号 : T P 29 文献标识码 : A 0 引 言 功率超声电源广泛使用在超声电机、超声清洗 、 超声焊接、超声加工等许多领域 ,它是各种超声设备驱动 换能器的关键器件。它产生超声频率的电压波形驱动压电换能器

3、,换能器再将电能转换为同频率的机械振 动 ,产生超声波。换能器有其谐振频率,当工作在谐振频率下 ,换能器有着最大的功率输出和振幅。由于超声 压电换能器的机械品质因数较小,而处于高频振动中的弹性体本身也会发热 ,因此压电换能器的介电系数 、 等 效电容及漏电阻都会随温度的升高发生变化, 这将导致谐振频率有 1k H z 的变化,振幅成指数下降 1 。为了 稳定地驱动换能器,有必要根据温度的变化自动跟踪换能器谐振频率的变化 。针对在工作中换能器的谐振频 率漂移问题, 本文提出一种基于锁相环技术的频率跟踪方法 ,利用锁相环芯片 C D 4046实现了谐振频率的自 动跟踪 ,解决了这个问题, 保证了换

4、能器的输出效率 。 1 换能器 ( a ) ( b ) ( c ) 图 1压电式换能器等效电路 任何一压电式超声换能器 , 在其谐振频率附近均可等效成图 1 ( a ) 的电学模型 。其中 C0为静态电容, 它是在远低于谐振频率的频 率上测出的换能器电容, 是一个真实的电学量 。 C1、L 1、R1为动态电 容 、 动态电感和动态电阻, 它们不是真正的电学量, 而是从换能器的 质量、机械特性和损耗等分别折算过来的等效参数 , 一般常测到的 C1、L 1、R1值是其在谐振频率上的值。 C0所在的支路称为静态支路 , C1、L 1、R1所在的支路则称为动态支路 2 。 换能器在其谐振频率附近工作时

5、 , 即 = 1 L 1C1 ,动态支路等 效成电阻为 R1,换能器进一步等效如图 1( b ) 所示 。 工作在谐振频率时,由于 C0的影响,整个换能器呈容性,需要有电感与换能器匹配才可以谐振,从而提高功率 因数。最简单有效地匹配电感与换能器的匹配电路如图 1( c ) 所示。依参考文献 2的结论,匹配电感可以计算得 68苏州大学学报( 工科版)第 30卷 L= C0R 2 1 1 + 2C2 0R 2 1 ( 1) 由于处于高频振动中的弹性体本身也会发热, 因此压电换能器的介电系数、等效电容及漏电阻都会随温 度的升高发生变化,这将导致谐振频率漂移,功率因数降低。为了稳定地驱动换能器 ,保证

6、驱动电路始终处于 谐振状态,有必要自动跟踪换能器谐振频率的变化 。 2 锁相环原理和电路参数 锁相法是实现频率自动跟踪最理想的方法之一 。锁相环 ( P L L ) 法的原理就是检测出两组输入信号相位 差的大小和符号 ,用此偏差信号去调节振荡器的频率,使相位差减小,直至相位差被锁定在零上 。它主要由 3 个基本单元构成 : 相位比较器( 又称鉴相器 ) P D 、 压控振荡器 V C O和外接的 R C 无源低通滤波器 L P F 3 。 图 2锁相环的结构图 由于锁相环是一个相位反馈系统, 在环路中流通的 是相位 ,而不是电压, 因此研究锁相环的相位模型就可得 环路的完整性能 。图 2为锁相

7、环的相位模型。 由图 2可得锁相环的相位传递函数为 H ( S )= Kd Ko F ( S ) S+Kd Ko F ( S ) ( 2) 式中, K d为鉴相器的鉴相增益, 也是鉴相器的传递函数 ; Ko为压控振荡器的灵敏度, Ko/S 为 V C O 的传递函 数 ; F ( S ) 为低通滤波器的传递函数 。 2. 1 锁相环 C D 4046 C D 4046是通用的 C M O S 锁相环集成电路, 其特点是电源电压范围宽为 3 18V , 输入阻抗高约 100M ,动 态功耗小。主要由相位比较器 、相位比较器 、压控振荡器、源跟随器等部分构成 。本文采用由 C D 4046 ( 采

8、用鉴相器 ) 构成的基本锁相环电路图如图 3所示,环路在锁定状态下的工作波形如图 4所示 。 图 3锁相环 C D4046电路图 图 4鉴相器工作波形图 图 3中右侧的 C2、R13、R14和二极管 D1组成了它激启振电路。由于电路启动瞬间电流反馈信号为零 , V C O 始终在最低频率处振荡 ,这样就存在启动时不能自动入锁问题, 故采用它激到自激的转换电路来实现启 动问题 。 电路刚启动时,随着电容 C2的充电 , 1点的电压由 V C C逐渐降低 , V C O输出频率从最大值 fm a x滑向最小值 f m i n。只要换能器的谐振频率在 fm a x至 fm i n之间,就会引起谐振

9、,锁相环进入锁定状态, 顺利地启动。此过程完 成后, 由于 R13是 R14的 10 20倍 , 1点的电位很低, 所以二极管 D1将启振电路与图 3中的低通滤波电路隔 离 ,锁相环正常工作于无相差跟踪状态。 第 2期马立, 李艺, 李祖胜: 功率超声电源的频率跟踪电路69 2. 2 参数计算 对如图 3所示由 C D 4046构成的锁相环电路, 环路参数的计算主要是确定鉴相器的鉴相增益 K d的值 ,即 供电电源电压 V C C的值; 与 V C O 输出频率有关的电阻 R11、R12及电容 C1的值; 压控振荡器的灵敏度 K0的值 ; 低通滤波参数的值,即 R1、R2及 C 的值 。 (

10、1) 鉴相器的增益 Kd。 C D 4046的鉴相器是 P D F 鉴相器, 鉴相器的鉴相增益 Kd为 K d=V C C 4 ( 3) 式中, V C C为 C D 4046的供电电源的电压。 ( 2)V C O 输出频率。在 16脚的电源输入端的电压确定时, V C O 的输出频率由 11脚外接电阻 R11、12脚 外接电阻 R12、6脚和 7脚之间的接电容 C1以及 9脚的控制电压共同决定 。一般情况下 , V C O 输出的最低频 率 f m i n和最高频率 fm a x分别满足 4 : f m i n 10 12 R12( C1+32) ( 4) f m a x 10 12 R11

11、( C1+32)+f m i n( 5) 式 ( 4) 、式( 5) 中, 10k R111M , 10k R121M , 100p F C10. 01 F , C1的单位是 p F 。当 12脚悬空 时 ,电阻 R12为无穷大,输出的最低频率 f m i n=0 。 ( 3) 压控振荡器的灵敏度 K0。 Ko=2( f m a x-fm i n) U m a x-Um i n ( 6) 式中, Um a x和 Um i n是 V C O 输出频率为 f ma x与 fm i n时的输入电压 。对于 VC C= 10V 的供电电压, Um a x和 Umin分别为 9 V 和 1 V 。 图

12、5低通滤波器电路图 ( 4) 低通滤波器 ( L P F ) 。锁相环中的低通滤波器又称环路滤波器 ,它联接着 13 脚的 Ui和 9脚的 Uo,如图 5所示。低通滤波器的时间常数决定了输出信号跟随输 入信号的速度,同时也限制了 P L L 的捕捉范围。 F ( S )=U o( S ) Ui( S ) = 2S+1 ( 1+2) S+1 ( 7) 式中, 1=R1C; 2=R2C。依参考文献 3中的结论, 一般取 R1=470 , R2=47 , C =0. 1 F 。最佳的工作状态是电阻 R2的阻值为电阻 R1的 10% 30%。 综上所述,锁相环的相位传递函数为 H ( S )= 10

13、12 V C C R2C S+1 18R11( C1+32) ( R1+R2) C S 2 + 18R 11( C1+32)+10 12 V C C R2C S+1 ( 8) 图 6电流和电压检测电路图 3 检测电路的设计 由于锁相环是一个相位反馈系统 , 所以锁相环的自动频率跟踪电路需要有 反馈电路 。为了提高频率跟踪的精度 , 本文的反馈系统由电流检测和电压检测 电路组成。 电流检测电路中 , 检测串联在谐振 回路的电阻 R6( R6=1) 的电压值 , 再 将电压值与电流信号进行电隔离采样 , 然后由过零比较器将正弦波信号变换成 70苏州大学学报( 工科版)第 30卷 同频率的方波信号,

14、再将方波信号作为基准信号输入到 C D 4046的 14脚。图 6中的 D1、D2是两个反向串联 在一起的稳压二极管 ,它们可以对检测的电流信号起限幅作用,保护过零比较器 ,避免因电流变化过快而产生 高电压 。二极管 D6可以隔离较小的高次谐波干扰。 电压检测电路中 ,在换能器和匹配电感两端并联两个高阻值电阻, 从中点可以得到按比例缩小谐振回路 的电压信号 ,然后将由电压信号整形后的方波信号作为比较信号输入到 C D 4046的 3脚, 与 14脚的电流信号 相比较 。 4 频率跟踪电路和仿真结果 频率跟踪电路中要求超声电源的输出信号频率能对在工作中变化的换能器谐振频率进行跟踪, 采用锁相 环

15、 C D 4046进行频率跟踪的主电路如图 7所示。全桥逆变的任一组 I G B T 的驱动信号 ,是通过 C D 4046的 V C O 输出的频率方波经过死区电路和放大电路后驱动的 ,全桥逆变电路的输出再经过变压器将超声频率电压传递 到副边 UO, 驱动匹配电路和换能器 。 为了验证频率跟踪的可行性,参考无锡市宇超电子有限公司 G H - 5020E 换能器参数 ,以静态电容 11. 8n F , 谐振频率 20k H z 设计仿真实验。 附表为频率跟踪仿真结果 ,表中的换能器频率是换能器的动态支路的谐振频率, 在长时间工作后会漂移 。 在不跟踪漂移频率时 ,由于工作频率偏离电路谐振频率

16、,所以功率因数较低 ,无功分量较大 ,且高次谐波较多 ; 在锁相跟踪时,工作频率等于电路谐振频率, 功率因数基本近似为 1,但是由于匹配电感没有变化, 故电路的 谐振频率与换能器谐振频率近似相等 。 图 7超声电源主电路 附表频率跟踪仿真结果 状态 换能器频率 /k Hz 换能器和匹配电感 电路谐振频率 /k H z 工作频 率 /k H z 功率因数 初始2020201 不跟踪漂移频率19. 44819. 450200. 78 锁相跟踪漂移频率19. 44819. 45019. 4500. 992 5 结 论 利用锁相环 C D 4046实现的频率跟踪控制电路,可以很好地解决由于长时间工作而

17、产生的换能器谐振频 率漂移问题 ,保证了换能器驱动的稳定和功率超声电源的输出功率 ,提高了功率因数 ,是解决该类问题的一个 理想方法。 参 考 文 献 1 钱卫忠,曾周末, 杨学友. 超声波电机驱动源的频率跟踪 J . 天津大学学报, 2000, 33( 3) :375 - 377. 2 鲍善惠,王艳东. 超声波清洗机的阻抗匹配电路 J . 洗净技术, 2004, 2( 5) :11-14. 3 熊腊森,全亚杰. C D 4046锁相环在感应加热电源中的应用 J . 电焊机, 2003( 6) :14- 16, 19. 4 张大华. 锁相环集成电路 C D 4046及其在自动化仪表中的应用 J

18、 . 计量测试, 2003( 6) : 30-32. ( 下转第 77页 ) 第 2期刘静静, 曲波: 基于 A R M的高尔夫球员体重转移分析仪的设计77 L C D 进行显示 ,另一方面利用 R S 232与上位机通信 。 上位机曲线分类识别: 使用 B P 算法实现曲线分类识 别 ,训练样本至规定误差范围内时保存权值,对采集到的数据曲线进行识别, 得到归于某一类错误动作, 并根 据错误原因给出合理的挥杆建议。在此不再详述。 4 结束语 本分析仪采用 A R M S 3C 2410微处理器和 L i n u x 系统作为核心 ,可准确地记录高尔夫球员挥杆过程中体重 转移的信息 ,并能通过上

19、位机中的分类识别程序分析挥杆动作错误原因 ,给出相应的挥杆建议, 是对传统的挥 杆练习器的有效补充 。 参 考 文 献 1 熊茂华,杨振伦. A R M 9嵌入式系统设计与开发应用 M . 北京: 清华大学出版社, 2008. 2 潘巨龙,黄宁, 姚伏天, 等. A R ML i n u x 系统构建与应用 M . 北京: 北京航空航天大学出版社, 2006. 3 拉尔夫曼, 弗雷德格里芬, 盖尤克姆, 等. 职业挥杆 M . 北京: 中国对外翻译出版公司, 2003. 4 耿玉东 . 高尔夫挥杆原理 M . 北京: 北京体育大学出版社, 2007. D e s i g no f t h e

20、We i g h t T r a n s f e r A n a l y s e rf o rG o l f P l a y e r B a s e do nA R M L i uJ i n g j i n g , Q uB o ( S c h o o l o f E l e c t r o n i c s a n d I n f o r m a t i o n , S u z h o u U n i v e r s i t y , S u z h o u215021, C h i n a ) A b s t r a c t :As y s te mw h i c hd e te c ts a

21、 n da n a l y z e s t h e w e ig h t t r a n s f e r i n t h e p r o c e s s o f a g o l f s w i n g i s i n t r o d u c e dint h i s p a p e r .M i c r o p r o c e s s o r S 3C 2410, b a s e s o nt h e A R M 9T D M I , i s u s e da s t h e k e r n e l o f t h e s y s t e m , a n d L i n u x i s u s

22、 e d a s th ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m .T h es y s t e mw il l a c h i e v e s u c h g o a l s a s c o l l e c t i n g , s t o r i n g , d i s p l a y i n g , o u t p u t t i n g a n di d e n ti f y in g c a t e g o r i c a l lyt h ew e ig h t s i g n a l w i tht h eP C .T h ed e s

23、 i g np r o p o s a l f o r b o t hth es y s t e mh a r d w a r ea n d s o f tw a r e a n dth e d e ta i l s o f t h ed e s i g nfo r s y s te mh a r d w a r e a r e i n t r o d u c e di nt h i s p a p e r . K e yw o r d s : M i c r o p r o c e s s o r S 3C 2410;L i n u x s y s t e m ; w e i g h t t

24、r a n s f e r ( 上接第 70页 ) F r e q u e n c y - t r a c k i n gC i r c u i t o f S u p e r s o n i c P o w e r M a L i , L i Y i , L i Z u s h e n g ( S c h o o l o f M e c h a n i c a l a n dE l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g , S u z h o uU n i v e r s i t y , S u z h o u215021, C h i n a ) A b s t r a c t : S u p e r s o n i c p o w e r i s u s e d w i d e l y i n m a n y a r e a s